Forscher und komplexe Apparaturen

Ultrakalte Atomwolke verhält sich ähnlich wie Schwarzes Loch

Eine geeignet präparierte Wolke ultrakalter Atome sendet ähnlich wie ein Schwarzes Loch Hawking-Strahlung aus. Das zeigen Experimente eines Forschers in Israel. Spontan am Ereignishorizont des „Stummen Lochs“ entstehende Schallwellen sind demnach quantenmechanisch miteinander verschränkt, genau wie die am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs entstehenden Photonen der Hawking-Strahlung. Das akustische Analogon eines Schwarzen Lochs könne daher dabei helfen, das Informationsparadoxon zu lösen, so der Wissenschaftler im Fachblatt „Nature Physics“.

„Die Hawking-Strahlung echter Schwarzer Löcher ist extrem schwach“, erklärt Jeff Steinhauer vom Israelischen Institut für Technologie in Haifa. Deshalb könne man sie im Weltall nicht beobachten. Bereits 1981 hatte der kanadische Physiker William Unruh daher vorgeschlagen, nach analogen physikalischen Systemen zu suchen, bei denen Schallwellen die elektromagnetische Strahlung ersetzen – und die dann quasi Laborexperimente mit Schwarzen Löchern ermöglichen würden.

Steinhauer und seinem Team gelang es 2009 erstmals, ein solches „Stummes Loch“ mit einem Bose-Einstein-Kondensat – einer Wolke aus ultrakalten Atomen – zu realisieren. Die Atomwolke verhält sich wie eine ideale Flüssigkeit. Beschleunigt man einen Teil von ihr auf Überschallgeschwindigkeit, so können Schallwellen gegen die Strömungsrichtung nicht aus diesem Bereich entkommen – es entsteht also das Analogon zu einem Ereignishorizont.

Der berühmte Physiker Stephen Hawking hatte 1974 gezeigt, dass durch Quanteneffekte an einem Ereignishorizont Strahlung entsteht: Durch Quantenfluktuationen entstehen Teilchenpaare, von denen ein Teilchen in das Schwarze Loch hineinfällt, während das andere als Hawking-Strahlung entweicht. Steinhauer beobachtete an seinem „Stummen Loch“ 2014 erstmals das akustische Analog der Hawking-Strahlung – stieß aber in der Fachwelt noch auf Skepsis.

Mit seinen neuen Experimenten belegt der Forscher jetzt, dass die spontan am Ereignishorizont entstehenden Schallwellen tatsächlich physikalisch der Hawking-Strahlung Schwarzer Löcher ähneln: Die jeweils paarweise nach innen und außen laufenden Wellen sind, wie Steinhauers Korrelationsanalyse zeigt, miteinander verschränkt. Steinhauer hofft, mit seinem „Stummen Loch“ experimentell eine Lösung für das Informations-Paradoxon zu finden. Fällt Materie in ein Schwarzes Loch hinein, so geht alle Information über diese Materie verloren – was physikalisch eigentlich nicht möglich sein sollte. Vielleicht zeigen die „Stummen Löcher“ eines Tages einen Weg auf, wie die Information doch wieder entkommen kann.