Forscher der St. Andrews University in Schottland behaupten, einen Weg gefunden zu haben, einen Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs zu simulieren - nicht durch eine neue kosmische Beobachtungstechnik und nicht durch einen leistungsstarken Supercomputer… sondern im Labor. Unter Verwendung von Lasern, einer Länge einer optischen Faser und abhängig von einer bizarren Quantenmechanik kann eine „Singularität“ erzeugt werden, um die Wellenlänge eines Lasers zu ändern und die Auswirkungen eines Ereignishorizonts zu synthetisieren. Wenn dieses Experiment einen Ereignishorizont ergeben kann, kann das theoretische Phänomen der Hawking-Strahlung getestet werden, wodurch Stephen Hawking möglicherweise die bisher beste Chance erhält, den Nobelpreis zu gewinnen.
Wie schafft man ein Schwarzes Loch? Im Kosmos entstehen durch den Zusammenbruch massereicher Sterne schwarze Löcher. Die Masse des Sterns fällt aufgrund der massiven Gravitationskräfte, die auf den Körper wirken, auf einen einzigen Punkt zusammen (nachdem der Treibstoff ausgegangen ist und eine Supernova aufgetreten ist). Sollte der Stern eine bestimmte Massengrenze überschreiten (d. H. Chandrasekhar-Grenze - ein Maximum, bei dem die Masse eines Sterns seine Struktur nicht gegen die Schwerkraft stützen kann), wird er in einen diskreten Punkt (eine Singularität) zusammenfallen. Die Raumzeit wird so verzerrt sein, dass alle lokale Energie (Materie) und Strahlung) fällt in die Singularität. Die Entfernung von der Singularität, in der selbst Licht der Anziehungskraft nicht entkommen kann, wird als bezeichnet Ereignishorizont. Kollisionen von Partikeln mit hoher Energie durch kosmische Strahlung, die auf die obere Atmosphäre einwirken, können mikroschwarze Löcher (MBHs) erzeugen. Der Large Hadron Collider (am CERN in der Nähe von Genf, Schweiz) kann möglicherweise auch Kollisionen erzeugen, die energisch genug sind, um MBHs zu erzeugen. Interessanterweise kann Stephen Hawkings Theorie der „Hawking-Strahlung“ bewiesen werden, wenn der LHC MBHs produzieren kann, wenn die erzeugten MBHs fast sofort verdunsten.
Hawking sagt voraus, dass Schwarze Löcher Strahlung emittieren. Diese Theorie ist paradox, da keine Strahlung dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs entkommen kann. Hawking vermutet jedoch, dass aufgrund einer Eigenart der Quantendynamik Schwarze Löcher entstehen kann Strahlung erzeugen.
Ganz einfach gesagt, das Universum ermöglicht die Erzeugung von Partikeln in einem Vakuum, die Energie aus ihrer Umgebung „entlehnen“. 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 ein- und ausgehen, gelten sie als „virtuelle Teilchen“. Die Schöpfung zur Vernichtung hat eine Netto-Null-Energie.
Die Situation ändert sich jedoch, wenn dieses Partikelpaar an oder in der Nähe eines Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs erzeugt wird. Wenn eines der virtuellen Paare in das Schwarze Loch fällt und sein Partner vom Ereignishorizont weggeworfen wird, kann er nicht vernichten. Beide virtuellen Teilchen werden „real“, so dass das austretende Teilchen Energie und Masse vom Schwarzen Loch wegtragen kann (das eingeschlossene Teilchen kann als negativ eingestuft werden, wodurch die Masse des Schwarzen Lochs verringert wird). Auf diese Weise sagt die Hawking-Strahlung „verdampfende“ Schwarze Löcher voraus, da am Ereignishorizont Masse für diese Quanten-Eigenart verloren geht. Hawking sagt voraus, dass Schwarze Löcher allmählich verdunsten und verschwinden werden. Außerdem ist dieser Effekt bei kleinen Schwarzen Löchern und MBHs am stärksten ausgeprägt.
Also… zurück zu unserem St. Andrews Labor…
Prof. Ulf Leonhardt hofft, die Bedingungen eines Ereignishorizonts für Schwarze Löcher mithilfe von Laserpulsen zu schaffen und möglicherweise das erste direkte Experiment zum Testen der Hawking-Strahlung zu erstellen. Leonhardt ist Experte für „Quantenkatastrophen“, an denen die Wellenphysik zusammenbricht und eine Singularität erzeugt. Bei dem kürzlich in London abgehaltenen Treffen „Cosmology Meets Condensed Matter“ kündigte Leonhardts Team seine Methode zur Simulation einer der Schlüsselkomponenten der Ereignishorizontumgebung an.
Licht wandert je nach Welleneigenschaft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch Materialien. Die St. Andrews-Gruppe verwendet zwei Laserstrahlen, einen langsamen und einen schnellen. Zunächst wird ein sich langsam ausbreitender Impuls über die optische Faser abgefeuert, gefolgt von einem schnelleren Impuls. Der schnellere Puls sollte den langsameren Puls „einholen“. Wenn der langsame Impuls jedoch das Medium durchläuft, verändert er die optischen Eigenschaften der Faser, wodurch der schnelle Impuls in seinem Nachlauf langsamer wird. Dies passiert mit Licht, wenn es versucht, dem Ereignishorizont zu entkommen - es wird so stark verlangsamt, dass es „gefangen“ wird.
“Wir zeigen durch theoretische Berechnungen, dass ein solches System die Quanteneffekte von Horizonten, insbesondere Hawking-Strahlung, untersuchen kann. ” - Aus einem bevorstehenden Artikel der St. Andrews-Gruppe.
Die Auswirkungen, die zwei Laserpulse aufeinander haben, um die Physik innerhalb eines Ereignishorizonts nachzuahmen, klingen seltsam, aber diese neue Studie kann uns helfen zu verstehen, ob MBHs in den LHCs erzeugt werden, und Stephen Hawking möglicherweise ein wenig näher an einen verdienten Nobelpreis bringen.
Quelle: Telegraph.co.uk
