{"id":23744,"date":"2017-06-16T06:00:17","date_gmt":"2017-06-16T04:00:17","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2017\/06\/16\/sternengeschichten-folge-238-die-hawking-strahlung\/"},"modified":"2025-05-14T16:31:33","modified_gmt":"2025-05-14T14:31:33","slug":"sternengeschichten-folge-238-die-hawking-strahlung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2017\/06\/16\/sternengeschichten-folge-238-die-hawking-strahlung\/","title":{"rendered":"Sternengeschichten Folge 238: Die Hawking-Strahlung"},"content":{"rendered":"

\"SG_Logo\"<\/a>Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts<\/a>. Die Folge gibt es auch als MP3-Download<\/a> und YouTube-Video<\/a>.<\/i><\/p>\n

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\n\u00dcber Bewertungen und Kommentare freue ich mich auf allen Kan\u00e4len.<\/span>
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Sternengeschichten Folge 238: Die Hawking-Strahlung<\/b><\/p>\n

Es gibt zwei Dinge die alle \u00fcber Hawking-Strahlung wissen. Erstens: Sie hat etwas mit schwarzen L\u00f6chern zu tun. Und zweitens: Stephen Hawking hat sie entdeckt. Beide Aussagen sind richtig und das ist schon mal eine erste \u00dcberraschung angesichts der vielen Missverst\u00e4ndnisse die \u00fcber Schwarze L\u00f6cher im Umlauf sind. Ein paar davon habe ich ja schon in den Folgen 40 und 41 der Sternengeschichten angesprochen; unter anderem das sehr beliebte Missverst\u00e4ndnis das schwarze L\u00f6cher Materie „ansaugen“ w\u00fcrden. Das tun sie nicht; wenn man ausreichend Abstand zu ihnen h\u00e4lt dann passiert einem \u00fcberhaupt nichts. Erst wenn man eine klar definierte Grenze – den sogenannten Ereignishorizont – \u00fcberschreitet, wird es kritisch. Denn hat man diese Grenze einmal \u00fcberschritten, dann kommt man nicht mehr zur\u00fcck. Die Gravitationskraft des schwarzen Lochs wird hinter dieser Grenze so stark dass man keine M\u00f6glichkeit mehr hat, umzukehren. NICHTS kann zur\u00fcck; nicht einmal Licht ist schnell genug und da nichts schneller als Licht ist, kann auch nichts mehr aus einem schwarzen Loch entkommen.<\/p>\n

Nichts, bis auf die Hawking-Strahlung. Das war die Entdeckung die den britischen Astrophysiker im Jahr 1975 so ber\u00fchmt gemacht hat. Er entdeckte einen Mechanismus der zeigt das auch schwarze L\u00f6cher nicht vollst\u00e4ndig schwarz sind sondern Strahlung abgeben. Und hier fangen ein ganzer Haufen neuer Missverst\u00e4ndnisse an.<\/p>\n

\"Stephen<\/a>
Stephen Hawking (Bild: NASA<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Hawkings Erkl\u00e4rung ist eine mathematische, in der Ph\u00e4nomene aus der Quantenmechanik und der Relativit\u00e4tstheorie auf eine \u00e4u\u00dferst originelle Weise miteinander verbunden werden. Ist man kein Experte f\u00fcr diese Gebiete und hat man keine Ahnung von Mathematik, dann hat man auch keine Chance zu verstehen was Hawking gemacht hat. Es braucht eine \u00dcbersetzung die auch allgemein verst\u00e4ndlich ist. Bei der Hawking-Strahlung kann man \u00fcberall, auch in der Fachliteratur, folgende Erkl\u00e4rung lesen:<\/p>\n

Das Vakuum im Weltraum ist nicht wirklich komplett leer. Es k\u00f6nnen dort sogenannte virtuelle Teilchen<\/i> entstehen. Paare aus Materie und Antimaterie die f\u00fcr enorm kurze Zeit aus dem Nichts entstehen und sich dann gegenseitig wieder vernichten. Wenn diese Teilchenpaare aber nun gerade in der N\u00e4he des Ereignishorizontes eines schwarzen Loches entstehen, dann kann ein Teilchen hinter diese Grenze geraten und kommt nicht mehr weg. Dem anderen Teilchen fehlt nun der Partner f\u00fcr die gegenseitige Vernichtung und es fliegt einfach alleine drauf los und hinaus ins All. Ist das Teilchen das hinter dem Ereignishorizont verschwunden ist das Anti-Teilchen das eine negative Energie hat wird dadurch insgesamt die Masse des Lochs verringert. Von au\u00dfen sieht man also wie das schwarze Loch ein bisschen leichter wird und gleichzeitig ein neues Teilchen von seinem Ereignishorizont hinaus in die Welt fliegt. Das ist die Hawking-Strahlung!<\/p>\n

Diese weit verbreitete Erkl\u00e4rung hat den gro\u00dfen Vorteil dass man sie leicht verstehen kann. Sie hat allerdings den gravierenden Nachteil dass sie falsch ist. Diese Erkl\u00e4rung macht n\u00e4mlich nur dann Sinn wenn man davon ausgeht dass die Hawking-Strahlung tats\u00e4chlich ausschlie\u00dflich direkt am Ereignishorizont produziert wird. Aber genau das stimmt nicht.<\/p>\n

Die mathematische Betrachtung zeigt dass die Hawking-Strahlung aus einem weit \u00fcber den Ereignishorizont hinaus gehenden Bereich kommt. Es gibt quasi eine „Atmosph\u00e4re“ aus Hawking-Strahlung und nicht eine scharf definierte Grenzlinie an der sie entsteht. Das Problem an der Sache ist jetzt allerdings: Es gibt kein simples, anschauliches Bild mehr um zu erkl\u00e4ren was vor sich geht. Entweder man wird Experte f\u00fcr Quantenmechanik und Relativit\u00e4tstheorie. Oder man akzeptiert das die Sache mit der Hawking-Strahlung nicht so einfach zu verstehen ist.<\/p>\n

Zumindest nicht vollst\u00e4ndig und nicht nach ein paar S\u00e4tzen. Man muss hier schon ein wenig weiter zur\u00fcck gehen; zur\u00fcck bis zu solchen fundamentalen Fragen wie: Was ist ein Teilchen? Und vor allem: Was ist das Vakuum? Die simple Antwort die wir anhand unserer Alltagserfahrung geben k\u00f6nnen lautet: Ein Teilchen ist ein Teilchen und ein Vakuum ist das wo keine Teilchen sind. Aber so einfach ist es nat\u00fcrlich nicht. Es kommt darauf an, wer die Beobachtungen anstellt und vor allem, wie schnell sich die Beobachter in Bezug aufeinander bewegen.<\/p>\n

Das ist ja die gro\u00dfe Erkenntnis der Einsteinschen Relativit\u00e4tstheorie: Die Bewegung spielt eine wichtige Rolle. Die Geschwindigkeit spielt eine wichtige Rolle; um so mehr je n\u00e4her sie an die Lichtgeschwindigkeit heran reicht. Und vor allem spielt die Beschleunigung eine Rolle. Das was f\u00fcr den einen Beobachter wie leerer Raum aussieht kann f\u00fcr einen beschleunigten Beobachter wie ein Haufen Teilchen aussehen. <\/p>\n

Um das, zumindest ansatzweise zu verstehen m\u00fcssen wir uns erst mal von der Idee verabschieden ein „Teilchen“ sei irgendein konkretes Ding, eine Art kleine Kugel die halt da ist oder nicht. In der modernen Quantenmechanik beschreibt man Teilchen als Anregung eines Quantenfeldes. Es gibt also ein Feld – so wie das Gravitationsfeld oder ein Magnetfeld – und wenn man Energie in dieses Feld steckt, dann ploppt ein Teilchen heraus. Das ist nat\u00fcrlich auch nur eine sehr vereinfachte Darstellung aber besser als gar nichts…<\/p>\n

Will man solche Felder beschreiben, dann braucht man ein Koordinatensystem das Raum und Zeit ber\u00fccksichtigt. Und da wird es schon wieder knifflig. „Raum“ und „Zeit“ sind nicht unabh\u00e4ngig voneinander sondern k\u00f6nnen eigentlich, wie Albert Einstein gezeigt hat, nur als kombinierte Raumzeit betrachtet haben. Deswegen \u00e4ndert sich ja auch bei einer schnellen Bewegung durch den Raum auch immer das, was wir als Zeit betrachten. Sie vergeht unterschiedlich schnell je nachdem wie schnell wir uns durch den Raum bewegen. Und jetzt wird es ein weiteres Mal kompliziert: Je nachdem wie schnell und wie stark beschleunigt man sich durch die Gegend bewegt \u00e4ndert sich auch das was wir als Vakuum wahrnehmen. Denn ein Vakuum ist nicht „Nichts“. Das Vakuum ist voll mit den vorhin erw\u00e4hnten Quantenfeldern aus denen aufgrund der den Quanten immer eigenen Quantenfluktuationen eben auch die virtuellen Teilchen entstehen k\u00f6nnen die ich ganz zu Anfang erw\u00e4hnt habe.<\/p>\n

Man kann sich ein Vakuum am besten als Ansammlung von Quantenfeldern vorstellen in denen so wenig Energie wie m\u00f6glich steckt. Dieser niedrigste Energiezustand h\u00e4ngt jetzt aber von der Art der Bewegung ab! Energie wird in der Quantenmechanik als die zeitliche Ver\u00e4nderung der Wellenfunktion definiert (das ist das Ding mit dem man dort Teilchen beschreibt). Und da taucht wieder mal die quantemechanische Unsch\u00e4rfe auf. Da die Teilchen eben keine konkreten Dinger mehr sind sondern durch wellenartige Funktionen beschrieben werden kann man sie auch nicht konkret lokalisieren und sagen: GENAU DA ist eines! Man kann Ort und Geschwindigkeit eines Teilchens nie gleichzeitig exakt kennen; nicht weil man nicht so genau messen kann sondern weil es prinzipiell nicht geht. Da ist nichts, was gleichzeitig einen exakten Ort und eine exakte Geschwindigkeit haben kann! <\/p>\n

Was f\u00fcr Ort und Geschwindigkeit gilt, gilt auch f\u00fcr Energie und Zeit. F\u00fcr zwei unterschiedliche Beobachter die sich in unterschiedlichen Bewegungszust\u00e4nden befinden vergeht die Zeit auch unterschiedlich schnell und sie werden zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen wenn sie die Energie im Vakuum beobachten. Genau diese Energie bestimmt ja nun aber wie viele virtuelle Teilchen dort entstehen k\u00f6nnen. <\/p>\n

\"Schwarze<\/a>
Schwarze L\u00f6cher leuchten – aber SEHR kompliziert… (Bild: IGO\/Caltech\/MIT\/Sonoma State (Aurore Simonnet)<\/a>)
<\/figcaption><\/figure>\n

Oder anders gesagt: Dort wo der eine Beobachter leeres Vakuum sieht, sieht ein anderer Beobachter jede Menge Teilchen. Und die schwarzen L\u00f6cher? Dazu brauchen wir jetzt noch mal die Gravitation – und ein weiteres Mal die Relativit\u00e4tstheorie. In der hat Albert Einstein ja auch festgestellt, das Gravitation und Beschleunigung zusammenh\u00e4ngen. Masse kr\u00fcmmt die Raumzeit und bewegen wir uns durch eine gekr\u00fcmmte<\/i> Raumzeit, dann sp\u00fcren wir Gravitationskr\u00e4fte, genau die gleichen Kr\u00e4fte die wir aber zum Beispiel auch sp\u00fcren wenn wir in einem sich beschleunigenden Auto gegen den Sitz gedr\u00fcckt werden.<\/p>\n

Und jetzt brauchen wir noch einen letzten komplizierten Gedanken: Ein schwarzes Loch ist – so wie ein Teilchen – kein simples Ding. Es ist ein dynamischer Prozess und beschreibt eine in sich selbst kollabierende Raumzeit. Man kann nun zwei Beobachtungen vergleichen: Einmal den Raum bevor sich das schwarze Loch gebildet hat und angefangen hat die Raumzeit durcheinander zu bringen. Und einmal den Raum in dem das schwarze Loch sitzt und der kollabiert. Diese zwei Beobachter haben Koordinatensysteme die in Bezug aufeinander beschleunigt sind. <\/p>\n

Und das ist der Punkt um den sich alles dreht! Die unterschiedlichen Koordinatenysteme sorgen f\u00fcr einen unterschiedlichen Blick auf das Vakuum. Der eine sieht nix, der andere sieht jede Menge Teilchen. Diese<\/i> Teilchen sind die Hawking-Strahlung!<\/p>\n

Die Hawking-Strahlung ist also quasi das, was das schwarze Loch aus dem Vakuum gemacht hat, das zuvor da war. Diese Erkl\u00e4rung ist leider ein wenig komplizierter und deutlich l\u00e4nger als die Geschichte mit den Teilchenpaaren am Ereignishorizont. Aber zumindest ist sie ein klein wenig richtiger…<\/p>\n

P.S. Ich habe mich bei der Erkl\u00e4rung sehr an diesem sehr guten Artikel<\/a> von Sabine Hossenfelder orientiert. Es ist aber durchaus m\u00f6glich das ich etwas falsch verstanden habe. F\u00fcr Korrekturvorschl\u00e4ge, falls n\u00f6tig, bin ich dankbar.<\/i> \t\"\"<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video. Mehr Informationen: [Podcast-Feed][iTunes][Bitlove][Facebook] [Twitter][Sternengeschichten-App] \u00dcber Bewertungen und Kommentare freue ich mich auf allen Kan\u00e4len. ————————————————————————————— Sternengeschichten Folge 238: Die Hawking-Strahlung Es gibt zwei Dinge die alle \u00fcber Hawking-Strahlung wissen. Erstens: Sie hat etwas mit schwarzen L\u00f6chern zu tun. […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":11822,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[11,767],"tags":[1916,18,4637,6474,8500,13,580,11973,11979,11986,12278,12279,468,13839,195,13886,172,15098,15425],"class_list":["post-23744","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-naturwissenschaften","category-sternengeschichten","tag-astrodicticum","tag-astronomie","tag-ereignishorizont","tag-hawking-strahlung","tag-koordinatentransformation","tag-mars","tag-planeten","tag-quantenfeld","tag-quantenmechanik","tag-quantenunschaerfe","tag-relativitat","tag-relativitatstheorie","tag-schwarzes-loch","tag-stephen-hawking","tag-sterne","tag-sternengeschichten","tag-universum","tag-unruh-effekt","tag-virtuelle-teilchen"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/23744","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=23744"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/23744\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":23745,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/23744\/revisions\/23745"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/11822"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=23744"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=23744"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=23744"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}