Dr. Stephen Hawking lieferte 1974 eine beunruhigende Theorie, nach der schwarze Löcher verdunsten. Jetzt, 40 Jahre später, hat ein Forscher die Erstellung einer Simulation der Hawking-Strahlung in einer Laborumgebung angekündigt.
Die Möglichkeit eines Schwarzen Lochs ergab sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Karl Schwarzchild erkannte 1916 als erster die Möglichkeit einer Gravitationssingularität mit einer sie umgebenden Grenze, an der Licht oder eintretende Materie nicht entkommen können.
Diesen Monat beschreibt Jeff Steinhauer vom Technion - Israel Institute of Technology in seiner Arbeit „Beobachtung der selbstverstärkenden Hawking-Strahlung in einem analogen Schwarzlochlaser“ in der Zeitschrift Nature, wie er mit einer Substanz einen analogen Ereignishorizont geschaffen hat abgekühlt auf nahezu absoluten Nullpunkt und unter Verwendung von Lasern konnte die Emission von Hawking-Strahlung erfasst werden. Könnte dies der erste gültige Beweis für die Existenz von Hawking-Strahlung sein und folglich das Schicksal aller Schwarzen Löcher besiegeln?
Dies ist nicht der erste Versuch, ein Hawking-Strahlungsanalogon in einem Labor herzustellen. Im Jahr 2010 wurde ein Analogon aus einem Glasblock, einem Laser, Spiegeln und einem gekühlten Detektor erstellt (Phys. Rev. Letter, Sept. 2010); Kein Rauch begleitete die Spiegel. Der ultrakurze Puls intensiven Laserlichts, der durch das Glas fällt, induzierte eine Brechungsindexstörung (RIP), die als Ereignishorizont fungierte. Aus dem RIP wurde Licht emittiert. Die Ergebnisse von F. Belgiorno et al. umstritten bleiben. Weitere Experimente waren noch gerechtfertigt.
Der jüngste Versuch von Steinhauer, Hawking-Strahlung zu replizieren, verfolgt einen High-Tech-Ansatz. Er erzeugt ein Bose-Einstein-Kondensat, einen exotischen Materiezustand bei einer Temperatur nahe der absoluten Null. Innerhalb des Kondensats erzeugte Grenzen fungierten als Ereignishorizont. Bevor wir jedoch auf weitere Details eingehen, lassen Sie uns einen Schritt zurücktreten und überlegen, was Steinhauer und andere zu replizieren versuchen.
Das Rezept für die Erzeugung von Hawking-Strahlung beginnt mit einem Schwarzen Loch. Schwarzes Loch jeder Größe reicht aus. Hawkings Theorie besagt, dass kleinere Schwarze Löcher schneller strahlen als größere und ohne in sie fallende Materie - Akkretion - viel schneller „verdunsten“. Riesige Schwarze Löcher können länger als das Millionenfache des gegenwärtigen Zeitalters des Universums brauchen, um durch Hawking-Strahlung zu verdampfen. Wie ein Reifen mit einem langsamen Leck würden die meisten schwarzen Löcher Sie zur nächsten Reparaturstation bringen.
Du hast also ein schwarzes Loch. Es hat einen Ereignishorizont. Dieser Horizont wird auch als Schwarzchild-Radius bezeichnet. Licht oder Materie, die in den Ereignishorizont eingecheckt werden, können niemals ausgecheckt werden. Zumindest war dies das akzeptierte Verständnis, bis Dr. Hawkings Theorie es auf den Kopf stellte. Und außerhalb des Ereignishorizonts befindet sich ein gewöhnlicher Raum mit einigen Einschränkungen. Betrachten Sie es mit einigen Gewürzen hinzugefügt. Am Ereignishorizont ist die Schwerkraft des Schwarzen Lochs so extrem, dass sie Quanteneffekte induziert und verstärkt.
Der gesamte Raum - in uns und um uns herum bis an die Enden des Universums - enthält ein Quantenvakuum. Überall im Quantenvakuum des Weltraums erscheinen und verschwinden virtuelle Teilchenpaare. sich auf extrem kurzen Zeitskalen sofort gegenseitig vernichten. Unter den extremen Bedingungen am Ereignishorizont materialisieren sich virtuelle Teilchen- und Antiteilchenpaare wie ein Elektron und ein Positron. Diejenigen, die nahe genug an einem Ereignishorizont erscheinen, können das eine oder andere virtuelle Teilchen haben, das durch die Schwerkraft der Schwarzen Löcher zappelt, so dass nur ein Teilchen übrig bleibt, das folglich frei ist, der Strahlung hinzuzufügen, die von der Umgebung des Schwarzen Lochs ausgeht. Die Strahlung, mit der Astronomen als Ganzes das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs erkennen, aber nicht direkt beobachten können. Es ist der ungepaart von virtuellen Partikeln durch das Schwarze Loch an seinem Ereignishorizont, die die Hawking-Strahlung verursachen, die für sich genommen einen Nettomassenverlust des Schwarzen Lochs darstellt.
Warum suchen Astronomen nicht einfach im Weltraum nach Hawking-Strahlung? Das Problem ist, dass die Strahlung sehr schwach ist und von Strahlung überwältigt wird, die durch viele andere physikalische Prozesse erzeugt wird, die das Schwarze Loch mit einer Akkretionsscheibe umgeben. Die Strahlung wird vom Chor energetischer Prozesse übertönt. Die unmittelbarste Möglichkeit besteht also darin, die Hawking-Strahlung mithilfe eines Analogons zu replizieren. Während die Hawking-Strahlung im Vergleich zur Masse und Energie eines Schwarzen Lochs schwach ist, hat die Strahlung im Universum im Wesentlichen die ganze Zeit Zeit, um ihren Mutterkörper abzusplittern.
Hier führte die Konvergenz des wachsenden Verständnisses der Schwarzen Löcher zu Dr. Hawkings wegweisender Arbeit. Theoretiker wie Hawking erkannten, dass sich Schwarze Löcher trotz der Quanten- und Gravitationstheorie, die zur Beschreibung eines Schwarzen Lochs erforderlich ist, auch wie schwarze Körper verhalten. Sie unterliegen der Thermodynamik und sind Sklaven der Entropie. Die Erzeugung von Hawking-Strahlung kann als thermodynamischer Prozess charakterisiert werden, und dies führt uns zurück zu den Experimentatoren. Andere thermodynamische Prozesse könnten verwendet werden, um die Emission dieser Art von Strahlung zu replizieren.
Mit dem Bose-Einstein-Kondensat in einem Gefäß richtete Steinhauer Laserstrahlen in das empfindliche Kondensat, um einen Ereignishorizont zu schaffen. Darüber hinaus erzeugt sein Experiment Schallwellen, die zwischen zwei Grenzen eingeschlossen werden, die den Ereignishorizont definieren. Steinhauer fand heraus, dass die Schallwellen an seinem analogen Ereignishorizont so verstärkt wurden, wie es mit Licht in einem gemeinsamen Laserresonator geschieht, aber auch wie von Dr. Hawkings Theorie der Schwarzen Löcher vorhergesagt. Aus dem am analogen Ereignishorizont vorhandenen Laser entweicht Licht. Steinhauer erklärt, dass dieses austretende Licht die lang ersehnte Hawking-Strahlung darstellt.
Die Veröffentlichung dieser Arbeit in Nature wurde einer beträchtlichen Begutachtung unterzogen, um akzeptiert zu werden, aber dies allein bestätigt seine Ergebnisse nicht. Steinhauers Arbeit wird nun einer noch genaueren Prüfung standhalten. Andere werden versuchen, seine Arbeit zu duplizieren. Sein Laboraufbau ist analog und es muss noch überprüft werden, ob das, was er beobachtet, wirklich Hawking-Strahlung darstellt.
Verweise:
„Beobachtung der selbstverstärkenden Hawking-Strahlung in einem analogen Schwarzlochlaser“, Nature Physics, 12. Oktober 2014
"Hawking-Strahlung von ultrakurzen Laserpulsfilamenten", F. Belgiorno et al., Phys. Brief, September 2010
"Explosionen von Schwarzen Löchern?", S. W. Hawking et al., Nature, 1. März 1974
"Die Quantenmechanik der schwarzen Löcher", S. Hawking, Scientific American, Januar 1977
