Физики нашли математическое решение для образования микроскопических черных дыр

Unter bestimmten Bedingungen ordnet sich die Raumzeit in gitterartigen Mustern an, die bei minimaler Energiezufuhr in sich zusammenfallen. Ein Team aus Physikern hat nun eine mathematische Lösung für dieses seit 1993 bekannte Phänomen gefunden. Von Dieter Petereit • 3 Min. Artikel merken Anzeige Anzeige Ein Forschungsteam der Goethe-Universität Frankfurt und der TU Wien hat einen Weg gefunden, die Entstehung mikroskopisch kleiner Schwarzer Löcher mathematisch exakt zu beschreiben. Wie in einer im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlichten Studie nachzulesen ist, geht es dabei um die Erforschung sogenannter Raumzeit-Kristalle. Diese instabilen Zwischenzustände der Raumzeit können bei nur minimaler Energiezufuhr zu winzigen Schwarzen Löchern kollabieren. Anzeige Anzeige Die theoretische Physik unterscheidet diese mikroskopischen Objekte klar von jenen Schwarzen Löchern, die am Ende eines Sternenlebens durch einen massiven Kollaps entstehen. Für extrem kleine Schwarze Löcher gibt es theoretisch keine feste Untergrenze bei der Größe, sie erfordern jedoch hochgradig kritische Rahmenbedingungen. Solche chaotischen Bedingungen herrschten schätzungsweise kurz nach dem Urknall, weshalb das Verständnis dieser Objekte tiefe Einblicke in die Frühphase unseres Universums ermöglicht. Kritischer Kollaps von Raumzeit-Kristallen als physikalischer Prozess Dieses Phänomen ist in der Wissenschaft als kritischer Kollaps bekannt und wurde bereits im Jahr 1993 durch numerische Computersimulationen vorhergesagt. Bislang fehlte es den Forscher:innen jedoch an den mathematischen Werkzeugen, um den Prozess präzise auf dem Papier nachzuvollziehen. Der Grund dafür sind die physikalischen Formeln, die diesen Vorgang beschreiben. Diese sogenannten Einstein-Klein-Gordon-Gleichungen sind derart komplex, dass sie sich für unsere vertraute, vierdimensionale Welt auf klassischem Weg kaum berechnen lassen. Anzeige Anzeige Die aktuelle Untersuchung liefert nun erstmals die passenden Gleichungen für diesen Prozess. Daniel Grumiller, Physiker an der TU Wien, vergleicht den Vorgang laut einer über ScienceDaily verbreiteten Mitteilung der Universität mit dem Gefrieren von Wasser. Bei exakt null Grad Celsius reiche eine minimale physikalische Störung aus, damit sich die flüssigen Wassermoleküle schlagartig in einem festen Raster anordnen und Eiskristalle bilden. Instabile Raumzeit als fragiler Zustand zwischen Energie und Masse Ähnlich soll es sich demnach mit der Geometrie des Universums verhalten, wenn sich Masse und Energie in einem empfindlichen Gleichgewichtszustand befinden. Die Raumkrümmung organisiert sich dann in einem wiederkehrenden Muster, das die drei beteiligten Wissenschaftler als Raumzeit-Kristall bezeichnen. „Dieser Raumzeit-Kristall ist ein sehr eigentümliches und faszinierendes Objekt“, wird Grumiller in dem offiziellen Bericht zitiert. Dabei handele es sich um einen hochgradig instabilen Punkt, der sich in zwei unterschiedliche Richtungen entwickeln kann. Entweder löst sich die Struktur einfach wieder auf und hinterlässt eine gewöhnliche Raumzeit mit frei beweglichen Partikeln. Oder es wird eine geringe Menge an Energie hinzugefügt, wodurch das fein ausbalancierte System unweigerlich kollabiert und ein neues Schwarzes Loch hervorbringt. Large-D-Entwicklung als mathematischer Schlüssel zur Raumzeit-Berechnung Um dieses physikalische Verhalten berechnen zu können, wandte das Team einen unkonventionellen mathematischen Ansatz an. Christian Ecker von der Frankfurter Goethe-Universität erklärt, dass physikalische Gleichungen theoretisch auch für fünf, 42 oder unendlich viele Dimensionen formuliert werden können. Die Forscher verlagerten ihre Berechnungen daher in einen hypothetischen Raum mit einer gegen unendlich gehenden Anzahl von Dimensionen, die sogenannte Large-D-Entwicklung. Anzeige Anzeige In diesem Szenario heben sich bestimmte mathematische Hürden auf, wodurch sich bestimmte Berechnungen überraschenderweise deutlich leichter durchführen lassen. Die daraus resultierenden und stark vereinfachten Ergebnisse konnten die Wissenschaftler anschließend Schritt für Schritt wieder auf unsere vierdimensionale Raumzeit übertragen. Top-Artikel MIT Technology Review Schwarze Löcher Studie Mit dieser Methode steht der theoretischen Physik ein neues Werkzeug zur Verfügung, um die Struktur der Raumzeit jenseits von reinen Computersimulationen zu untersuchen. Zwar sind die aufgestellten Gleichungen zunächst eine Annäherung an das komplexe Problem, sie lassen sich laut Florian Ecker von der TU Wien jedoch durch weitere analytische Methoden systematisch präzisieren. Dadurch könnten künftig astrophysikalische Phänomene berechnet werden, die sich zuvor einer rein mathematischen Betrachtung entzogen haben. Dieser Artikel wurde ursprünglich am 30.08.2026 veröffentlicht, interessiert jedoch immer noch sehr viele unserer Leser:innen. Deshalb haben wir ihn aktualisiert und hier nochmals zur Verfügung gestellt.