Eine neue Studie zeigt, wie das fundamentale Gesetz der Ladungserhaltung in der Nähe eines Schwarzen Lochs zusammenbrechen könnte. Singularitäten wie jene im Zentrum von Schwarzen Löchern, wo die Dichte unendlich groß wird, werden oft als Orte betrachtet, wo die Physik “zusammenbricht”. Allerdings bedeutet das nicht, dass “alles” passieren könnte, und Physiker sind daran interessiert, welche Gesetze zusammenbrechen könnten und wie.
Jetzt hat ein Forschungsteam des Imperial College London, des Cockcroft Institute und der Lancaster University eine Möglichkeit vorgeschlagen, wie Singularitäten das Gesetz der Ladungserhaltung verletzen könnten. Die Theorie wird im Journal Annalen der Physik veröffentlicht.
Der Co-Autor Professor Martin McCall vom Department of Physics am Imperial College London sagte: “Der Zusammenbruch der Physik in einer Singularität ist eine der bekanntesten Aussagen der Populärphysik. Aber indem wir zeigen, wie das tatsächlich ablaufen könnte, zielen wir auf eines der meist geschätzten Gesetze der Physik ab: die Ladungserhaltung.”
Ladung zerstören
Das Gesetz der Ladungserhaltung besagt, dass die Summe der elektrischen Ladung in einem isolierten System (das Universum als Ganzes eingeschlossen) konstant bleibt. Das wurde bereits in sehr kleinen Größenordnungen gezeigt: Wenn verschiedene Teilchen in Experimenten wie dem Large Hadron Collider entstehen oder ausgelöscht werden, wird immer dieselbe Menge an negativer oder positiver Ladung in Form von Teilchen produziert beziehungsweise zerstört.
Durch die Modifizierung klassischer physikalischer Gleichungen zur Berücksichtigung von Axionen (einem Kandidaten für Dunkle Materie) konnte das Team zeigen, dass temporäre Singularitäten – etwa Schwarze Löcher, die entstehen und später verdampfen – die Ladung zerstören könnten, wenn sie sich dem Ende ihrer Existenz nähern.
Axionen sind hypothetische Teilchen, die Dunkle Materie erklären könnten – die “fehlenden” 85 Prozent der Materie im Universum. Ihre vorhergesagten Eigenschaften könnten ein Feld bilden, das mit der Art von Feldern interagieren würde, die Physiker seit Jahrhunderten kennen: Elektromagnetische Felder, die durch eine Reihe Gleichungen beschrieben werden, die sogenannten Maxwellschen Gleichungen.
Unter Verwendung eines als Differenzialgeometrie bezeichneten Gebiets der Mathematik stellte das Team fest, wie man elektrische Ladung erzeugt oder zerstört, was die Ladungserhaltung im Universum verletzt.
Philosophische Auswirkungen
Der Co-Autor Dr. Jonathan Gratus vom Department of Physics an der Lancaster University sagte: “Man kann sich eine Axionenbombe vorstellen, die Ladung enthält, indem sie aneinander gebundene Axionen und elektromagnetische Felder kombiniert. Dann wird sie in ein verdampfendes Schwarzes Loch geworfen. Wenn sie schrumpft und in die Singularität verschwindet, nimmt sie elektrische Ladung mit sich. Es ist die Kombination aus einer temporären Singularität und einem neu vorgeschlagenen Typ von Axionenfeld, die für ihren Erfolg entscheidend ist.”
Der Co-Autor Dr. Paul Kinsler vom Department of Physics am Imperial College London sagte: “Es gibt auch philosophische Auswirkungen. Obwohl die Menschen oft gerne sagen, dass die Physik ‘zusammenbricht’, zeigen wir hier, dass das, was tatsächlich passiert, trotzdem durch die nach wie vor funktionierenden Gesetze der Physik in der Nähe der Singularität begrenzt wird, auch wenn exotische Phänomene auftreten könnten.”
Das Team sagt, dass das Axion-Phänomen nur unter extremen Bedingungen auftreten würde, die momentan nicht im Labor erschaffen werden können, aber zukünftige Fortschritte auf dem Gebiet der Laserfelder könnten die Überprüfung der Theorie in einer irdischen Umgebung erlauben.
(THK)
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