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Verbirgt das Universum seine Singularitäten vor uns? - Die Hypothese der kosmischen Zensur | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus,
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dass massereiche Sterne am Ende ihres Lebens
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in einen Punkt unendlicher Dichte stürzen. Eine
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Singularität, an der unsere mathematischen Gleichungen
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und die bekannten Gesetze der Physik versagen.
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Albert Einstein fand diese Vorstellung zutiefst
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abstoßend, doch die Mathematik ließ sich nicht
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leugnen. Diese Episode untersucht, was genau
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an diesen Orten Extrems der Gravitation geschieht
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und warum das Universum diese Singularitäten
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meistens hinter einem undurchdringlichen Ereignishorizont
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verbirgt. Dabei beleuchten wir die Hypothese
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der kosmischen Zensur, die der Physiker Roger
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Penrose 1969 formulierte. Sie besagt, dass die
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Natur ihre Singularitäten stets kleidet, um den
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Rest der Wirklichkeit vor einer kausalen Katastrophe
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zu bewahren. Wer eine Singularität nämlich ohne
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schützenden Horizont exponiert, könnte aus ihr
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beliebige Information ohne erkennbare Ursache
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hervortreten. Der gesamte Determinismus der Physik
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würde zusammenbrechen. Wir betrachten historische
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Meilensteine von Karl Schwarzschilds Berechnungen
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im ersten Weltkrieg bis zu modernen Beobachtungen
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verschmelzender schwarzer Löcher und Fragen,
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ob Quantenkabitation dieses Rätsel letztlich
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lösen könnte. Bei der Arbeit an dieser Episode
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kehrte ich immer wieder zu einer grundlegenden
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Frage zurück. Warum ist das Universum überhaupt
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verstehbar? Die Beschäftigung mit nackten Singularitäten
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zeigt, dass diese Verstehbarkeit kein Selbstläufer
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ist. Es fasziniert mich, dass ausgerechnet die
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extremsten und gewalttätigsten Orte im Kosmos
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uns zwingen, über die absoluten Grenzen unseres
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Wissens nachzudenken. Es ist eine beruhigende
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Vorstellung, dass die Architektur der Raumzeit
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selbst einen schützenden Anstand bewahrt, damit
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das Universum an unserem ruhigen Ort weiterhin
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logisch fortbesteht. Einstein fand diese Vorstellung
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abstoßend. Und das ist durchaus bezeichnend.
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Ein Mann, der seinen Gleichungen mehr vertraute
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als die meisten, konnte sich nicht dazu durchringen,
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dorthin zu vertrauen, wohin sie ihn führten.
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Die Mathematik bestand darauf, dass ein Stern,
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wenn er stirbt, in einen Punkt hineinstirbt,
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an dem die Mathematik selbst verstummt. Und dieses
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Schweigen, so zeigt sich, ist womöglich das am
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sorgfältigsten gehütete Geheimnis des Universums.
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Es gibt eine stille Art von Unbehagen, die sich
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einstellt, wenn man die Vorhersagen der allgemeinen
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Relativitätstheorie zu genau betrachtet. Nicht
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das dramatische Unbehagen eines Sturms oder eines
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plötzlichen Falls, sondern etwas Geduldigeres,
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etwas Beharrlicheres. Die Gleichungen sagen uns,
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wenn ein massereicher Stern seinen Brennstoff
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erschöpft, Wenn der nach außen gerichtete Druck
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des nuklearen Feuers schließlich der geduldigen
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Beharrlichkeit der Schwerkraft nachgibt, dann
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geschieht etwas, das unser Verstand nicht fassen
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kann. Stellen Sie sich das Innere eines solchen
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Sterns in seinen letzten Stunden vor. Millionen
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Jahre lang war er eine gewaltige Zwiebel aus
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Elementen. Wasserstoff fusionierte in den äußeren
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Schichten zu Helium. Tiefer innen wurde Helium
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zu Kohlenstoff, dann zu Sauerstoff, dann zu Silizium.
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Jede Schale brannte bei höherer Temperatur näher
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am Kern. Der Stern wurde getragen von den Photonen,
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die aus diesen Feuern nach außen strömten, vom
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schlichten Druck des Lichts, das gegen die Materie
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drückte. Wenn das Silizium zu Eisen verbrennt,
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endet etwas. Eisen absorbiert Energie, statt
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sie freizusetzen. Die nuklearen Feuer werden
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nicht bloß Schwäche. Sie verstummen. Und in diesem
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Schweigen bricht der Boden weg. Die Materie stürzt
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mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit
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nach innen. Nicht weil etwas sie stößt, sondern
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weil nichts mehr da ist, das sie trägt. Der Eisenkern,
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ungefähr so groß wie die Erde, kollabiert in
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einem Sekundenbruchteil. Atome werden zerquetscht,
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bis ihre Elektronen in die Protonen gepresst
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werden und Neutronen entstehen. Die Neutronen
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werden noch enger zusammengedrückt. Die Mathematik
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hört nicht auf. Sie beschreibt einen Punkt unendlicher
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Dichte, unendlicher Krümmung. Sie beschreibt
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einen Ort, an dem die Geometrie der Raumzeit
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selbst zu etwas wird, für das uns die Sprache
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fehlt. Das ist eine Singularität. Und das Seltsamste
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daran ist nicht, dass sie in den Gleichungen
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existiert, sondern dass die Gleichungen sich
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weigern, uns zu sagen, was dort geschieht. Was
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bedeutet unendliche Dichte? Nicht bloß sehr viel
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Materie in sehr wenig Raum, sondern etwas Radikaleres.
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Die Unterscheidung zwischen Materie und Raum
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selbst beginnt sich aufzulösen. Dichte ist Masse
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geteilt durch Volumen. An der Singularität geht
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das Volumen gegen null, während die Masse endlich
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bleibt. Das Verhältnis wird unbegrenzt. Nicht
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so, wie eine Zahl sehr groß wird, sondern so,
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wie eine Frage bedeutungslos wird. Der Raum,
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die Bühne, auf der alle Physik sich abspielt,
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hört auf, eine Bühne zu sein. Er faltet sich
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in sich selbst zusammen. Und mit ihm faltet sich
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jeder Begriff zusammen. den wir dafür haben,
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wo etwas ist, wie schnell es sich bewegt, was
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als nächstes geschieht. Albert Einstein, dessen
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eigene Theorie diese Vorhersage hervorbrachte,
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fand sie abstoßend. Er war kein Mann dramatischer
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Verlautbarungen, aber er glaubte mit einer Art
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philosophischer Überzeugung, dass die Natur solche
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Extreme nicht zulassen würde. Es müsse einen
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Mechanismus geben, dachte er. Eine versteckte
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Klausel im Vertrag der physikalischen Gesetze,
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die die Wirklichkeit daran hindert, an einem
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so unmöglichen Ziel anzukommen. Doch die Mathematik
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war eindeutig. Zumindest in dem Spezialfall,
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den Karl Schwarzschild 1916 löste, kaum ein Jahr
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nachdem Einstein seine Theorie vollendet hatte.
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Schwarzschild fand die exakte Beschreibung einer
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nicht rotierenden, kugelförmigen Masse die bis
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an ihre äußerste Grenze kollabiert ist. Und im
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Zentrum dieser Beschreibung saß, unvermeidlich
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und exakt, die Singularität. Es lohnt sich, bei
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den Umständen diese Entdeckung innezuhalten.
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Schwarzschild saß nicht in einem bequemen Arbeitszimmer,
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als er diese Gleichungen löste. Er war an der
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russischen Front im Ersten Weltkrieg. Er diente
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in der deutschen Artillerie und berechnete in
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den Pausen zwischen den Bombardements Flugbahnen
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von unmittelbarerer und zerstörerischerer Art.
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Er schrieb an Einstein, er habe die Lösung im
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Schützengraben gefunden. Diese vollkommene mathematische
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Beschreibung des endgültigen Kollapses eines
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Sterns, abgeschickt von einem Ort, an dem die
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Zivilisation selbst kollabierte. Die Arbeit kam
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in Berlin an. wurde vorgetragen, wurde als brillant
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anerkannt. Schwarzschild starb im folgenden Jahr
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mit 42 an einer Hautkrankheit, die er sich an
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der Ostfront zugezogen hatte. Er erfuhr nie,
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wie Zentrals eine Lösung werden würde. Er erfuhr
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nie, wie sie den Krieg überdauern würde, der
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ihn tötete. Er erfuhr nie, wie sie ein Jahrhundert
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später noch als die erste exakte Beschreibung
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eines schwarzen Lochs studiert werden würde.
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Jahrzehntelang erlaubten sich die Physiker eine
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Art Hoffnung. Vielleicht waren Singularitäten
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bloß Artefakte der Mathematik, wie die Division
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durch Null, die die Schulalgebra heimsucht. Vielleicht
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entstanden sie nur, weil wir das Problem zu einfach
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gemacht hatten. Zu symmetrisch. Zu losgelöst
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von der unordentlichen Komplexität wirklich kollabierender
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Sterne. Echte Sterne rotieren. Echte Sterne sind
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klümpig, turbulent, unvollkommen. Sicher, dachten
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viele, würden diese Unvollkommenheiten uns vor
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der Unendlichkeit retten. Die Singularität würde
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sich als Gespenst erweisen, sichtbar nur für
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jene, die auf einer unrealistischen Reinheit
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bestanden. Diese Hoffnung war nicht müßig. Sie
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gründete in einer vernünftigen Intuition darüber,
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wie die Natur sich verhält. Wir hatten zuvor
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gesehen, dass mathematische Extreme sich bei
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näherer Betrachtung manchmal auflösen. Die Ultraviolettkatastrophe
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der klassischen Physik, die unendliche Stahlung
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von heißen Körpern vorhersagte, wurde durch die
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Quantenmechanik aufgelöst. Die unendliche Selbstenergie
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des Elektrons in der klassischen Elektrodynamik
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fand ihre Bändigung in den Einormierungsverfahren
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der Quantenfeldtheorie. Vielleicht würde auch
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die Singularität ihre eigene Auflösung finden,
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ihre eigene quantenmechanische Rettung. Doch
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die 1960er Jahre brachten eine andere Art von
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Klarheit. Und mit ihr ein tieferes Unbehagen.
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Roger Penrose bewies mit neuen mathematischen
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Werkzeugen von außerordentlicher Eleganz etwas,
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das sich nicht wegwünschen ließ. Unter sehr allgemeinen
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Bedingungen. die keine perfekte Symmetrie und
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keine idealisierte Einfachheit verlangten, muss
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der Gravitationskollaps eine Singularität erzeugen.
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Der Beweis stützte sich auf ein Konzept, das
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sie eine gefangene Fläche nannte. Eine zweidimensionale
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Grenze mit einer eigentümlichen und beunruhigenden
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Eigenschaft. Um eine gefangene Fläche zu verstehen,
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stellen Sie sich vor, Sie stehen auf einem Planeten,
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auf dem jede Richtung, in die Sie gehen, Sie
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tatsächlich bergab zum Zentrum führt. Selbst
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die Richtung, von der Sie sicher sind, dass sie
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bergauf und vom Zentrum wegführt. Die Geometrie
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des Raumes selbst ist so gekippt, dass alle Zukunfte
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nach innen zeigen. Lichtstrahlen, die normalerweise
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nach außen auseinanderlaufen und Information
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aus einer kollabierenden Region hinaustragen
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würden, werden stattdessen von der Krümmung der
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Raumzeit nach innen gebogen. Selbst Licht, das
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schnellste im Universum, kann nicht entkommen.
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Sobald eine solche Fläche entsteht, wird der
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Kollaps zur Singularität unvermeidlich. Die Schlussfolgerung
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war keine Frage der Wahl des einen Koordinatensystems
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gegenüber einem anderen. Sie war kein Trick der
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mathematischen Darstellung. Es war eine Aussage
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über die Geometrie der Raumzeit selbst. Stephen
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Hawking erweiterte diese Arbeit. Und er erweiterte
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damit unsere Unbehagen. Er zeigte, wenn wir Einsteins
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Gleichungen rückwärts in der Zeit laufen lassen
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und sie auf das gesamte Universum anwenden, kommen
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wir zu einem ähnlichen Schluss. Der Urknall selbst
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enthält eine Singularität. Die Zeit beginnt dort
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in gewissem Sinne. Oder zumindest beginnt dort
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unsere Fähigkeit, Zeit klassisch zu beschreiben.
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Es gibt kein Davor. Nicht, weil wir es nicht
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sehen können, sondern weil der Begriff der zeitlichen
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Abfolge selbst an dieser Grenze seine Bedeutung
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verliert. Singularitäten sind also nicht bloß
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möglich. Sie sind, unserer besten klassischen
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Theorie zufolge, unvermeidlich. Sie lauern am
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Ende des Sternkollapses und am Anfang der kosmischen
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Expansion. Sie sind so fest in die Architektur
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der allgemeinen Relativitätstheorie eingebaut,
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wie elliptische Bahnen in die newtonische Mechanik.
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Und hier beginnt die stille Furchtgestalt anzunehmen.
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Denn Singularitäten sind mehr als nur ein Versagen
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unserer Gleichungen. Sie sind ein Ort, an dem
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die Vorhersage selbst stirbt. Um zu verstehen,
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warum, müssen wir uns vorstellen, was es hieße,
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eine Singularität direkt zu sehen, ohne den schützenden
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Puffer, der sie normalerweise vor Blicken verbirgt.
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Im Standardbild eines schwarzen Lochs ist die
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Singularität hinter einem Ereignishorizont verborgen.
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Jener Grenze, aus der nichts, nicht einmal Licht,
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ins äußere Universum entkommen kann. Der Horizont
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ist keine Fläche im materiellen Sinn. Er ist
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eine Eigenschaft der Geometrie. Ein Ort, an dem
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die Bahnen ausgehender Lichtstrahlen sich asymptotisch
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der Stillstellung nähern. Von außen können wir
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niemals beobachten, was an oder jenseits dieser
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Grenze geschieht. Die Singularität ist zensiert,
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dem kausalen Kontakt mit dem Rest des Universums
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entzogen. Wir wissen, dass sie da ist. So wie
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wir wissen, was in einem ungeöffneten Brief steht.
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Aber wir können es nicht unmittelbar bezeugen.
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Doch was, wenn der Horizont entfernt werden könnte?
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Was, wenn durch einen kosmischen Unfall oder
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einen extremen Zustand eine Singularität dem
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Universum im Großen ausgesetzt würde? Das ist
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die nackte Singularität. Und es ist eine Aussicht,
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die die Grundfesten der Physik auf eine Weise
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erschüttert, wie es nur wenige andere Konzepte
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tun. Stellen Sie sich vor, Sie richten ein Teleskop
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auf einen Fleck am Himmel, an dem eine nackte
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Singularität freigelegt wurde. Sie könnten alles
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sehen. Eine Teetasse, einen Dinosaurier, einen
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Strom reiner Mathematik. Nicht weil diese Dinge
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wahrscheinlich sind, sondern weil der Begriff
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der Wahrscheinlichkeit dort keine Bedeutung hat.
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Das Universum hat an diesem Punkt der Raumzeit
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keinen nächsten Moment, der aus dem Vorherrlichen
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folgt. An einer nackten Singularität würden die
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Gesetze der Physik, wie wir sie verstehen, schlicht
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aufhören, in irgendeiner vorhersagbaren Weise
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zu funktionieren. Die Gleichungen, die die Entwicklung
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physikalischer Systeme von Anfangsbedingungen
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zu künftigen Ergebnissen bestimmen, würden nicht
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nur am singulären Punkt selbst zusammenbrechen.
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Sie würden in der gesamten kausalen Zukunft dieses
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Punktes zusammenbrechen. Wirkungen könnten ohne
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bestimmbare Ursachen auftreten. Information könnte
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aus dem Nichts erscheinen, unverbunden mit jedem
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früheren Zustand des Universums. Die Zukunft
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wäre nicht mehr durch die Vergangenheit bestimmt,
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nicht einmal im Prinzip. Das gesamte Gebäude
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der Physik als Vorhersagen der Wissenschaft würde
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einstürzen. Nicht weil uns Rechenleistung oder
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experimentelle Präzision fehlte, sondern weil
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die mathematische Struktur selbst eine Grenze
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erreicht hätte, jenseits derer sie nicht fortgesetzt
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werden kann. Das ist nicht bloß eine technische
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Unannehmlichkeit. Es ist eine metaphysische Katastrophe.
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Physik ist in ihrem tiefsten Kern der Glaube,
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dass das Universum verstehbar ist. Dass bei hinreichender
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Kenntnis der Gegenwart die Zukunft bestimmt ist.
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Dieser Determinismus muss nicht von der starren,
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urwerkartigen Sorte sein. Die Quantenmechanik
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bringt echte Wahrscheinlichkeiten ins Bild. Aber
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selbst die Quantenmechanik arbeitet in einem
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Rahmen, in dem die möglichen Ergebnisse und ihre
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Wahrscheinlichkeiten von der Theorie präzise
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festgelegt werden. Eine nackte Singularität würde
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selbst diesen probabilistischen Determinismus
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verletzen. Sie würde echte Beliebigkeit ins Universum
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einführen. Regionen, aus denen schlechthin alles
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hervorgehen könnte, ohne jede Regel, die bestimmt,
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was oder wann. Erstmal diese Aussicht, die Roger
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Penrose 1969 dazu führte, das vorzuschlagen,
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was er die Hypothese der kosmischen Zensur nannte.
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Der Name trägt ein gewisses literarisches Gewicht.
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Er beschwört das Bild eines Universums herauf,
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das weiß, was verborgen bleiben muss. Das seine
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Beobachter vor Anblicken schützt, die zu gefährlich
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sind, um sie zu ertragen. Doch Penroses Formulierung
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war präziser als diese Metapher nahelegt. Und
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bescheidener. Er behauptete nicht, bewiesen zu
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haben, dass nackte Singularitäten unmöglich sind.
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Er schlug es als Vermutung vor. Als begründete,
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auf physikalischer Intuition beruhende Annahme.
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Als ein Bekenntnis zur Ordnung der Natur. Die
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starke Form der Hypothese, erhebt einen kühnen
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Anspruch. Die allgemeine Relativitätstheorie
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wird, angewandt auf physikalisch -realistische
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Anfangsbedingungen, niemals eine nackte Singularität
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hervorbringen. Die Natur, mit anderen Worten,
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findet immer einen Weg, ihre Singularitäten in
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Ereignishorizonte zu kleiden. Die schwache Form
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ist bescheidener, eher beobachtungsbezogen. Sie
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sagt nur, dass alle durch Gravitationskollaps
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erzeugten Singularitäten für entfernte Beobachter
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unsichtbar bleiben werden. Sie könnten existieren,
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diese nackten Singularitäten. Aber wir könnten
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sie nie sehen. Wir könnten nie ihre kausalen
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Folgen erleiden. Das Universum könnte verbotene
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Zonen enthalten. Aber sie wären auf eine Weise
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verboten, die den Rest der Wirklichkeit vor ihrer
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Pathologie schützt. Benrose selbst betonte sorgfältig
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den Vermutungscharakter dieses Vorschlags. Er
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hatte kein Beweis und er wusste es. Was er hatte,
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war eine Überzeugung. Geboren aus der mathematischen
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Struktur der Theorie und aus einer tiefen Intuition
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darüber, wie physikalische Gesetze sich verhalten
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sollten. Das Universum, so schien er zu sagen,
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ist nicht bösartig. Es lockt uns nicht mit dem
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Versprechen des Verstehens, nur um dieses Versprechen
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im Moment der tiefsten Nachfrage zu zerflagen.
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Es gibt eine Art kosmischen Anstand am Werk,
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eine Verpflichtung, verstehbar zu bleiben. Hier
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überschreitet die Hypothese ihre technischen
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Ursprünge und berührt etwas Philosophischeres.
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Die Hypothese der kosmischen Zensur ist nicht
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bloß eine Aussage über schwarze Löcher. Sie ist
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eine Aussage über die Erkennbarkeit des Universums.
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Sie behauptet, dass es Grenzen dessen gibt, was
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wir beobachten können. Dass diese Grenzen aber
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so gesetzt sind, dass sie die Möglichkeit des
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Wissens selbst bewahren. Wir können nicht über
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den Ereignishorizont hinaussehen. Aber im Tausch
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für diese Begrenzung wird uns garantiert, dass
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das, was wir sehen können, gesetzmäßig bleibt.
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Vorhersagbar bleibt, uns zum Verstehen offen
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bleibt. Die Jahrzehnte seit 1969 wurden zu einem
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großen Teil damit verbracht, diesen Glauben zu
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prüfen. Physiker haben nach Gegenbeispielen gesucht,
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nach Szenarien, in denen der kosmische Sensor
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beim Schlafen ertappt werden könnte, nach Fällen,
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in denen eine nackte Singularität durch den schützenden
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Schirm des Universums schlüpfen könnte. Einige
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dieser Suchen waren bemerkenswert kreativ. Sie
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tasteten die Ränder dessen ab, was die Mathematik
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erlaubt. Einer der bekanntesten Kandidaten stammt
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aus der Kern -Humann -Lösung. Der exakten Beschreibung
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eines rotierenden, elektrisch geladenen schwarzen
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Lochs. Die Gleichungen enthalten hier eine Überraschung.
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Wenn die Rotation oder die Ladung im Verhältnis
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zur Masse groß genug wird, verschwindet der Ereignishorizont
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einfach. Die Mathematik beschreibt eine Singularität,
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die exponiert in der Raumzeit sitzt, ohne schützende
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Grenze, die das äußere Universum vor ihrem Einfluss
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abschirmt. Die Bedingung ist präzise. Wenn der
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Drehimpuls das Quadrat der Masse übersteigt,
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Oder wenn die Ladung einen ähnlichen kritischen
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Wert überschreitet, verschwindet der Horizont.
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Und die Singularität steht nackt da. Das scheint
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eine klare Verletzung der kosmischen Zensur zu
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sein. Eine mathematische Demonstration, dass
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die Natur genau das hervorbringen kann, was die
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Hypothese verbietet. Aber es gibt einen physikalischen
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Haken. Und er ist erheblich. Stellen Sie sich
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vor, Sie versuchen, ein schwarzes Loch bis zum
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Zerreißpunkt in Rotation zu versetzen. Sie feuern
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ein hochenergetisches Teilchen darauf zu. Es
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streift den Horizont und fügt seinen Drehimpuls
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hinzu. Aber während das Teilchen hineinfällt,
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fügt es auch seine Masse hinzu. Der Horizont
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schwillt nach außen, gerade genug, um die Rotation
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aufzunehmen, ohne zu zerreißen. Es ist, als versuchte
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man einen Ballon zu überfüllen, der sich genau
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in dem Maß ausdehnt, wie man Wasser hineingießt.
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Das Universum, so scheint es, hat das Spiel manipuliert.
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Im realen Universum erscheinen schwarze Löcher
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nicht fertig geformt, mit beliebigen Werten für
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Masse, Ladung und Rotation. Sie entstehen durch
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den Kollaps von Materie. Und der Prozess des
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Kollapses erlegt seine eigenen Beschränkungen
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auf. Wenn man versucht, ein schwarzes Loch durch
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Hinzufügen von Materie mit hohem Drehimpuls in
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schnellere Rotation zu versetzen, stellt man
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fest, dass die hinzugefügte Materie auch die
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Masse erhöht. Und zwar genau so, dass die Ungleichung
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erhalten bleibt. Der Horizont bleibt bestehen.
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Ebenso sind schwarze Löcher in astrophysikalischen
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Umgebungen tendenziell elektrisch neutral. Entgegengesetzte
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Ladungen in der umgebenden Materie sind reichlich
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verfügbar und werden effizient angezogen, um
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jedes Ungleichgewicht auszugleichen. Die extremen
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Bedingungen, die für eine nackte Kern -Human
23:43
-Singularität nötig wären, scheinen durch keinen
23:46
physikalisch plausiblen Prozess erreichbar zu
23:49
sein. Weitere Gegenbeispiele sind aus der Untersuchung
23:53
perfekt symmetrischer Kollaps -Szenarien hervorgegangen.
23:56
1933 entdeckte Matthew Choptwick durch numerische
24:01
Simulationen ein bemerkenswertes Phänomen an
24:04
der Grenze zwischen dem Kollaps zu einem schwarzen
24:06
Loch und der Zerstreuung in den leeren Raum.
24:09
Bei präzise abgestimmten kritischen Parametern
24:13
erzeugt der Kollaps komplizierte selbstständige
24:16
Strukturen. Und die Mathematik legt nahe, dass
24:19
in diesen fein ausbalancierten Fällen nackte
24:23
Singularitäten auftreten könnten. Aber die Betonung
24:27
muss auf fein ausbalanciert liegen. Diese Szenarien
24:32
erfordern eine exquisite Feinabstimmung der Anfangsbedingungen.
24:36
Eine Präzision, die in der chaotischen, unvollkommenen
24:40
Umgebung eines realen astrophysikalischen Kollapses
24:44
unerreichbar scheint. Der kosmische Zensor, so
24:49
scheint es, verbietet nackte Singularitäten nicht
24:52
absolut. Er macht sie so unwahrscheinlich, so
24:55
abhängig von unrealistischer Idealisierung, dass
24:58
sie für alle praktischen Zwecke ebenso gut verboten
25:01
sein könnten. Die Suche nach Verletzungen geht
25:05
weiter. Und zu ihr sind neue Beobachtungsinstrumente
25:08
hinzugekommen, die zu Penroses Zeit unvorstellbar
25:13
waren. Der Nachweis von Kavitationswellen durch
25:17
LIGO und VIRGO hat ein Fenster zu den gewaltsamsten
25:20
Prozessen im Universum geöffnet, einschließlich
25:24
der Verschmelzung schwarzer Löcher. Im Prinzip
25:28
könnte eine solche Verschmelzung eine momentane
25:31
Geometrie erzeugen, die so extrem ist, dass sie
25:35
sich der Schwelle zur Bildung einer nackten Singularität
25:38
nähert. Die Ausschwingphase, in der das neu entstandene
25:42
schwarze Loch durch Abstrahlung von Gravitationswellen
25:45
in seinen Endzustand übergeht, trägt kodierte
25:48
Information über die Natur des Horizonts in sich.
25:51
Hätte der Horizont sich nicht gebildet, wäre
25:55
die Singularität momentan exponiert gewesen.
25:58
Dann trüge die Gravitationswellensignatur den
26:01
Abdruck dieser Katastrophe. Bislang wurde kein
26:05
solcher Abdruck gefunden. Jede bisher beobachtete
26:09
Verschmelzung hat ein konventionelles schwarzes
26:12
Loch hervorgebracht. Vollständig mit Ereignishorizont.
26:17
Vollständig mit der schützenden Zensur, die Penrose
26:21
vermutete. Einige supermassereiche schwarze Löcher,
26:25
besonders jene in den Zentren von Galaxien, rotieren
26:29
mit bemerkenswerter Geschwindigkeit. Messungen
26:33
der Röntgenstrahlung aus den inneren Akkretionsscheiben
26:36
erlauben es Astronomen, den Spinnparameter abzuleiten.
26:41
Einige dieser Ungeheuer nähern sich Werten von
26:44
0, 9 oder höher, wobei 1 ,0 das theoretische
26:49
Maximum darstellt. Sie drücken gegen die Grenze.
26:53
Sie tanzen nahe an dem Limit, an dem der Horizont
26:56
verschwinden würde, aber keines hat es überschritten.
27:00
Der kosmische Sensor hält Stand, zumindest in
27:04
den Bereichen, die wir beobachten können. Diese
27:07
Beständigkeit der Zensur über so viele verschiedene
27:10
physikalische Kontexte und Beobachtungszugänge
27:13
hinweg beginnt sich weniger wie ein Zufall anzufühlen
27:17
und mehr wie ein Prinzip. Aber ein Prinzip wovon?
27:22
Hier vertieft sich die Hypothese zu einer der
27:25
tiefgreifendsten Fragen der zeitgenössischen
27:28
Physik. Was ist eine Singularität wirklich? Die
27:32
klassische Antwort der allgemeinen Relativitätstheorie
27:35
lautet, sie ist ein Punkt unendlicher Dichte.
27:39
Ein Ort, an dem die Krümmung der Raumzeit unbegrenzt
27:43
wird. Aber diese Antwort trägt die Keime ihrer
27:47
eigenen Zerstörung in sich. Unendlichkeit in
27:50
einer physikalischen Theorie ist kein Triumph,
27:53
sondern eine Warnung. Sie ist die Art der Theorie,
27:57
uns zu sagen, dass sie die Grenze ihrer eigenen
27:59
Gültigkeit erreicht hat. Das neue Physik übernehmen
28:03
muss. Die meisten Physiker glauben, dass Singularitäten
28:07
in keinem endgültigen Sinn real sind. Sie sind
28:12
vielmehr Symptome der Unvollständigkeit der allgemeinen
28:15
Relativitätstheorie. Die Theorie funktioniert
28:19
großartig über einen enormen Bereich von Skalen.
28:23
Vom Labor bis zum Sonnensystem, bis zum kosmologischen.
28:29
Aber unter den extremen Bedingungen nahe einer
28:32
Singularität, wo die Dichten sich der Planck
28:35
-Skala nähern und Quanteneffekte dominieren müssen,
28:38
kann die allgemeine Relativitätstheorie nicht
28:41
das letzte Wort sein. Sie ist eine Näherung,
28:44
ein Grenzfall einer tieferen Theorie, die wir
28:49
noch nicht vollständig konstruiert haben. Diese
28:52
tiefere Theorie, die Quantengravitation verspricht,
28:56
die Singularitäten aufzulösen, die die klassische
29:00
Beschreibung plagen. In der Schleifenquantengravitation
29:03
legen Berechnungen nahe, dass die Singularität
29:08
im Zentrum eines schwarzen Lochs durch einen
29:10
Quantenrückprall ersetzt wird. Einen Übergang
29:14
zu einer neuen Region der Raumzeit, in der die
29:17
Krümmung endlich bleibt. Das Unendliche wird
29:21
gebändigt durch die diskrete körnige Struktur
29:23
des Raumes selbst auf den kleinsten Skalen. In
29:27
der Strengtheorie verschmiert die fundamentale
29:30
ausgedehnte Natur der Grundobjekte die punktförmigen
29:35
Energiekonzentrationen, die in der klassischen
29:39
Theorie singuläres Verhalten erzeugen. Der eindimensionale
29:44
String kann nicht zu einem wahren Punkt zusammengedrückt
29:47
werden. Und diese Ausdehnung liefert einen natürlichen
29:51
Abschneidepunkt, der die Divergenz verhindert.
29:55
Wenn Singularitäten tatsächlich durch die Quantengravitation
29:59
aufgelöst werden, dann nimmt die Hypothese der
30:03
kosmischen Zensur einen anderen Charakter an.
30:06
Sie wird nicht zu einem fundamentalen Gesetz,
30:09
sondern zu einem vorläufigen. Zu einer Aussage
30:13
über das effektive Verhalten einer klassischen
30:16
Theorie, von der wir wissen, dass sie unvollständig
30:19
ist. Die Zensur wäre eine Folge der Tatsache,
30:24
dass Quanteneffekte eingreifen, bevor sich eine
30:27
echte Singularität bilden kann. Oder dass die
30:31
Quantenauflösung der Singularität genau die Pathologie
30:34
beseitigt, vor der die Zensur schützen sollte.
30:37
Diese Perspektive verbindet die Hypothese der
30:41
kosmischen Zensur mit einem der tiefsten Programme
30:44
der theoretischen Physik. Der Suche nach einer
30:47
Theorie, die Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie
30:51
vereinigt. In dieser Suche ist die Singularität
30:54
nicht bloß ein zu vermeidendes Problem, sondern
30:59
ein Leuchtfeuer. Ein Signal dafür, wo unser Verständnis
31:03
versagt und neue Struktur gefunden werden muss.
31:06
Der kosmische Sensor versteckt in dieser Sicht
31:10
die Wahrheit nicht vor uns. Er weist uns auf
31:13
sie hin. Er sagt uns, dass die klassische Beschreibung
31:16
weichen muss. Es gibt eine faszinierende Wette,
31:20
die die Unsicherheit und den Einsatz dieser Frage
31:24
einfängt. In den 1990er Jahren wetteten Kip Thorne
31:28
und John Preskill gegen Stephen Hawking, dass
31:31
nackte Singularitäten existieren könnten. Hawking
31:34
verteidigte die Hypothese der kosmischen Zensur.
31:38
Die Wette wurde nie offiziell entschieden. Auch
31:42
weil die Frage selbst sich als subtiler erwies,
31:44
als die binäre Formulierung zuließ. Hawking selbst
31:48
räumte später ein, dass Verletzungen der starken
31:53
Form der Zensur in bestimmten idealisierten Szenarien
31:57
möglich sein könnten. Er hielt aber an der schwächeren
32:01
beobachtungsbezogenen Version fest. Die Wette
32:05
steht als Erinnerung daran, dass selbst unter
32:08
den brillantesten Fachleuten Die Frage offen
32:11
bleibt. Die Belege sind mehrdeutig. Die Intuitionen
32:16
sind geteilt. Die Hypothese der kosmischen Zensur
32:20
berührt auch ein weiteres der großen Rätsel der
32:23
Physik, schwarzer Löcher. Das Informationsparadoxon.
32:28
Wenn Materie in ein schwarzes Loch fällt, scheint
32:32
die Quanteninformation, die sie trägt, für das
32:34
äußere Universum verloren zu gehen. Das verletzt
32:38
ein fundamentales Prinzip der Quantenmechanik.
32:41
Die Hawking -Strahlung, die thermische Emission
32:44
vom Horizont eines schwarzen Lochs, scheint keine
32:48
Information darüber zu tragen, was hineingefallen
32:51
ist. Das schwarze Loch verdampft schießlich und
32:55
mit ihm scheint die Information zu verschwinden.
32:59
Das ist schlimm genug. Aber wenn nackte Singularitäten
33:03
möglich wären, würde das Informationsproblem
33:06
noch schlimmer. Nicht nur könnte Information
33:09
verloren gehen. Beliebige, unvorhersagbare Information
33:13
könnte aus der Singularität hervorgehen und den
33:17
Quantenzustand des äußeren Universums auf eine
33:19
Weise korrumpieren, die selbst die probabilistische
33:23
Vorhersagbarkeit der Quantentheorie verletzt.
33:26
Der kosmische Sensor verhindert, indem er Singularitäten
33:30
hinter Horizonten verbirgt, diese zusätzliche
33:33
Katastrophe. Die Information mag verloren sein,
33:37
aber zumindest kehrt sie nicht als zufälliges
33:40
Rauschen zurück. Die Hypothese hat auch Auswirkungen
33:44
auf die Kausalstruktur der Raumzeit, die über
33:47
die unmittelbare Umgebung schwarzer Löcher hinausreichen.
33:52
In der allgemeinen Relativitätstheorie bestimmt
33:55
die Geometrie, welche Ereignisse welche anderen
33:58
Ereignisse beeinflussen können. Lichtkegel definieren
34:03
die möglichen Pfade von Ursache und Wirkung.
34:06
Und die globale Anordnung dieser Lichtkegel bestimmt
34:09
die kausale Ordnung des Universums. Eine nackte
34:13
Singularität könnte diese Ordnung stören. Sie
34:16
könnte geschlossene, zeitartige Kurven erzeugen.
34:20
Pfade, die in der Zeit auf sich selbst zurückschleifen.
34:24
Das ist der Stoff der Paradoxa der Science Fiction.
34:29
Die Großvaterschleifen, die die Logik selbst
34:31
zu verletzen scheinen. Ob solche Kurven wirklich
34:34
paradox sind oder lediglich ein raffinierteres
34:37
Verständnis von Kausalität erfordern, ist urstritten.
34:41
Aber die Hypothese der kosmischen Zensurwürde,
34:44
indem sie nackte Singularitäten verhindert, auch
34:47
diesen besonderen Weg zur zeitlichen Selbstbezüglichkeit
34:51
verhindern. In jüngerer Zeit sind Verbindungen
34:54
zwischen der kosmischen Zensur und den tiefen
34:57
Strukturen der Quantengravitation aufgetaucht.
35:01
Verbindungen, die unvorstellbar waren, als Penrose
35:04
seine Vermutung erstmals formulierte. Das holographische
35:08
Prinzip und seine präzise Realisierung in der
35:11
Arz -EFTF -Korrespondenz legen nahe, dass Gravitationsphysik
35:16
in einem höherdimensionalen Raum äquivalent zu
35:20
einer Quantenfeldtheorie am Rand dieses Haumes
35:22
ist. In diesem Rahmen scheint die Konsistenz
35:26
der Handtheorie zu verlangen, dass die Gravitationstheorie
35:29
im Inneren so etwas wie kosmische Zensur respektiert.
35:33
Verletzungen würden Pathologien in der Feldtheorie
35:37
entsprechen. Inkonsistenzen, die die quantenmechanische
35:41
Struktur nicht tolerieren kann. Die Zensur ist
35:44
aus dieser Perspektive keine ad hoc hinzugefügte
35:48
Ergänzung zur Gravitationsphysik. Sie ist eine
35:52
Folge ihrer quantenmechanischen Grundlagen. Das
35:56
ist eine tiefgreifende Verschiebung der Perspektive.
35:59
Sie legt nahe, dass der kosmische Zensor kein
36:02
Wächter ist, der außerhalb der Gesetze der Physik
36:05
steht und von außen Ordnung auferlegt. Vielmehr
36:10
geht die Zensur aus der inneren Konsistenz der
36:12
Theorie selbst hervor. Aus der Anforderung, dass
36:15
Quantenmechanik und Gravitation zu einem kohärenten
36:19
Ganzen zusammenpassen. Das Universum schützt
36:23
seine Vorhersagbarkeit nicht durch Erlass, sondern
36:26
durch die tiefere Logik seiner eigenen Struktur.
36:30
Doch die Frage bleibt. Und es ist eine Frage,
36:34
die über die Physik hinaus in die Wissenschaftsphilosophie
36:37
und in die Natur der Erklärung selbst reicht.
36:41
Warum sollte das Universum verstehbar sein? Warum
36:45
sollte es sich so strukturieren, dass die Möglichkeit
36:47
von Vorhersage von Gesetz, von Verstehen bewahrt
36:51
bleibt. Die Hypothese der kosmischen Zensur ist
36:55
in ihrer ehrgeizigsten Deutung eine Antwort auf
36:58
diese Frage. Sie sagt, dass das Universum nicht
37:01
bloß geordnet ist, sondern selbstschützend geordnet.
37:05
Dass es in seinen eigenen Gesetzen eine Garantie
37:08
für deren eigene Anwendbarkeit enthält. Das ist
37:12
ein bemerkenswerter Anspruch. Und er sitzt unbequem
37:16
neben unserem üblichen Bild des physikalischen
37:19
Gesetzes. Wir neigen dazu, Gesetze als Beschreibungen
37:23
dessen zu denken, was geschieht. Nicht als Vorschriften
37:28
dafür, was geschehen muss, um die Möglichkeit
37:31
der Beschreibung zu bewahren. Die Hypothese der
37:34
kosmischen Zensur verwischt diese Unterfeilung.
37:37
Sie legt nahe, dass das Universum nicht nur Regelmäßigkeiten
37:42
hat, sondern Meta -Regelmäßigkeiten. Reden darüber,
37:47
welche Arten von Unregelmäßigkeiten existieren
37:50
können und wie sie eingedämmt werden müssen.
37:53
Ob diese Deutung richtig ist, ob die Hypothese
37:57
der kosmischen Zensur letztlich als Theorem bewiesen,
38:00
durch ein Gegenbeispiel widerlegt oder durch
38:03
die tieferen Einsichten der Quantenkavitation
38:06
aufgelöst wird, bleibt abzuwarten. Klar ist,
38:10
dass die Hypothese außerordentlich produktiv
38:13
gewesen ist, das sie über mehr als fünf Jahrzehnte
38:17
Forschung geleitet und Denken angeregt hat. Sie
38:21
hat zu neuen mathematischen Techniken geführt,
38:24
zu neuen Beobachtungsprogrammen, zu neuen Verbindungen
38:27
zwischen Gravitation und Quantenmechanik. Sie
38:31
hat uns gezwungen, uns den Grenzen unserer Theorien
38:34
und der Natur des physikalischen Gesetzes selbst
38:37
zu stellen. Schwoger Penrose erhielt 2020 den
38:43
Nobelpreis für Physik. Teilweise für seine Arbeit
38:46
über schwarze Löcher und die Hypothese der kosmischen
38:50
Zensur. Die Anerkennung war angemessen. Nicht,
38:55
weil die Hypothese abgeschlossene Wissenschaft
38:57
ist, sondern weil sie Wissenschaft in ihrer kreativsten
39:01
und tiefgründigsten Form darstellt. Die Identifikation
39:06
einer tiefen Frage, wo andere nur technische
39:09
Schwierigkeiten gesehen hatten. Die Formulierung
39:12
eines Prinzips, das selbst in seiner Unsicherheit
39:15
erhält. Die Öffnung eines Weges, dem Generationen
39:20
von Forschenden zu einem besseren Verständnis
39:23
des Universums gefolgt sind. Wir leben, wie die
39:27
ursprüngliche Quelle uns erinnert, an einem eigentümlichen
39:30
Ort. Unsere Erde ist weit entfernt von den extremen
39:35
Gravitationsfeldern, in denen Ereignishorizonte
39:38
entstehen und Singularitäten lauern. Die Raumzeit
39:42
um uns herum ist nahezu flach, nahezu newtonsch,
39:47
nahezu einfach. Die Gesetze der Physik sind hier
39:51
vorhersagbar, verlässlich, sanft genug, um die
39:56
Entstehung von Leben zu erlauben. Von Bewusstsein.
40:00
Von der Fähigkeit, über schwarze Löcher und Quantengravitation
40:05
zu staunen. Die Hypothese der kosmischen Zensur
40:09
legt nahe, dass diese Sanftheit nicht zufällig
40:12
ist. Dass die gewaltsamsten Regionen des Universums
40:16
abgeschirmt sind. Verborgen. Eingedämmt auf eine
40:21
Weise, die es dem Rest der Wirklichkeit erlaubt,
40:24
in geordneter Weise fortzuschreiten. Es liegt
40:28
etwas beinahe Beschützendes in diesem Bild. Etwas,
40:32
das mit unseren tiefsten Intuitionen über Heimat
40:35
und Sicherheit in Resonanz steht. Das Universum
40:39
hat seine Geheimnisse. Seine Orte, an denen das
40:43
Verstehen versagt und die bekannten Gesetze zusammenbrechen.
40:47
Aber diese Orte dürfen den Rest der Wirklichkeit
40:50
nicht infizieren. Sie sind in Horizonte gehüllt.
40:54
Dem kausalen Kontakt entzogen. Bewahrt als Fragen,
40:58
statt zugelassen zu werden als zerstörerische
41:01
Antworten. Uns bleibt die Möglichkeit des Wissens.
41:05
Das Versprechen, dass das Universum innerhalb
41:08
der Grenzen, die es der Beobachtung setzt, verstehbar
41:11
bleibt. Das ist das Geschenk der Hypothese der
41:15
kosmischen Zensur, ob sie sich nun letztlich
41:18
als wahr oder falsch erweist. Sie erinnert uns
41:22
daran, dass die Frage, was wir wissen können,
41:25
untrennbar mit der Frage verbunden ist, wie das
41:28
Universum strukturiert ist. Sie sagt uns, dass
41:32
die Grenzen der Beobachtung nicht bloß praktische
41:35
Unannehmlichkeiten sind. Sie könnten fundamentale
41:39
Merkmale des physikalischen Gesetzes sein. Schutzmechanismen,
41:44
eingebaut in die Architektur der Wirklichkeit
41:46
selbst. Und sie hinterlässt uns eine tiefe, stille
41:51
Hoffnung. Dass das Universum bei all seinen Geheimnissen
41:54
im Gonda auf der Seite des Verstehens steht.
41:57
Dass es seine tiefsten Geheimnisse nur verbirgt,
42:01
um die Möglichkeit des Wissens überall sonst
42:03
zu bewahren. Irgendwo in der Dunkelheit jenseits
42:08
unseres Sonnensystems rotiert ein schwarzes Loch.
42:11
Wir können es nicht direkt sehen. Aber wir messen
42:15
seinen Einfluss auf die Sterne um es herum. Auf
42:18
das Gas, das nach innen fällt. Auf das Gewebe
42:22
der Raumzeit selbst. Es ist ein Ort der Gewalt
42:26
jenseits des Vorstellbaren. Und doch ist es auch
42:30
ein Ort der Ordnung, des Gesetzes, einer so präzisen
42:34
Geometrie, dass wir seine Eigenschaften aus Gleichungen
42:37
vorhersagen können, die in einem stillen Zimmer
42:40
niedergeschrieben wurden. Der Ereignishorizont
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umgibt es, geduldig und absolut. und hält das
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Chaos im Inneren. Und hier in unserem eigenen
42:51
stillen Zimmer hören wir weiter zu. Wir denken
42:55
weiter. Wir vertrauen weiter darauf, dass der
42:57
nächste Moment aus diesen Folgen wird, auf Weisen,
43:00
die wir verstehen können. Die Nacht ist tief.
43:03
Die Sterne sind fern. Die Geometrie hält.