Wissenschaft

Schwarzes Loch, das in einem Labor heraufbeschworen wurde, macht die gleichen seltsamen Dinge, von denen Stephen Hawking dachte, dass es tun würde

2024

Wenn etwas die Physik zerreißt, geht man hinüber in die Quantum Reich, ein Ort, der von Schwarzen Löchern, Wurmlöchern und anderen Dingen bewohnt wird, die die Stars mehrerer Science-Fiction-Filme waren. Was im Quantenbereich lebt, ist entweder (noch) nicht bewiesen oder verhält sich seltsam, wenn es existiert.

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Schwarze Löcher wagen sich oft in dieses Reich vor. Da es unmöglich ist, diese kollabierten Sterne – zumindest die meisten von ihnen – mit einem Raumschiff zu befördern (es sei denn, Sie möchten sie nie wieder sehen), entschied ein Physiker, dass der beste Weg, sich ihnen zu nähern, unter einem buchstäblichen Mikroskop wäre. Jeff Steinhauer wollte wissen, ob Schwarze Löcher Teilchen ausstrahlen, wie es der verstorbene Stephen Hawking theoretisierte. Weil einer dieser Leviathane nie in ein Labor passen würde, haben er und sein Forschungsteam direkt hier auf der Erde eines geschaffen.

Wir müssen verstehen, wie wir die Schallwellen der Hawking-Strahlung einfallen und wieder austreten sehen, Steinhauer, der eine kürzlich veröffentlichte Studie mitverfasst hat Naturphysik , sagte SYFY WIRE. Sie sollten sehr gering sein. Diese Strahlung eines echten Schwarzen Lochs zu sehen ist zu schwach und würde von anderen Strahlungsquellen völlig überwältigt, weshalb wir sie in einem analogen System sehen wollen.

Dieses analoge Schwarze Loch war eher eine Röhre als die spektakulären wirbelnden Dinge, die man in NASA-Bildern wie dem obigen sehen könnte. Wie auch immer, die Lichtshow um ein solches Monster-Schwarzen Loch ist wirklich nur der ganze Staub und das Gas und anderes Sternenzeug, das es verschlingt. Das Team von Steinhauer brauchte kein ganzes Akkretionsscheibe . Sie wollten nur sehen, ob eines der quantenverschränkten Teilchen, die an den Rand des Ereignishorizont würde entkommen, wie Hawking vorausgesagt hatte. Quantenverschränkung bedeutet, dass sich zwei Teilchen genau gleich verhalten, egal wo sie sich in Zeit und Raum befinden.

Stephen Hawking, der die Theorie aufstellte, dass Schwarze Löcher Photonen zurück in den Weltraum abstrahlen. Bildnachweis: Frederick M. Brown/Getty Images

Wenn eines von einem Paar verschränkter Teilchen zu weit geht und den Ereignishorizont passiert, das andere es jedoch schafft, gerade am Rand des Punktes ohne Wiederkehr zu bleiben, wird es schließlich wieder in den Weltraum abgestrahlt. Das ist Hawking-Strahlung. In einem analogen Schwarzen Loch aus Rubidium Gas ersetzten die Forscher die Lichtwellen, die Schwarze Löcher im Weltraum fressen, durch Schallwellen, weil Rubidiumatome schneller als die Schallgeschwindigkeit zoomen, sodass keine Schallwelle, die den Ereignishorizont erreicht, jemals entkommen kann. Die andere verschränkte Schallwelle würde sich jedoch außerhalb des Ereignishorizonts befinden, wo der Gasfluss viel langsamer war und sich bewegen konnte.

Wir mussten nach etwas suchen, das innerhalb und außerhalb des Schwarzen Lochs korreliert, sagte Steinhauer. Jedes Mal, wenn es eine Welle innerhalb des Schwarzen Lochs gibt, gibt es eine Welle außerhalb des Schwarzen Lochs, und das musste tausende Male wiederholt werden. Sie müssen immer wieder nach einer Welle im Inneren suchen und gleichzeitig nach einer Welle, die herauskommt.

Da die Kamera, die das analoge Schwarze Loch fotografierte, es sofort zerstören würde, musste das Analoge immer wieder neu erstellt werden. Jeder von ihnen war etwa 0,1 Millimeter lang und bestand aus etwa 8000 Atomen. Nur um eine Vorstellung davon zu geben, wie unglaublich klein das ist, der Punkt am Ende dieses Satzes hat mindestens eine Milliarde Atome. Jedes Mal, wenn ein neues Analogon erstellt wurde, musste das Team Schallwellenpaare finden, bei denen sich eine Welle in Richtung des ebenen Horizonts bewegte und die andere bereits daran vorbei. Rubidiumgas strömt schneller als das Schallgeschwindigkeit , so dass verhindert wurde, dass eine dieser Schallwellen ausbricht, so wie die erdrückende Schwerkraft eines Schwarzen Lochs im Weltraum den drohenden Untergang bedeutet.

Was wiederholtes Fotografieren bewies, war, dass die Hawking-Strahlung konstant bleibt. Das Team benötigte so viele Daten, um genügend Korrelationen zwischen dem Verhalten all dieser Schallwellenpaare zu finden. Es stellte sich heraus, dass sie jedes Mal dasselbe taten, also hatte Hawking Recht. Zumindest gab ihm dieses Experiment Recht. Bis wir einen Weg finden, Schwarze Löcher im Weltraum mit einem technologisch fortschrittlicheren Teleskop zu untersuchen, als wir uns jemals vorstellen können, müssen theoretische Studien wie die von Hawking bestätigen, ob dies in tatsächlichen Schwarzen Löchern wahrscheinlich ist. Steinhauer will weiter, wie in Quantengravitation .

Ich möchte über Hawkings Berechnung hinausgehen, um die Quantengravitation zu berücksichtigen, sagte er. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie kann man die normale Schwerkraft berechnen, wenn man weiß, wie massiv ein Körper ist. Die Quantengravitation ist wie jedes quantenmechanische System zufällig. Ich möchte auch sehen, wie die Hawking-Strahlung mit Dingen wie Luftmolekülen vergleichbar ist, die Schall streuen.

Die Seltsamkeit von Schwarzen Löchern und was sie für die Raumzeit bedeuten könnten, endet nie wirklich.