Physik: Das Schwarze Loch

Es gibt viele Dinge, die mich wirklich faszinieren und interessieren. Sowas wie: wie tief ist der Ozean wirklich? Was könnte es in den dunklen Tiefen zu entdecken geben, was wir Menschen noch nicht gesehen haben? Und sollen wir sie überhaupt entdecken? Was für Lebewesen leben dort unten und sind sie gefährlich? Ist es für ein Lebewesen überhaupt möglich, so tief zu überleben, ohne Luft und nur mit Wasser um einen herum? Was kommt nach dem Tod? Ist es wie schlafen, aber nur für immer? Oder gibt es doch so etwas wie Wiedergeburt? Was gibt es sonst noch im Universum? Sicherlich können wir nicht die einzigen lebenden, atmenden und unabhängigen Wesen im gesamten Universum sein. Es muss doch etwas anderes geben als nur wir, oder nicht?

Was mich aber am meisten interessiert, ist die Theorie von Albert Einstein und dem „Schwarzen Loch“, was darin wirklich vor sich geht. Angeblich soll Zeit und Raum stoppen, wenn man einmal dort rein kommt.

Als Beispiel: Stelle dir mal vor, du hättest jemanden in eine Rakete gesperrt und ihn einfach ins Universum geschickt, ohne dass du ein tatsächliches Ziel angegeben hättest. Du würdest ihn von einer Kamera drinnen beobachten, wie er langsam und langsam dem Schwarzen Loch entgegen kommt. Nun, ich weiß, dass es nicht realistisch ist, dass man ihn bis dahin beobachten kann, aber stell dir das einfach vor. Langsam würdest du dann die Verbindung verlieren, wenn er in das Schwarze Loch tritt. Aus der Sicht des Menschen würde die Geschwindigkeit der Rakete langsamer werden, genau so wie der Atem und der Herzschlag der Person. All das würde langsamer und langsamer werden desto näher sie dem Mittelpunkt des Loches kommen. Nach einer Weile würde die Rakete dann zu einem Stillstand kommen, ebenso wie der Atem und Herzschlag der Person. Was heißt, dass sie den Mittelpunkt endlich erreicht haben. Naja, ihr könnt euch selber vorstellen was dann mit ihm passiert.

Innerhalb der Masse von der wir reden, ist nur eine stark zusammengepresste Materie (Dinge wie Sterne, Planeten & alles was masse hat). Da die Schwerkraft so groß ist, saugt es immer mehr und mehr Materie ein, wie Sterne, vergleichbar mit einem komischen riesigen Staubsauger mitten im Weltall. Natürlich können Schwarze Löcher auch andere Schwarze Löcher verschlingen, aber da es die gleichen Objekte sind, verschmelzen sie eher ineinander.

Aber wieso ist es nur eine Theorie, wenn all das schon aufgeklärt wurde? Nun, weil Albert Einsteins & Karl Schwarzschilds Lösungen nie wirklich Sinn gemacht haben. Wir gehen mal Ganz zum Anfang; Einstein veröffentlichte seine Gleichungen 1915 während des Ersten Weltkriegs, konnte jedoch keine genaue Lösung finden. Glücklicherweise gelangte eine Kopie seines Artikels in den Osten, wo damals Deutschland und Russland kämpften. Es gab einen der besten Astrophysiker der Zeit, Karl Schwarzschild, der dort Vorort war. Obwohl er damals 41 Jahre alt war, hatte er sich freiwillig zur deutschen Wehrmacht gemeldet. Zumindest bis eine größere Herausforderung seine Aufmerksamkeit erregte — Einsteins gescheiterte Gleichung.

Da dies die einzige Zukunft seines Universums war, maß Albert Einstein alles mit Koordinaten für eine Kugelform im Vergleich zum Mittelpunkt der Masse (in unserem Fall das schwarze Loch). Also ist r der Radius und Theta (θ) und Phi (ϕ) geben die Winkel an.











Und das ist die Lösung von Albert Einstein, die es bis dorthin geschafft hat, als damals Deutschland und Russland gekämpft haben.

Als Zeitangabe wählte er die Zeit, die von jemandem gemessen wird, der weit von der Masse(das Schwarze Loch) entfernt ist, wo Zeit und Raum kaum gebogen ist.

Die Linke Seite der Lösung zeigt dir, dass die Biegung von Raum und Zeit durch die Verteilung von Materie(Dinge wie Sterne, Planeten & alles was Masse hat) und Energie(wie Licht, Wärme oder Bewegung) verursacht wird, und dass alles auf einer einzigen Linie basiert.

Um es verständlicher zu machen; stell dir vor, du hast einen großen, leeren Raum. Wenn du dann ein paar Sterne(die Materie) und ein paar Lampen(die Energie) darin verteilst, gibt das dir die „Verteilung“ der verschiedenen Dinge in deinem Raum. Das bedeutet in der Raumzeit wie Energie und Materie in unserem Universum verteilt sind und wie es Zeit und Raum beeinflusst.

Und die Rechte Seite der Lösung sagt uns; „Erzähl mir etwas über die Verteilung von Materie und Energie.“

Ein gutes Beispiel dafür, wie sich die Verteilung von Materie und Energie auf uns auswirkt, ist die Sonne. Eine Masse wie die Sonne krümmt Raum und Zeit in ihrer nahen Umgebung. Dieser krümmt sich dann um die Sonne herum und so weiter bis zur Erde. Die Erde umkreist also die Sonne, weil die Zeit und Raum Kurve durch sie verläuft.

Und wie hat Einstein die Existenz des Schwarzen Loches vorhergesagt, fragt ihr euch? Gute Frage, aber er hat gar keine Schwarzen Löcher vorhergesagt. Er glaubte nicht mal an die Schwarzen Löcher als er noch lebte.

Die Art und Weise, wie die Relativitätstheorie gesehen wird, heißt, dass diese Theorie die Existenz von Schwarzen Löchern „ermöglicht“.

Und jetzt, lasst uns mal zurück zu dem lieben Karl Schwarzschild gehen. Nachdem er Albert Einsteins Lösung bekam, ist er dann endlich mit einer Lösung hervorgetreten, die so aussieht:

Auch genannt; Schwarzschild-Metrik. Diese Metrik beschreibt, wie sich die Raumzeit außerhalb der Masse biegt. Es ist ziemlich einfach und macht tatsächlich ziemlich viel Sinn. Weit weg von der Masse ist Raum und Zeit nahezu flach, aber je näher man ihr kommt, desto stärker wird die Raumzeit gekrümmt. Es zieht Objekte an und die Zeit läuft langsamer.

Schwarzschild schickte seine Lösung an Einstein zurück und erhielt eine positive Antwort auf die Lösung.

Doch was zunächst ganz einfach schien, wurde bald viel komplizierter. Kurz nachdem seine Lösung veröffentlicht wurde, bemerkten die Leute zwei Problemstellen. Am Eintritt der Masse, bei r = 0 —

—explodiert sie also ins Unendliche. Daher bricht diese Gleichung zusammen und sie kann nicht mehr beschreiben, was physikalisch geschieht. Das nennt man Singularität.

Andererseits könnte man das entschuldigen, da es mitten in der Masse liegt, aber außerhalb davon gibt es noch eine weitere Problemstelle.

Das heißt, das auch dieser Term ins Unendliche explodiert und auch nicht mehr beschreiben kann, was physikalisch passiert.

Und nun, beim Schwarzschild-Radius wird die Raumzeitkrümmung so steil, dass die Fluchtgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit, die alles benötigen würde, um dort wegzukommen, der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Das würde bedeuten, dass innerhalb des Schwarzschild-Radius nichts, nicht einmal Licht, entkommen könnte. Es gibt also nur dieses dunkle Objekt, dieses schwarze große Ding, das einfach im Weltraum existiert und Materie und Licht verschluckt. Ein schwarzes Loch, wenn man so will.

*Relativitätstheorie: ist ein Konzept der Physik das beschreiben soll, wie Raum und Zeit sich verhalten, wenn sich Objekte sehr schnell bewegen oder sich in einer starken Gravitation befinden(z.B. im Weltall, dort wird ja alles schwerelos).

*Astrophysiker: ist jemand, der versucht, das Universum und was sich darin befindet zu verstehen.

Kyle, 8b