Stephen Hawking publizierte 1974 in Nature eine erstaunliche Erkenntnis: Schwarze Löcher sind nicht komplett schwarz. Eigentlich kann man aus den Regeln der Allgemeinen Relativitätstheorie ermitteln, dass hinter einem Ereignishorizont ein Punkt ohne Rückkehr erreicht ist. Die gravitative Wirkung des kollabierten Sternes ist hier so groß, das die Raumzeit so enorm gekrümmt ist dass nicht zurück kann, auch nicht Licht, wenn es einmal diesen Horizont überschritten ist. Innerhalb des Schwarzen Loches liegt eine Singularität in der Zeit, aber befassen wir uns mit der Draufsicht – dem scheinbaren schwarzen Vorhang, hinter dem alles verschwindet. Der stellt nämlich ein thermodynamisches Problem dar, weil scheinbar dort Information unwiderruflich verloren geht.
Mit einer semiklassischen Beschreibung allerdings (schließlich haben wir noch keine Quantentheorie der Gravitation) konnte Hawking aber einen Ausweg bieten. Einfach erklärt (also so wie ich es noch verstehe), bilden sich unmittelbar am Ereignishorizont Paare von Teilchen und Antiteilchen aus dem Vakuum. Das ist eine allgemeine Eigenschaft des Raumes, dass immer und ununterbrochen solche Paare auftauchen, aber normalerweise genauso schnell wieder verschwinden. Bildet sich jetzt aber ein solches Paar derart, dass eines der Teilchen gerade jenseits des Ereignishorizontes liegt, dann verschwindet es im Schwarzen Loch, und das Partnerteilchen muss unwillkürlich zu einem realen Teilchen werden und (sicherlich leicht irritiert) davonfliegen. Die Energierechnung für seine Erzeugung zahlt dabei das Schwarze Loch – und das ist gerade der mögliche Ausweg, wie ein Schwarzes Loch eben doch wieder Energie verlieren könnte und schließlich verdampfen würde.

Nun ist diese ziemlich geniale Idee durchaus eine Reise nach Stockholm wert – dass Hawking sie noch nicht antreten durfte liegt daran, dass diese sogenannte Hawking-Strahlung (also die entkommenen Teilchen) sehr schwach ist und weit jenseits unserer Möglichkeiten zur Detektion liegt.

Analogsysteme

Aber Ereignishorizonte sind kein Alleinstellungsmerkmal Schwarzer Löcher. Man kann analoge Systeme konstruieren, die auch im Labor Grenzen herstellen die Licht nicht durchschreiten kann. Zwar ist es jetzt ein wenig ungenau, dort auch von Schwarzen Löchern zu sprechen, aber “Ereignishorizont” ist eben ein wenig windschnittiger Name…
Man kann zwei Möglichkeiten unterscheiden: einem “Schwarzen Loch” kann kein Licht entkommen, ein “Weißes Loch” lässt kein Licht hinein (bzw. kann nur welches abgeben).
Über ein solches System habe ich schon berichtet, dabei ging es aber um Schall und eine ganz besondere Flüssigkeit, die schneller floss als der Schall, ein Bose-Einstein-Kondensat nämlich. Tatsächlich beobachtet hat man Hawking-Strahlung jetzt aber doch im optischen Bereich, und das Phänomen, das das Schwarze Loch erzeugt ist eine wandernde Störung des Brechungsindex (auf englisch: refractive index perturbation – RIP).
Hier kann ich auch auf einen früheren Artikel verweisen, in dem die Technik der Erzeugung von Laserfilamenten benutzt wurde, um Kondensationskeime in der Atmosphäre zu erzeugen. Die optischen Eigenschaften die dazu beitragen sind nichtlinearer Natur. Auch bestimmte Gläser weisen diese Eigenschaften auf die das folgende bewirken: Normalerweise zerfließt ein Laserstrahl mit der Zeit. Aber in diesen Medien beeinflusst der Strahl selbst das Medium (also die Atome im Kristallgitter) derart, dass sich das optische Medium selbst ändert und eine fokussierende Wirkung auf den Strahl hat. Wenn die Kräfte sich genau ausgleichen, schafft sich der Strahl quasi selbst einen Kanal, durch den er viel länger ungebremst fliegen kann. Dies nennt man den Kerr-Effekt.
Der Brechungsindex gibt an, um wieviel langsamer sich Licht in einem Medium bewegt im Vergleich zum Vakuum. Die Störung, die der Kerr-Effekt erzeugt, verändert den Brechungsindex; und diese Störung bewegt mit dem Laser. Es ist ein Soliton, eine ganz besondere, nicht-lineare Wellenform.

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Bildquelle: Daniele Faccio

Nachdem Thomas Philbin in Science diesen Effekt in Glasfasern als Analogsystem zu Schwarzen Löchern vorgeschlagen hat, übertrugen andere diese Idee auf spezielle Gläser. Dazu beschrieben sie (siehe Faccio et al. 2010 oder – Open Access – Cacciatori et al. 2010) den Effekt aus einer Relativitätstheorie-Sicht als Verformung der Raumzeit, die die RIP sieht und die Licht sieht, das sich hinter der Störung bewegen muss. Man stelle sich vor, man schießt kurz nacheinander zwei Laser in ein Medium – der erste erzeugt die Störung und der zweite läuft drauf auf.

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Bildquelle: Daniele Faccio

Im Bild sieht man die Wege, die das zweite Lichtbündel zurücklegen könnte, wenn es auf diese Störung trifft. Wir sehen das ganze aus Sicht der wandernden Störung, also einem Bezugssystem das mit der Störung wandert. Wenn man dessen Geschwindigkeit passend einstellt, kommt es zum gewünschten Effekt: Die Auswirkung der optischen Störung ist so groß, dass es für das einfallende Licht aussieht wie eine enorm starke Krümmung der Raumzeit. So stark, dass das Licht abgebremst wird und ganz anhalten kann. Nochmal: Aus Sicht des Labores bleibt das Licht natürlich nicht stehen, sondern wandert mit der Störung mit. In einem Bezugssystem das aber mit der Störung wandert sieht es so aus, als bliebe das Licht stehen. Das hieße, es kann nicht über die Störung hinaus? Moment, das kennen wir doch? Holy haleakala, ein Ereignishorizont!

Es werde (Hawking-)Licht

Und genau das haben die Forscher aus Mailand und Como jetzt ausgenutzt. In einem neuen Paper (hier im arXiv, bald in den Physical Review Letters), haben sie gemessen ob von diesem Horizont tatsächlich Hawking-Strahlung ausgeht. Denn genau wie bei einem “echten”, kosmischen Schwarzen Loch müssten hier Photonenpaare entstehen und ein Photon dem Horizont entkommen und eines dahinter gefangen bleiben. Praktischerweise kann man ausrechnen welche Frequenz dieses haben muss und stellt fest, dass es in einem engen Frequenzbereich zu finden sein müsste.
Dann kann man aus den gemessenen Emissionen sämtliche andere Effekte zu eliminieren, die Licht in diesem Bereich erzeugen, wie z.B. Cerenkov-Strahlung und Fluoreszenz. Glücklicherweise war man in der Lage einen Frequenzbereich zu finden, in dem man praktisch andere Quellen als Hawking-Strahlung ausschließen konnte. Et voila:

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Bild aus: Belgiorno et al. (2010): Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments

In schwarz horizontal liegt die Referenzmessung – darüber sieht man ganz klar einen Bereich, in dem Hawking-Strahlung liegen muss. Die Farben zeigen Laserpulse unterschiedlicher Intensität (also des Lasers, der das RIP auslöst).

Hawking-Strahlung scheint also wirklich zu existieren. Und damit könnte ja die Vorhersage des Physik-Nobelpreises nächstes Jahr fast einfacher sein als die für nächsten Dienstag. Aber wer weiß; erst einmal muss der Effekt reproduziert werden. Und dann ist die Frage, ist das gut genug um als experimenteller Nachweis zu gelten für etwas, das doch für kosmische Objekte gelten soll? Messen werden wir die Hawking-Strahlung da jedenfalls nicht so schnell. Die ist nämlich nur 10 nK war, und das bei einem Hintergrund von 3 K. Hintergrund von 3 K, da sind wir dann auch bei einem der heißen Anwärter für den Physik-Nobelpreis, der nächste Woche vergeben wird: dem WMAP-Experiment.


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Kommentare (19)

  1. #1 tomW
    10/01/2010

    Was ich an der Hawking- Strahlungsgeschichte nicht verstehe, ist der Masse/Energieverlust des Schwarzen Loches. Wenn ein Teilchen hinter dem Ereignishorizont bleibt und quasi Teil des Schwarzen Loches wird, während das andere frei wird, ist doch die Energiebilanz gleich null, oder? Das eine Teilchen macht das Loch doch “schwerer”…

  2. #2 MartinB
    10/01/2010

    “Und damit könnte ja die Vorhersage des Physik-Nobelpreises nächstes Jahr fast einfacher sein als die für nächsten Dienstag.”
    Ich weiß nicht – Hawking-Strahlung ist ein netter Effekt, aber sooo revolutionät, bahnbrechend oder ein ganzes Gebiet der Physik umkempelnd ist er nun auch wieder nicht, dass man dafür gleich nen Nobelpreis vergeben muss.

    @tomW
    Das sind ja zunächst virtuelle teilchen, die dürfen (relativ zu einem weit entfernten Beobachter) negative Energie haben.

  3. #3 tomW
    10/01/2010

    @MartinB

    Öööhh, bidde? Haben beide eine negative Energie -was is’s negative Energie?, Energie-> Fähigkeit, Arbeit zu verrichten; negative Energie-> Fähigkeit, Arbeit zu verursachen 😀 – oder nur das eine, das in das Loch purzelt, wohingegen das übrigbleibende “positive Energie” hat? Passiert das als 50-50 Chance oder hat das negativ- Energieteilchen durch den Entstehungsort diese Eigenschaft?

    *Stirnrunzel*

    Manmanman, Quantenmechanik ist so ziemlich das abgedrehteste dass mir je ein Wissenschaftler vergeblich zu vermitteln versucht hat… *g*

  4. #4 Jörg
    10/01/2010

    Ich weiß nicht – Hawking-Strahlung ist ein netter Effekt, aber sooo revolutionät, bahnbrechend oder ein ganzes Gebiet der Physik umkempelnd ist er nun auch wieder nicht, dass man dafür gleich nen Nobelpreis vergeben muss.

    Also ich weiß nicht, dass Schwarze Löcher thermodynamische Objekte sind ist schon ziemlich revolutionär, oder? Aber vielleicht sollte ich die Bewertung doch lieber einem theoretischen Kosmologen oder dem Nobelpreiskommitee überlassen 😀

  5. #5 MartinB
    10/01/2010

    @Jörg
    Dann aber der Preis bitte zu gleichen Teilen auch an Bekenstein (falls der noch lebt) und Penrose.

    @tomW
    Ja, ist leider so. Versuch mal Feynman’s QED-Buch, das ist einigermaßen anschaulich (so anschaulich, wie QM halt sein kann…)

  6. #6 Ulrich Berger
    10/01/2010

    In einem Bezugssystem das aber mit der Störung wandert sieht es so aus, als bliebe das Licht stehen

    Mannomann – wenn das mal nicht die SRT-cranks spitzkriegen. 😉

  7. #7 IsabellaP
    10/01/2010

    Genial, dieses Analogsystem!
    Sehr faszinierend!

  8. #8 maxfoxim
    10/01/2010

    Ich spiel mal den Verrückten:
    Aber wenn da ein Ereignishorizont ist, besteht dann nicht auch die Gefahr das die Welt untergehen wird??? Ich muss das verhindern ;):P

  9. #9 Jörg
    10/01/2010

    @Martin

    Dann aber der Preis bitte zu gleichen Teilen auch an Bekenstein (falls der noch lebt) und Penrose.

    Ja absolut, wobei ich jetzt drüber nachdenke ob es wirklich am fehlenden experimentellen Nachweis liegt; oder hätten die schon einen Preis bekommen müssen wenn es ausreichend Wert hätte?

  10. #10 rolak
    10/01/2010

    Das immer wieder Überraschende an der Naturwissenschaft: Mit völlig unerwarteten Techniken werden Effekte lange vor der Zeit nachgewiesen, die ich selbst bei großzügiger Abschätzung für den Nachweis für möglich gehalten habe. Um ein klassisches Zitat zu verwerten: Faszinierend!

  11. #11 Niels
    10/01/2010

    Denn genau wie bei einem “echten”, kosmischen Schwarzen Loch müssten hier Photonenpaare entstehen und ein Photon dem Horizont entkommen und eines dahinter gefangen bleiben.

    Versteh ich nicht ganz. Bei diesem Experiment gibt es doch gar keine virtuellen Photonenpaare, oder?
    Warum ist damit gezeigt, dass es Hawking-Strahlung bei schwarzen Löchern geben muss?
    Da ist der Mechanismus doch eigentlich völlig anders?

  12. #12 Jörg
    10/01/2010

    @Niels: Doch, es gibt immer virtuelle Photonenpaare aus dem Vakuum. Vielleicht war das jetzt etwas verwirrend mit den vielen Laserpulsen; aber auch hier entstehen wieder die Paare direkt am Ereignishorizont, wie bei einem Schwarzen Loch, und man kann das entkommene Photon messen.

  13. #13 Niels
    10/01/2010

    Tut mir leid wenn ich nerve:

    Was passiert in diesem Experiment mit dem Partnerteilchen des jetzt realen Photons bzw. wo kommt hier die nötige Energie her/ wem oder wo wir die nötige Energie entzogen?

    Müsste das Ganze dann nicht prinzipiell in beliebigen Medien mit beliebigen Wellenpaketen möglich sein?
    (Wellen in Flüssigkeiten, Materiewellen, Quasiteilchenwellen)

  14. #14 Jörg
    10/01/2010

    @Niels: Nein du nervst nicht

    Die Energie muss auch aus dem RIP, also der Wanderwelle kommen. Nur wird man das nicht messen können, so ein paar Photonen brauchen ja nicht viel Energie, und die Welle verliert ja doch ständig Energie durch andere Effekte.

    Theoretisch müsste das natürlich mit jeder Welle möglich sein, nur muss diese schneller wandern können als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Teilchen(paars) das erzeugt wird, damit eines verschwinden kann. Siehe den verlinkten Artikel wo man das im Schall versucht. Oder man muss eben die Raumzeit so krümmen dass die Gravitationswirkung (oder ihre analoge Wirkung) so groß wird dass quasi die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Zeit gefangen wird (Licht breitet sich sonst schließlich immer mit Lichtgeschwindigkeit aus).

  15. #15 Niels
    10/02/2010

    Ich hab mir das Paper mal angeschaut und glaube jetzt, dass Prinzip einigermaßen verstanden zu haben. Danke.
    Krasse Sache. Ich hätte Geld dagegen gewettet, dass Hawking-Strahlung in absehbarer Zeit beobachtet werden kann.
    Super, dass du darüber einen Beitrag geschrieben hast, sonst hätte ich das niemals mitgekriegt.

  16. #16 rolak
    10/02/2010

    Auf die Gefahr hin, mich zu wiederholen: Das kann ich so unterschreiben, Niels. Bis auf einen Punkt – bei mir wartet das paper noch darauf, gelesen zu werden.

  17. #17 Karl Mistelberger
    10/05/2010

    Tatsächlich beobachtet hat man Hawking-Strahlung jetzt aber doch im optischen Bereich, und das Phänomen, das das Schwarze Loch erzeugt ist eine wandernde Störung des Brechungsindex.

    Richtig muß es heissen: das Phänomen, das den Ereignishorizont erzeugt

    Schwarze Löcher sind da keine.

  18. #18 Jörg
    10/05/2010

    *seufz* Ich hab doch extra geschrieben

    Aber Ereignishorizonte sind kein Alleinstellungsmerkmal Schwarzer Löcher. Man kann analoge Systeme konstruieren, die auch im Labor Grenzen herstellen die Licht nicht durchschreiten kann. Zwar ist es jetzt ein wenig ungenau, dort auch von Schwarzen Löchern zu sprechen, aber “Ereignishorizont” ist eben ein wenig windschnittiger Name…

    Weil ich ja wusste dass wieder irgendein Klugscheißer sich nicht beherrschen kann.

  19. #19 Karl Mistelberger
    10/06/2010

    > *seufz* Ich hab doch extra geschrieben: Aber Ereignishorizonte sind kein Alleinstellungsmerkmal Schwarzer Löcher. Man kann analoge Systeme konstruieren, die auch im Labor Grenzen herstellen die Licht nicht durchschreiten kann. Zwar ist es jetzt ein wenig ungenau, dort auch von Schwarzen Löchern zu sprechen, aber “Ereignishorizont” ist eben ein wenig windschnittiger Name… Weil ich ja wusste dass wieder irgendein Klugscheißer sich nicht beherrschen kann.

    Bei so viel Schwurbelei habe ich es vorgezogen, mich hier zu informieren:

    http://www.physorg.com/news204866995.html

    http://www.physorg.com/news205063271.html