Forscher der St. Andrews University, Schottland, behaupten, einen Weg gefunden zu haben, um eine Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs – nicht durch eine neue kosmische Beobachtungstechnik und nicht durch einen Hochleistungs-Supercomputer… sondern im Labor. Unter Verwendung von Lasern, einem Stück Glasfaser und abhängig von einigen bizarren Quantenmechaniken kann eine „Singularität“ geschaffen werden, um die Wellenlänge eines Lasers zu ändern und die Auswirkungen eines Ereignishorizonts zu synthetisieren. Wenn dieses Experiment einen Ereignishorizont erzeugen kann, könnte das theoretische Phänomen der Hawking-Strahlung getestet werden, was Stephen Hawking vielleicht die bisher beste Chance gibt, den Nobelpreis zu gewinnen.
Wie erzeugt man ein Schwarzes Loch? Im Kosmos entstehen Schwarze Löcher durch den Kollaps massereicher Sterne. Die Masse des Sterns kollabiert aufgrund der massiven Gravitationskräfte, die auf den Körper einwirken, auf einen einzigen Punkt (nachdem der Treibstoff ausgeht und eine Supernova durchgemacht hat). Überschreitet der Stern eine bestimmte Masse-„Grenze“ (d.h. dieChandrasekhar-Grenze– ein Maximum, bei dem die Masse eines Sterns seine Struktur nicht gegen die Schwerkraft tragen kann), kollabiert er zu einem diskreten Punkt (einer Singularität). Die Raumzeit wird so verzerrt, dass alle lokale Energie (Materie)undStrahlung) fällt in die Singularität. Der Abstand von der Singularität, bei dem selbst Licht der Anziehungskraft nicht entkommen kann, wird als bezeichnetEreignishorizont. Hochenergetische Teilchenkollisionen durch kosmische Strahlen, die auf die obere Atmosphäre treffen, könnten Mikroschwarze Löcher (MBHs) erzeugen. Der Large Hadron Collider (am CERN, in der Nähe von Genf, Schweiz) könnte auch in der Lage sein, Kollisionen zu erzeugen, die energetisch genug sind, um MBHs zu erzeugen. Wenn der LHC MBHs produzieren kann, könnte Stephen Hawkings Theorie der „Hawking-Strahlung“ interessanterweise bewiesen werden, sollten die erzeugten MBHs fast sofort verdampfen.
Hawking sagt voraus, dass Schwarze Löcher Strahlung aussenden. Diese Theorie ist paradox, da keine Strahlung dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs entkommen kann. Hawking theoretisiert jedoch, dass Schwarze Löcher aufgrund einer Eigenart in der QuantendynamikkannStrahlung erzeugen.
Einfach ausgedrückt, ermöglicht das Universum die Erzeugung von Teilchen in einem Vakuum, die Energie aus ihrer Umgebung „ausleihen“. Um die Energiebilanz zu erhalten, können das Teilchen und sein Antiteilchen nur kurze Zeit leben und die geliehene Energie sehr schnell zurückgeben, indem sie sich gegenseitig vernichten. Solange sie innerhalb eines Quantenzeitlimits auftauchen und wieder verschwinden, werden sie als „virtuelle Teilchen“ betrachtet. Von der Schöpfung bis zur Vernichtung hat die Nettoenergie null.
Die Situation ändert sich jedoch, wenn dieses Teilchenpaar am oder in der Nähe eines Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs erzeugt wird. Wenn eines der virtuellen Paare in das Schwarze Loch fällt und sein Partner aus dem Ereignishorizont herausgeschleudert wird, können sie nicht vernichten. Beide virtuellen Teilchen werden „real“, wodurch das entweichende Teilchen Energie und Masse vom Schwarzen Loch wegtransportieren kann (das eingefangene Teilchen kann als negative Masse angesehen werden, wodurch die Masse des Schwarzen Lochs reduziert wird). Auf diese Weise sagt die Hawking-Strahlung „verdampfende“ Schwarze Löcher voraus, da durch diese Quanteneigenart am Ereignishorizont Masse verloren geht. Hawking sagt voraus, dass Schwarze Löcher allmählich verdampfen und verschwinden werden, und dieser Effekt wird bei kleinen Schwarzen Löchern und MBHs am deutlichsten sein.
Also… zurück zu unserem Labor in St. Andrews…
Prof. Ulf Leonhardt hofft, mit Laserpulsen die Bedingungen für einen Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs zu schaffen und damit möglicherweise das erste direkte Experiment zum Testen von Hawking-Strahlung zu schaffen. Leonhardt ist Experte für „Quantenkatastrophen“, den Punkt, an dem die Wellenphysik zusammenbricht und eine Singularität entsteht. Beim jüngsten „Cosmology Meets Condensed Matter“-Meeting in London kündigte Leonhardts Team ihre Methode zur Simulation einer der Schlüsselkomponenten der Ereignishorizontumgebung an.
Licht durchdringt Materialien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, abhängig von ihren Welleneigenschaften. Die St. Andrews-Gruppe verwendet zwei Laserstrahlen, einen langsamen und einen schnellen. Zuerst wird ein sich langsam ausbreitender Puls durch die optische Faser gefeuert, gefolgt von einem schnelleren Puls. Der schnellere Puls sollte den langsameren Puls „einholen“. Wenn der langsame Puls jedoch das Medium durchdringt, ändert er die optischen Eigenschaften der Faser, wodurch der schnelle Puls in seiner Folge verlangsamt wird. Das passiert mit dem Licht, wenn es versucht, dem Ereignishorizont zu entkommen – es wird so stark verlangsamt, dass es „eingesperrt“ wird.
'Wir zeigen durch theoretische Berechnungen, dass ein solches System in der Lage ist, die Quanteneffekte von Horizonten, insbesondere Hawking-Strahlung, zu untersuchen.“ – Aus einem demnächst erscheinenden Papier der St. Andrews-Gruppe.
Die Effekte, die zwei Laserpulse aufeinander haben, um die Physik innerhalb eines Ereignishorizonts nachzuahmen, klingt seltsam, aber diese neue Studie könnte uns helfen zu verstehen, ob MBHs in den LHCs erzeugt werden, und könnte Stephen Hawking einem verdienten Nobelpreis etwas näher bringen.
Quelle: Telegraph.co.uk
