Es begann mit einer Faser. Nur ein dünner Glasstrang. Und heraus kam das Leuchten eines Schwarzen Lochs, das tatsächlich zurückdrängt.
Jahrzehntelang ist Stephen Hawkings berühmte Vorhersage genau das geblieben: eine Vorhersage. Wir haben nicht gesehen, dass seine Strahlung von den tatsächlichen Monstern am Himmel austritt. Das Licht ist zu schwach, die Entfernungen zu groß. Also wurde ein Team von Physikern kreativ. Den Effekt entlockten sie einer photonischen Kristallfaser auf einem Labortisch. Und zum ersten Mal beobachteten sie, wie das Licht auf seine Quelle reagierte.
„Jacob Bekenstein hat vorhergesagt, dass Schwarze Löcher eine Temperatur haben. Hawking hat die Strahlung berechnet. Sie vereint Quantenphysik und allgemeine Relativitätstheorie.“
— Ulf Leonhardt, Weizmann-Institut
Hawking-Strahlung lebt dort, wo große Theorien streiten. Die Allgemeine Relativitätstheorie mag eine glatte, kontinuierliche Raumzeit. Die Quantenmechanik besteht auf abgehackten, diskreten Sprüngen. Sie hassen einander. Niemand hat sie vollständig in Einklang gebracht.
Dieser Konflikt ist der Grund, warum die Strahlung so schwer fassbar ist. Astronomen finden es nicht. Immer. Es ist zu schwach, um es vom kosmischen Rauschen zu unterscheiden. Also haben wir Analoga gebaut. Wasser fließt. Ultrakalte Atome. Jetzt hell.
Das Ziel bleibt dasselbe. Machen Sie die Mathematik nach. Erstelle den Horizont neu.
Wie stoppt man das Licht? Sie sorgen dafür, dass sich das Medium schneller bewegt als das Licht selbst.
Leonhardt beschreibt es als einen Schwimmer, der gegen eine Strömung kämpft. Der Strom gewinnt. Der Schwimmer gerät an einen Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt. Das ist der Ereignishorizont. Im Weltraum fällt die Raumzeit selbst schneller nach innen als $c$. Im Labor erzeugt Licht das bewegte Medium.
Durch die nichtlineare Optik verhält sich Licht wie ein Material. Die Forscher feuerten einen intensiven Pumpimpuls in die Faser. Eine photonische Kristallstruktur. Das Glas wurde mit Luftkanälen versehen, um die Geschwindigkeit einzustellen.
Der Pumpimpuls erzeugte eine Beule im Glas. Eine bewegliche Barriere. Es raste effektiv mit Lichtgeschwindigkeit vorwärts.
Dann verfolgte ihn ein schwächerer Sondenimpuls. Die Sonde traf die Barriere. Es konnte nicht mithalten.
Es bildete sich der künstliche Horizont.
Die Hawking-Theorie besagt, dass sich Teilchen paarweise bilden. Einer entkommt. Der andere fällt hinein. In echten Schwarzen Löchern hat der innere Partner „negative Energie“, die ihm Masse entzieht.
In der Faser zeigte sich der Partner im ultravioletten Spektrum.
„Wir haben Photonen gezählt … etwa 233 Nanometer. Das war das Signal.“
— Leonhardt
Hier ist die Überraschung. Die meisten Leute gingen von einer Kaskade aus. Schritt-für-Schritt-Konvertierungen. Eine Form in die andere, bis die Strahlung entstand. Unordentlich. Indirekt.
Das Team stellte fest, dass es mit einem einzigen sauberen Schuss passierte. Direkte Interaktion. Pumpe trifft auf Sonde. Hawking-Paar erscheint. Sofort. Einfach.
Noch einfacher war die Rückreaktion.
Energie zu erzeugen kostet etwas. Die Quelle muss zurückschrecken. Echte Schwarze Löcher verdampfen im Laufe von Äonen und verlieren dabei nach und nach an Masse. Schwarze Löcher im Labor sollten ein wenig an heller Farbe verlieren.
Es ist passiert. Der Pumpimpuls hat sich verschoben. Nur ein Bruchteil. Ein einseitiges Spektralmuster. Ein Fingerabdruck.
Frühere Experimente haben es verfehlt. Dies hier nicht.
Warum ist das über einen coolen Trick hinaus wichtig?
Es befasst sich mit dem transplanckschen Albtraum.
Verfolgen Sie die Hawking-Strahlung bis zu ihrer Geburt. Die Mathematik erfordert Wellen, die kleiner als die Planck-Länge sind. Da ergeben Raum und Zeit keinen Sinn mehr. Wo die bekannte Physik stirbt. Wenn die Grundlage nicht existiert, warum sollte die Vorhersage dann gelten?
„Jedes austretende Licht wird enorm gedehnt“, bemerkte Leonhardt. „Es kommt aus Maßstäben, in denen die Physik unbekannt ist.“
Das Experiment beantwortete den Zweifel.
Das Leuchten blieb perfekt thermisch. Sogar aus der Leere der Sub-Planck-Skala.
Was kommt als nächstes? Der heute verwendete Laser ist klassisch. Es ahmt das Spektrum nach. Aber nicht die Quantenverrücktheit.
Sie planen, als nächstes auf Vollquantum umzusteigen. Jagd nach Verstrickungen. Die gespenstische Verbindung zwischen dem entweichenden Photon und seinem verlorenen Partner am Horizont.
Es würde den Deal besiegeln.
Oder würde es.
