The Sound of Silence, oder: Wie ein Physiker die Strahlung schwarzer Löcher im Labor simuliert

Vor genau 100 Jahren, bald nach der Fertigstellung der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie, bemerkten verschiedene Physiker (allen voran Karl Schwarzschild), dass laut dieser neuartigen Theorie Raumbereiche existieren konnten, deren Gravitation nichts entrinnen kann – nicht einmal Licht. Man nennt diese Objekte heute schwarze Löcher. Damals war die vorherrschende Meinung, dass es sich dabei um kaum mehr als eine mathematische Kuriosität ohne Bezug zur Realität handelte. Doch nach und nach häuften sich die Hinweise, dass es diese extremen Objekte im Universum wohl tatsächlich gab. Spätestens nach der Detektion der Gravitationswellen zweier kollidierender schwarzer Löcher im September 2015 durch LIGO ist klar, dass die Welt wirklich so funktioniert, wie es uns die Einstein’sche Theorie nahelegt, dass es diese schwarzen Löcher genau so gibt.

Die schwarzen Löcher, wie sie von der Relativitätstheorie Einsteins von 1915 vorhergesagt werden, sind wirklich komplett schwarz, da ihnen kein Licht entrinnen kann. Im Jahr 1974 betrachtete Stephen Hawking aber, was passiert, wenn man nicht die Relativitätstheorie allein zu Rate zieht, sondern zusätzlich berücksichtigt, dass die Teilchen im Universum ja den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen. Er machte eine erstaunliche Entdeckung: Am sogenannten Horizont der schwarzen Löcher, der ihr Inneres für immer von der Außenwelt zu isolieren schien, und über den in der klassischen Sicht Einsteins nichts wieder herauskommen konnte, passierten ganz sonderbare Dinge. Berechnungen zeigten, dass in der Nähe dieses Horizonts durch Quantenfluktuationen spontan Paare von Teilchen positiver und negativer Energie entstehen würden, die in Abwesenheit eines Schwarzen Lochs sofort wieder ungesehen verschwänden – Ist aber ein schwarzes Loch da, trennen sie sich auf: Das Teilchen negativer Energie fällt hinein, das Teilchen positiver Energie wird nach außen weg abgestrahlt. So strahlt das „schwarze“ Loch Teilchen ab und wird leichter.

Warum hat nun Hawking noch nicht seinen Nobelpreis für diese revolutionäre Entdeckung abgeräumt?

Die Strahlungsintensität und Frequenz dieser Hawking-Strahlung ist für große schwarze Löcher, wie man sie im Kosmos beobachten kann, so unglaublich winzig, dass eine Detektion durch Teleskope hoffnungslos erscheint. Es sieht so aus, als ob sich Hawking wenig Hoffnungen machen kann, nach Stockholm zu fahren.

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Bei Einstein sind schwarze Löcher schwarz, wie sich das gehört (Quelle: Wikimedia Commons)

Einige Experimentalphysiker wollten sich aber ob dieser Schwierigkeiten nicht geschlagen geben! Einer von ihnen machte am gestrigen 15. August von sich reden:
Jeff Steinhauer vom Technion in Haifa veröffentlichte einen Artikel in Nature, in dem er die Ergebnisse eines Experiments beschreibt, das völlig ohne wirkliches schwarzes Loch dennoch so etwas wie Hawking-Strahlung nachweisen kann.

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Das Technion in Haifa, Israel (Quelle: Wikimedia Commons)

Die geniale Idee hinter dem Experiment stammt von dem Physiker William Unruh. Er schlug vor, statt eines schwer zu beschaffenden und gefährlichen schwarzen Lochs ein sogenanntes stummes Loch zu untersuchen. Dabei handelt es sich um einen Versuchsaufbau, in dem Schallwellen die Rolle der Strahlung übernehmen, und das Fließen einer Flüssigkeit (genau genommen ein sog. Bose-Einstein-Kondensat)  die Gravitation in der Nähe eines schwarzen Loches modelliert.  Hier würde also nicht Hawking-Strahlung in Form von Licht und anderen Teilchen entstehen, sondern „Hawking-Schallwellen“. Der Horizont, aus dem nichts entweichen kann, entsteht in diesem Experiment dadurch, dass die Flüssigkeit schneller fließt, als sich der Schall in ihr ausbreiten kann. Damit entsteht ein Bereich, aus dem keine Schallwellen entweichen können – zumindest so lange man die Rechnung ohne Hawking und die Quantenphysik macht. Unruh machte nun die Vorhersage, dass in solch einem Experiment ein Rauschen in Form von Schallwellen in der Flüssigkeit messbar sein sollte, das ein genaues Analogon der Hawking-Strahlung bei echten schwarzen Löchern darstellt. Jeff Steinhauer behauptet nun in seinem Nature-Artikel, diese „Hawking-Schallwellen“ erstmals überzeugend experimentell nachgewiesen zu haben.

Die Frage ist nun: Was bedeutet das? Ist damit die Hawking-Strahlung der schwarzen Löcher bewiesen, und Hawking bekommt seinen Nobelpreis? Dieser Eindruck konnte gestern und heute entstehen, wenn man manche Überschriften las. So funktioniert es aber nicht – die „akustischen schwarzen Löcher“ oder stummen Löcher sind eben keine schwarzen Löcher, sondern Analog-schwarze-Löcher. Dass sie so etwas wie ein akustisches Analogon der Hawking-Strahlung aufweisen, ist sehr beeindruckend und schlägt mit Recht Wellen. Denn dieser Fund bestätigt zumindest Hawkings und Unruhs Grundidee, dass an solchen Horizonten, durch die sonst nichts dringen kann, durch die Effekte der Quantenphysik spontan Strahlung entstehen sollte. Solche Experimente können aber nicht bestätigen, dass die Voraussetzungen für Hawkings Berechnungen auch wirklich an real existierenden echten schwarzen Löchern gültig sind. Erst, wenn wir diese Strahlung eines schwarzes Loches direkt oder indirekt nachgewiesen haben, können wir uns wirklich sicher sein, dass es sie gibt. Ich finde aber, dass man Steinhauers Experiment nicht gerecht wird, wenn man es nur als experimentelle Simulation eines Effekts verkauft, der schon längst mathematisch ausführlich untersucht ist. Die experimentelle Erzeugung eines solchen Schallhorizonts in einem Material, an dem quantenphysikalische Effekte beobachtet werden können, das ist echt coole Physik.

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