Het begon met een vezel. Gewoon een dun stukje glas. En er kwam een gloed van een zwart gat tevoorschijn die feitelijk terugduwt.
Decennia lang is de beroemde voorspelling van Stephen Hawking precies dat gebleven: een voorspelling. We hebben zijn straling niet zien lekken van de werkelijke monsters in de lucht. Het licht is te zwak, de afstanden te groot. Dus een team natuurkundigen werd creatief. Ze haalden het effect uit een fotonische kristalvezel op een laboratoriumbank. En voor het eerst zagen ze hoe het licht reageerde op zijn bron.
“Jacob Bekenstein voorspelde dat zwarte gaten temperatuur hebben. Hawking berekende de straling. Het brengt kwantumfysica en algemene relativiteit samen.”
— Ulf Leonhardt, Weizmann Instituut
Hawking-straling leeft waar grote theorieën strijden. De algemene relativiteitstheorie houdt van vloeiende, continue ruimtetijd. De kwantummechanica dringt aan op schokkerige, discrete sprongen. Ze haten elkaar. Niemand heeft ze volledig met elkaar verzoend.
Dit conflict is de reden waarom de straling zo ongrijpbaar is. Astronomen vinden het niet. Ooit. Het is te zwak om te scheiden van kosmisch geluid. Dus hebben we analogen gebouwd. Water stroomt. Ultrakoude atomen. Nu licht.
Het doel blijft hetzelfde. Boots de wiskunde na. Creëer de horizon opnieuw.
Hoe stop je licht? Je laat het medium sneller bewegen dan het licht zelf.
Leonhardt beschrijft het als een zwemmer die tegen een stroming vecht. De huidige wint. De zwemmer wordt voorbij een point of no return geveegd. Dat is de gebeurtenishorizon. In de ruimte valt de ruimtetijd zelf sneller naar binnen dan $c$. In het laboratorium creëert licht het bewegende medium.
Niet-lineaire optica zorgt ervoor dat licht zich als een materiaal gedraagt. De onderzoekers vuurden een intense pomppuls af op de vezel. Een fotonische kristalstructuur. Het voorzag het glas van luchtkanalen om de snelheid af te stemmen.
De pomppuls veroorzaakte een bobbel in het glas. Een bewegende barrière. Het vloog effectief vooruit met de snelheid van het licht.
Toen achtervolgde een zwakkere sondepuls het. De sonde raakte de barrière. Het kon het niet bijhouden.
De kunstmatige horizon vormde zich.
De Hawking-theorie zegt dat deeltjes zich in paren vormen. Eén ontsnapt. De andere valt erin. In echte zwarte gaten heeft de innerlijke partner ‘negatieve energie’, die massa afvoert.
In de vezel verscheen de partner in het ultraviolette spectrum.
“We telden fotonen… ongeveer 233 nanometer. Dat was het signaal.”
— Leonhardt
Hier is de verrassing. De meeste mensen gingen uit van een cascade. Stap voor stap conversies. De ene vorm ging over in de andere totdat de straling tevoorschijn kwam. Rommelig. Indirect.
Het team ontdekte dat dit in één keer gebeurt. Directe interactie. Pomp ontmoet sonde. Hawking-paar verschijnt. Onmiddellijk. Eenvoudig.
Nog eenvoudiger was de terugreactie.
Energie opwekken kost wat. De bron moet terugdeinzen. Echte zwarte gaten verdampen in de loop van de tijd en verliezen beetje bij beetje massa. Zwarte gaten in het laboratorium zouden een klein beetje lichtkleur moeten verliezen.
Het gebeurde. De pomppuls verschoof. Slechts een fractie. Een scheef spectraal patroon. Een vingerafdruk.
Eerdere experimenten misten dit. Deze niet.
Waarom is dit belangrijker dan een coole truc?
Het gaat in op de trans-Planckiaanse nachtmerrie.
Volg de Hawking-straling tot aan de geboorte. De wiskunde vereist golven die kleiner zijn dan de Planck-lengte. Dat is waar ruimte en tijd geen betekenis meer hebben. Waar de bekende natuurkunde sterft. Als de basis niet bestaat, waarom zou de voorspelling dan standhouden?
“Elk licht dat ontsnapt, wordt enorm uitgerekt”, merkte Leonhardt op. “Het komt van schalen waar de natuurkunde onbekend is.”
Het experiment beantwoordde de twijfel.
De gloed bleef perfect thermisch. Zelfs vanuit de leegte van de sub-Planck-schaal.
Wat nu? De laser die tegenwoordig wordt gebruikt, is klassiek. Het bootst het spectrum na. Maar niet de kwantumvreemdheid.
Ze zijn van plan om vervolgens volledig kwantum te gaan gebruiken. Op jacht naar verstrengeling. De spookachtige band tussen het ontsnappende foton en zijn verloren partner binnen de horizon.
Het zou de deal bezegelen.
Of zou het.
