Stephen Hawking hatte recht: Labor-Experiment zeigt verblüffenden Effekt
Hawking-Strahlung ist im All kaum messbar. Im Labor zeigen Forschende nun, wie ein ähnlicher Effekt Energie im System verändert.
Schwarze Löcher strahlen theoretisch extrem schwach. Im Labor lässt sich nun ein verwandter Effekt genauer untersuchen.
Foto: Smarterpix / Andreus
Schwarze Löcher gelten als Objekte, aus denen nichts entkommt. Stephen Hawking zeigte jedoch theoretisch, dass diese Aussage nicht ganz stimmt: An einem Ereignishorizont sollten quantenmechanische Effekte dazu führen, dass schwarze Löcher extrem schwach strahlen. Direkt beobachtet wurde diese Hawking-Strahlung im Weltraum noch nie. Ein internationales Forschungsteam hat nun im Labor ein optisches Analogsystem entwickelt – und gemessen, wie diese künstliche Strahlung Energie aus dem System abzieht.
Die Arbeit ist im Fachjournal Nature erschienen. Beteiligt waren Forschende des Weizmann Institute of Science in Israel, des Cinvestav in Mexiko und der Universität Paderborn. Im Mittelpunkt steht Dr. Lorenzo M. Procopio, der das Projekt am Weizmann Institute leitete und inzwischen am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) sowie am Department Physik der Universität Paderborn forscht.
Inhaltsverzeichnis
Warum Hawking-Strahlung so schwer zu beobachten ist
Die Hawking-Strahlung verbindet drei Bereiche der Physik: Gravitation, Quantenmechanik und Thermodynamik. Vereinfacht gesagt sagt die Theorie voraus, dass schwarze Löcher nicht dauerhaft nur Masse aufnehmen, sondern über lange Zeiträume auch Energie verlieren können.
Wenn ein schwarzes Loch strahlt, muss die Energie dieser Strahlung irgendwoher kommen. In der Theorie stammt sie aus dem Gravitationsfeld des schwarzen Lochs selbst.
Das Problem in der Astrophysik:
- Schwaches Signal: Bei astrophysikalischen schwarzen Löchern im All ist diese Strahlung so minimal, dass sie im kosmischen Hintergrundrauschen untergeht.
- Geringe Erfolgschancen: Nature betont in der Veröffentlichung, dass die Chancen auf eine direkte astronomische Beobachtung äußerst gering sind.
Aus diesem Grund arbeitet die Grundlagenforschung mit Analogsystemen. Dabei bauen Forschende keine echten schwarzen Löcher nach, sondern künstliche Systeme, in denen sich Wellen mathematisch ähnlich verhalten wie quantenmechanische Felder an einem echten Ereignishorizont. Solche Analoga lassen sich beispielsweise mit Wasserwellen, ultrakalten Atomgasen (Bose-Einstein-Kondensaten) oder mit Licht in optischen Fasern realisieren.
Ein künstlicher Ereignishorizont aus Licht
Im Experiment nutzte das Team ein faseroptisches Analogon. Das Prinzip des Versuchsaufbaus lässt sich in drei Komponenten unterteilen:
- Der Pump-Puls: Ein ultrakurzer Lichtpuls wird durch eine nichtlineare optische Faser geschickt. Durch den Kerr-Effekt verändert dieser Puls lokal den Brechungsindex des Materials. Es entsteht eine wandernde optische Störung im Medium.
- Die „Probe“: Ein zweites, schwächeres Lichtfeld (das Probesignal) wird ebenfalls in die Faser eingeleitet.
- Der optische Horizont: Entscheidend ist hierbei die Gruppengeschwindigkeit. Wenn das schwächere Probesignal relativ zum starken Pump-Puls so verlangsamt wird, dass es die wandernde Brechungsindex-Störung nicht mehr überholen kann, entsteht das optische Äquivalent zu einem Ereignishorizont.
Frühere Experimente hatten bereits gezeigt, dass sich in solchen Systemen eine stimulierte Hawking-Strahlung nachweisen lässt. Das neue Experiment setzt hier an: Die Forschenden wollten verstehen, welcher Prozess die Strahlung erzeugt – und ob diese auf das System zurückwirkt.
Der Befund: Ein direkter Prozess statt komplizierter Umwege
Bisher wurde für solche Systeme ein komplizierter, kaskadierender Mechanismus angenommen, bei dem mehrere quantenmechanische Prozesse ineinandergreifen müssen, bis Hawking-Strahlung entsteht. Die aktuelle Arbeit deutet auf einen direkteren Weg hin.
Nach den Berechnungen und Messungen des Teams entsteht die Strahlung in diesem Analogsystem durch einen direkten Wechselwirkungsterm.
Der physikalische Kern: Dieser Term beschreibt den direkten Energieaustausch zwischen dem antreibenden Pumpfeld und dem Probesignal. In der Analogie entspricht dies dem Energieaustausch zwischen dem Gravitationsfeld eines schwarzen Lochs und der Hawking-Strahlung.
Das ist der zentrale Punkt der Studie: Die Hawking-artige Strahlung erscheint nicht nur als Signal am Ausgang des Messaufbaus. Sie ist mit einem messbaren Energieaustausch verbunden. Die Strahlung entzieht dem antreibenden Feld Energie beziehungsweise verschiebt diese innerhalb des optischen Systems. Im Paper wird betont, dass sich dabei nicht die Gesamtzahl der Photonen im Feld ändern muss. Vielmehr werden die Pump-Photonen in andere Frequenzbereiche umverteilt.
Rückwirkung: Die Strahlung bleibt nicht folgenlos
In der Physik spricht man hier von „Backreaction“ (Rückwirkung). Bei einem echten schwarzen Loch wäre diese Rückwirkung der Schlüssel, um zu verstehen, wie das Objekt durch die Strahlung an Masse verliert.
Im Labor zeigt sich diese Idee in optischer Form:
- Die erzeugte Hawking-artige Strahlung beeinflusst direkt das Pumpfeld.
- Dieses Pumpfeld ist jedoch genau das Feld, welches den künstlichen Horizont überhaupt erst erzeugt.
- Das Team konnte diese Rückwirkung im Experiment über Spektralsignale messen.
Besonders wichtig war dabei der Nachweis einer spezifischen Asymmetrie in den Seitenbändern des Lichtspektrums. Diese Asymmetrie gilt in den Modellen als Merkmal für das Vorliegen einer Rückwirkung. Die Strahlung ist somit kein passives Nebenprodukt des Experiments; sie verändert das System, aus dem sie hervorgeht.
Was das Experiment nicht zeigt
Für die Einordnung der Ergebnisse ist eine differenzierte Betrachtung der experimentellen Grenzen notwendig:
- Kein kosmisches Objekt: Das Team hat keine Hawking-Strahlung eines echten, astrophysikalischen schwarzen Lochs gemessen.
- Stimuliert, nicht spontan: Im Paper steht ausdrücklich, dass es sich um klassische, stimulierte Hawking-Strahlung handelt. Die ursprünglich von Hawking beschriebene Strahlung basiert jedoch auf einem spontanen Quanteneffekt aus dem Vakuum. Im Labor wurde der Prozess durch das Probesignal angeregt.
- Verschränkung offen: Der Nachweis über die Verschränkung der Hawking-Partner (der korrespondierenden Quantenpaare am Horizont) steht in diesem System noch aus.
- Technische Alternativen: Die Autoren weisen darauf hin, dass alternative, nichtlineare optische Prozesse, die ein ähnliches Spektralverhalten erzeugen könnten, nicht vollständig ausgeschlossen sind. Die Daten stützen die vorgeschlagene Interpretation, schließen alternative Erklärungen aber nicht aus.
Warum die Arbeit für die Grundlagenforschung interessant ist
Die Studie löst weder das Informationsparadoxon schwarzer Löcher, noch beweist sie eine Theorie der Quantengravitation. Ihr Wert liegt darin, dass sie einen möglichen mikroskopischen Mechanismus im Labor sichtbar macht, der erklärt, wie Hawking-artige Strahlung in einem kontrollierten System entsteht und wie die Rückkopplung abläuft.
Da astrophysikalische schwarze Löcher für direkte Messungen unerreichbar sind, bietet das Labor-Analogon eine Möglichkeit, Parameter zu verändern, Signale zu verstärken und Spektren zu messen. Damit lässt sich prüfen, welche Mechanismen robust sind.
Das Fazit lautet: Das Experiment zeigt, wie stimulierte Hawking-Strahlung in einem faseroptischen System entsteht und wie sie Energie aus dem antreibenden Feld abzieht. Ob ein vergleichbarer Mechanismus auch bei echten schwarzen Löchern wirkt, bleibt offen. Die Nature-Arbeit legt diese Möglichkeit nahe, beweist sie aber nicht.
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