Quantentheorie Hawking-Licht am künstlichen Horizont

Schwarze Löcher sind nicht „schwarz“. Zumindest nicht ganz, wenn es nach dem berühmten britischen Physiker Stephen Hawking geht. Im Jahr 1974 veröffentlichte er einen Aufsatz, in dem er theoretisch zeigte, dass Schwarze Löcher Strahlung aussenden müssen – und zwar umso mehr, je leichter sie sind. Die Temperatur dieser Strahlung ist allerdings so niedrig, dass es aussichtslos erscheint sie jemals im Weltraum nachzuweisen.

Doch einige Forscher glauben, diese Hawking-Strahlung sei nicht ausschließlich kosmischen Löchern vorbehalten. Es müsse lediglich ein „Ereignishorizont“ existieren, damit die Strahlung entstehen könne. Und ein solcher ließe sich auch im Labor erzeugen. Einer Forschergruppe um Daniele Faccio von der Heriot-Watt-Universität in Schottland scheint es jetzt sogar gelungen zu sein, Hawking-Strahlung im Labor zu messen.

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Effekt von spontanen Quantenfluktuationen

Auf die Strahlung war Hawking gestoßen, als er untersuchte was geschieht, wenn bei Schwarzen Löchern zusätzlich zur Gravitation die Quantenmechanik ins Spiel kommt. Diese erlaubt für kürzeste Zeiträume die Erzeugung von Paaren virtueller Teilchen und Antiteilchen förmlich aus dem Nichts. Die Partikel-Paare entstehen ständig und überall im Universum, zerstrahlen aber normalerweise sofort wieder; die Energiebilanz bleibt so gewahrt.

Finden solche Vakuumfluktuationen jedoch in der Nähe eines Schwarzen Loches statt, dann überquert möglicherweise einer der Partner dessen Ereignishorizont. Hinter dieser Grenze krümmt die Masse des Schwarzen Loches Raum und Zeit so stark, dass nichts – nicht einmal Licht – schnell genug ist zu entfliehen. Das Paar wird getrennt, eines der Teilchen stürzt in das Schwarze Loch und verschwindet für immer. Sein Partner bleibt allein zurück und wird als sogenannte Hawking-Strahlung Wirklichkeit.

Visualisierungen

Ein ähnliches Szenario lässt sich auch im Labor nachstellen. Im Grunde braucht man nur ein Trägermedium, das sich schneller bewegt als die Lichtwellen, die sich darin ausbreiten. Ulf Leonhardt von der University of St. Andrews in Schottland beschäftigt sich schon länger mit der Erzeugung von Hawking-Strahlung im Labor. Er vergleicht die Situation in der Nähe eines Schwarzen Loches mit Fischen in einem Fluss, der in einen Wasserfall mündet: „Fische können nur mit einer begrenzten Geschwindigkeit schwimmen. Irgendwann fließt das Wasser so schnell, dass die Fische nicht mehr entkommen können. In diesem Moment haben sie den Ereignishorizont überschritten. Wenig später stürzen sie den Wasserfall hinab.“

Eine mathematisch äquivalente Situation ergibt sich, wenn Fische versuchen aus dem offenen Meer gegen den Strom in eine Flussmündung hinein zu schwimmen. Sobald die Strömung des Gewässers zu stark wird, kommen die Fische nicht mehr weiter. Sie stauen sich in einem Bereich, in dem die Strömungsgeschwindigkeit genau der Geschwindigkeit der Fische entspricht. Dieser Bereich stellt für sie ebenfalls einen Ereignishorizont dar, den sie nicht überwinden können. Erzeugt wird dieser von einem „Weißen Loch“. Einem Schwarzen Loch kann nichts entrinnen, in ein Weißes Loch kann nichts eindringen.

Aus Schwarz mach Weiß

Noch an seiner alten Wirkungsstätte, der Università dell'Insubria in Como (Italien) konnten Faccio und seine Kollegen solche Weißen Löcher erzeugen. Sie fokussierten Laserpulse in hochreines Quarzglas. Die Laserpulse verursachten räumlich lokalisierte Störungen des Brechungsindex des optisch nichtlinearen Materials. Diese breiteten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Solche Störungen stellen eine Barrieren dar, die Photonen prinzipiell nicht überholen können. Oder anders gesagt: Ereignishorizonte von Weißen Löchern.

Als nun virtuelle Paare aus Photonen in der Nähe der künstlichen Ereignishorizonte entstanden, wurden sie getrennt und konnten nicht ins Vakuum zurückkehren. Stattdessen konnten die italienischen Forscher ihr Licht mit einem Detektor nachweisen. Die Eigenschaften des Lichtes entsprechen jenen, die man für Hawking-Strahlung erwartet. Mögliche andere Quellen, wie Fluoreszenz und Tscherenkow-Strahlung glauben die Wissenschaftler ausschließen zu können. Ihre Ergebnisse sind bereits online verfügbar (http://arxiv.org/abs/1009.4634) und werden in einer der kommenden Ausgaben der Zeitschrift „Physical Review Letters“ erscheinen.

Andere Wissenschaftler stehen den Ergebnissen allerdings noch verhalten gegenüber. Ted Jacobson von der University of Maryland etwa bemängelt, es sei mit dem Experiment grundsätzlich nicht möglich, ein quantenmechanisch abgestimmtes Verhalten der Photonen-Paare nachzuweisen. Eine solche Quantenverschränkung wird den Hawking-Photonen aber zugeschrieben und wäre damit ein Indiz für deren Nachweis. Deshalb werden wohl weitere Experimente nötig sein, um endgültige Klarheit zu schaffen.