Weiches Heisenberghaar auf Horizonten

"Schwarze Löcher haben keine Haare" ist ein Slogan, der die scheinbare Einfachheit von schwarzen Löchern charakterisiert. Anders als typische Sterne, wie unsere Sonne, wird angenommen, dass schwarze Löcher eindeutig durch die Bereitstellung einer Handvoll Zahlen, wie Masse, Drehimpuls und Ladung bestimmt sind. Wenn das wahr wäre, wären schwarze Löcher die einfachsten makroskopischen Objekte in unserem Universum, die durch gleiche Zahlen wie Elementarteilchen gekennzeichnet sind. Quantenmechanisch sind schwarze Löcher aber sehr komplizierte Objekte. Tatsächlich gibt es Belege, dass sie die kompliziertesten Objekte sein könnten, die existieren, in dem Sinne, dass sie die sogenannte Entropie maximieren, ein Maß für Information und Unordnung. Diese scheinbare Spannung zwischen maximaler Einfachheit auf der klassischen Ebene und der maximalen Komplexität auf der quantenmechanischen Ebene wurde von ForscherInnen seit einigen Jahrzehnten gewürdigt und steht im Zentrum zahlreicher ungelöster konzeptioneller Fragen in der Schwarzen Lochphysik, wie dem Informationsverlustproblem. Im Jahr 2016 führten Hawking, Perry und Strominger den Begriff "weiches Haar" ein, das Struktur auf einem schwarzen Loch darstellt, welche seine Energie nicht verändert (daher der Name "weich"). Gemäß diesem Vorschlag können schwarze Löcher Haare haben, wenn sie "weich" genug sind, so dass im Prinzip mikroskopisch unterschiedliche schwarze Löcher mit der gleichen Masse nach ihren "weichen Haaren" charakterisiert werden können. Sie drückten auch die Hoffnung aus, daß weiches Haar auf Schwarzen Lochhorizonten helfen kann, das Informationsverlustproblem anzusprechen. Ein paar Monate später sorgten wir für eine konkrete Realisierung von weichem Haar für spezifische Schwarze Löcher in einem dreidimensionalen Spielzeugmodell der Schwerkraft. Wir nannten diese Realisierung "weiches Heisenberghaar", da wir ganz unerwartet entdeckten, daß das weiche Haar für diese Schwarzen Löcher in Darstellungen der Heisenbergschen Algebra fällt, die aus der Quantenmechanik bekannt ist, aber in der Gravitationstheorie üblicherweise nicht als Symmetriealgebra erscheint . Eines der Hauptziele des Projektes "Weiches Heisenberghaar auf Horizonten" ist, weiches Haar für Schwarze Löcher astrophysikalischen Interesses zu konstruieren und zu untersuchen, inwieweit dies erlaubt, das Informationsverlustproblem anzusprechen und zu lösen. Zahlreiche Verallgemeinerungen und theoretische Tests sind vorgesehen, um die Allgemeingültigkeit der Heisenberg-Algebra als elementare algebraische Zutat, die die Symmetrien nahe einem Schwarzen Loch oder kosmologischen Horizont bestimmt, zu überprüfen (oder zu widerlegen).

Stephen Hawking starb kurz nach Beginn dieses Projekts. Sein letzter Zyklus von Veröffentlichungen (in Zusammenarbeit mit Malcolm Perry und Andy Strominger) popularisierte die Idee von weichem Haar, was sich auf energielose Anregungen von Schwarzen Löchern bezieht. Das Hauptziel des Projekts "Weiches Heisenberghaar auf Horizonten" war die Konstruktion von weichem Haar für Schwarze Löcher von astrophysikalischem Interesse. Das ist uns gelungen. Der Slogan "Schwarze Löcher haben keine Haare" fängt die scheinbare Einfachheit von Schwarzen Löchern ein. Im Gegensatz zu anderen Sternen, wie unserer Sonne, werden Schwarze Löcher eindeutig spezifiziert, indem eine Handvoll Zahlen angegeben werden, wie ihre Masse, ihr Drehimpuls und ihre Ladung. Wenn das stimmt, wären Schwarze Löcher die einfachsten makroskopischen Objekte in unserem Universum, die durch die gleichen Zahlen wie Elementarteilchen gekennzeichnet sind. Quantenmechanisch gesehen sind Schwarze Löcher jedoch sehr anspruchsvolle Objekte. Es gibt Hinweise darauf, dass sie die kompliziertesten Objekte sind, die möglicherweise existieren können, in dem Sinne, dass sie die sogenannte Entropie, ein Maß für Information und Unordnung, maximieren. Diese scheinbare Spannung zwischen maximaler Einfachheit auf klassischer Ebene und maximaler Komplexität auf quantenmechanischer Ebene ist der Kern zahlreicher ungelöster konzeptioneller Probleme in der Physik Schwarzer Löcher, wie dem Informationsproblem. Im Jahr 2016 führten Hawking, Perry und Strominger den Begriff des weichen Haares ein, der die Struktur eines Schwarzen Lochs bezeichnet, das seine Energie nicht ändert. Gemäß dieses Vorschlages können Schwarze Löcher Haare haben, wenn sie weich genug sind. So lassen sich Schwarze Löcher gleicher Masse mikroskopisch an ihren weichen Haarladungen unterscheiden. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts war die Analyse von Symmetrien in der Nähe von Horizonten und von Weichen-Haar-Anregungen astrophysikalischer Schwarzer Löcher, veröffentlicht in Zusammenarbeit mit einem Postdoc an der TU Wien, Celine Zwikel, und Mitarbeitern aus Chile und dem Iran, Phys.Rev.Lett. 124 (2020) 041601. Wir fanden eine nichtlineare Erweiterung der Heisenberg-Algebra als relevante Nahhorizontsymmetrien. Unterschiedliche Randbedingungen werden durch ein Funktional der dynamischen Variablen vorgegeben, die inäquivalente Wechselwirkungen am Horizont mit einem thermischen Bad beschreiben. Unsere Konstruktion ermöglicht es, nicht nur Schwarze Löcher, sondern auch kosmologische Horizonte mit weichem Haar auszustatten. Wir befassten uns auch mit den Auswirkungen von weichem Haar auf die Thermodynamik und Entropie von Schwarzen Löchern. In neun weiteren Weichen-Haar-Veröffentlichungen haben wir diese Ergebnisse verallgemeinert, z. B. um Schwarze Löcher zu beschreiben, die mit Gravitationswellen interagieren. Unsere Weichen-Haar-Ergebnisse sind in ein Lehrbuch über Schwarze Löcher eingegangen, das wir für Springer geschrieben haben. Da mehrere Junior-Teammitglieder kompetitive Stipendien erhielten, standen zusätzliche Mittel zur Verfügung, um mehr Postdocs und DoktorandInnen aufzunehmen und die renommierten Konferenz Strings 2022 in Wien zu organisieren. Diese Erweiterung des Projektumfangs führte zu 13 weiteren wissenschaftlichen Publikationen, teils zu verwandten Themen, teils zu überraschenden neuen Erkenntnissen über die Schwerkraft und das holographische Prinzip.