„Einen künstlichen Ereignishorizont erzeugen“

Keine Materie und noch nicht einmal Licht kann der Anziehungskraft von Schwarzen Löchern entkommen – die massiven Objekte verschlucken alles, was in sie fällt. Doch die theoretischen Berechnungen des Physikers Stephen Hawking sagen voraus, dass Schwarze Löcher dennoch thermische Strahlung aussenden. Diese sogenannte Hawking-Strahlung ist allerdings so schwach, dass sie mit heutigen Teleskopen nicht nachweisbar ist. Stattdessen entwickelten Physikerinnen und Physiker bereits verschiedene Ideen für Modellsysteme im Labor, die Hawking-Strahlung analog zu Schwarzen Löchern aussenden. Im Interview mit Welt der Physik berichtet Lotte Mertens vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden über einen neuen Vorschlag.

Welt der Physik: Nicht einmal Licht kann aus einem Schwarzen Loch entkommen. Wie können sie dennoch Strahlung aussenden?

Lotte Mertens

Lotte Mertens: Die Hawking-Strahlung stammt nicht aus dem Innern von Schwarzen Löchern, sondern von ihrer Oberfläche. Ein Schwarzes Loch ist durch seinen Ereignishorizont charakterisiert. Dies ist der Punkt, ab dem es keinen Weg zurück mehr gibt. Alles, was den Ereignishorizont überschritten hat, kommt nicht mehr heraus. Die spannende Frage ist jetzt: Was passiert genau an dieser Stelle?

Und was hat Stephen Hawkings dafür vorausgesagt?

Nach den Gesetzen der Quantenphysik ist das Vakuum nicht absolut leer, sondern von sogenannten virtuellen Teilchen erfüllt. Permanent entstehen überall im Universum für einen winzigen Augenblick Teilchenpaare, um kurz danach gemeinsam wieder zu verschwinden, indem sie sich gegenseitig auslöschen. Laut Hawking kann es nun am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs zu einer besonderen Situation kommen: Wenn eines der beiden virtuellen Teilchen hinter dem Ereignishorizont verschwindet und das andere dem Schwarzen Loch entkommt, dann können sie nicht mehr gemeinsam verschwinden. Dann wird aus dem virtuellen Teilchenpaar ein einzelnes reales Lichtteilchen, das vom äußersten Rand des Schwarzen Lochs wegfliegt. Das wird als Hawking-Strahlung bezeichnet.

Welche Eigenschaften besitzt diese Strahlung?

Die Strahlung sollte erstens bestimmte thermische Eigenschaften aufweisen, die der Wärmestrahlung eines Körpers mit einer gewissen Temperatur entsprechen. Wegen dieser Hawking-Strahlung sind Schwarze Löcher also auch eine Art Wärmestrahler. Sie verschlucken zwar alles, emittieren von ihrem Rand aber ein wenig Wärmestrahlung. Und zweitens sollte die Strahlung sehr schwach sein, sodass sie mit heutigen Teleskopen – voraussichtlich auch für lange Zeit in der Zukunft – nicht nachweisbar ist. Denn diese extrem schwache Wärmestrahlung wird von allen anderen Prozessen in der Nähe von Schwarzen Löchern völlig überlagert. Deswegen gab es in den letzten Jahren wiederholt Ideen dazu, wie man Hawking-Strahlung mithilfe von physikalischen Modellsystemen im Labor erzeugen könnte.

Wie kann so etwas möglich sein?

Bei einem Schwarzen Loch entsteht die Hawking-Strahlung aufgrund eines Ereignishorizonts. Dieser wird von der extremen Krümmung der Raumzeit verursacht, die wiederum durch die immense Massenkonzentration des Schwarzen Lochs hervorgerufen wird. Das können wir natürlich nicht im Labor reproduzieren – auch wenn wir schon Presseanfragen hatten, die sich deswegen Sorgen gemacht haben. Die Idee ist, stattdessen eine Art künstlichen Ereignishorizont zu erzeugen, der nichts mit der Krümmung der Raumzeit zu tun hat, sondern mit den physikalischen Eigenschaften eines Materialsystems. Das Ziel ist es also, eine analoge Situation zum Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs im Labor zu schaffen, bei der die Teilchen eine vergleichbare Barriere spüren, die nur in eine Richtung durchlässig ist.

Künstlicher Ereignishorizont

Was für ein System haben Sie nun vorgeschlagen?

Wir haben ein theoretisches Modellsystem entwickelt, bei dem Elektronen sozusagen von einem Atom zum Nächsten springen. Der Clou besteht jetzt darin, dass man zu einem bestimmten Zeitpunkt eine räumliche Variation der Sprungwahrscheinlichkeit in das System einführt. Anfangs ist die Wahrscheinlichkeit, wohin die Elektronen springen, überall gleich. Dann ändert man die Wahrscheinlichkeit genau derart, dass die Elektronen das Verhalten von Materie imitieren, die sich einem Schwarzen Loch nähert. Unsere Berechnungen dieses Modellsystems zeigen dann tatsächlich ein Verhalten, das der Hawking-Strahlung entspricht.

Wie lässt sich ein solches abstraktes Modell experimentell realisieren?

Dafür sind im Prinzip viele verschiedene Verfahren möglich, wobei der Effekt allerdings nicht leicht zu messen ist. Wir sind aber bereits im Gespräch mit einer Arbeitsgruppe in Dresden, die dies in einem sogenannten aktiven elektronischen System umsetzen will. Vereinfacht gesprochen handelt es sich dabei um einen elektrischen Draht, bei dem sich die elektrische Spannung und der Widerstand zeitabhängig an verschiedenen Stellen gezielt einstellen lassen. Auf diese Weise könnte man unser Modellsystem realisieren. Aber man muss auch festhalten: Hawking-Strahlung ist eines der schwierigsten Gebiete der theoretischen Physik, denn hier kommen verschiedene abstrakte Zweige der modernen Physik zusammen. Es gibt noch viele Fragen zu klären, sowohl auf der experimentellen als auch auf der theoretischen und konzeptionellen Seite. Gerade deshalb sind wir auf die experimentellen Ergebnisse sehr gespannt.