Schwarze Löcher gehören zu den faszinierendsten und geheimnisvollsten Objekten des Weltraums, die die bekannten physikalischen Gesetze an ihre Grenzen bringen. Deshalb sind sie auch immer wieder Untersuchungsgegenstand der theoretischen Physik. Einer der bekanntesten Physiker, der zu Schwarzen Löchern geforscht hat, war Stephen Hawking. Doch während einige seiner Überlegungen nach wie vor Theorie bleiben, ist es nun einem Team der Universität Paderborn und des israelischen Weizmann-Instituts gelungen, für eine seiner Ausführungen einen Beweis im Labor zu erbringen.
Dabei geht es um die sogenannte Hawking-Strahlung, über die der Physiker in den 70er-Jahren veröffentlichte. Vor Hawkings Berechnungen ging die Wissenschaft davon aus, dass die enorme Gravitation eines Schwarzen Lochs absolut ist, also eine Anziehungskraft darstellt, der nichts entkommen kann. Stephen Hawking berechnete jedoch, dass es sehr wohl Möglichkeiten gibt. Doch warum ist das überhaupt wichtig?
Um Schwarze Löcher wirken enorme Gravitationskräfte
Dafür wird der Begriff des Ereignishorizonts enorm wichtig. Darunter versteht man eine unsichtbare Grenze um ein Schwarzes Loch herum, ab der die Gravitation so stark ist, dass nicht einmal Licht ihr entkommen kann – deswegen werden die Objekte auch als Schwarze Löcher bezeichnet. Einem Gesetz der Quantenmechanik zufolge ist ein Vakuum niemals wirklich leer, was zur Folge hat, dass auch der Weltraum nicht komplett leer sein kann.
Stattdessen entstehen der Theorie zufolge auch dort permanent neue Teilchenpaare, die aus einem Teilchen und seinem Antiteilchen bestehen. Hawking hatte dann überlegt, was passiert, wenn ein solches virtuelles Teilchen exakt auf dem Ereignishorizont entstehen würde. Das hätte zur Folge, dass die beiden Teilchenpaare, die sich sonst wieder vernichten würden, auseinandergerissen werden. Ein Teil würde dann von der Gravitation des Schwarzen Lochs angezogen, das andere wiederum nicht.
Wie Schwarze Löcher langsam „verdampfen“
Es würde stattdessen in den Weltraum „entkommen“, wo es dann als Strahlung auftritt – das ist die sogenannte Hawking-Strahlung. Da das Universum jedoch den Gesetzen der Physik zufolge keine Energie verschenkt, bekommt das Teilchen, das in das Schwarze Loch gesogen wurde, eine negative Energie, die dann wiederum ein winziges bisschen der Energie des Schwarzen Loches entzieht.
Man spricht im Zusammenhang mit der Hawking-Strahlung deshalb auch davon, dass Schwarze Löcher langsam „verdampfen“, wenn sie nicht irgendwann neue Materie gewinnen, indem sie Sterne oder Gase verschlingen. Sie würden also irgendwann verschwinden.
Das ist wissenschaftlich vor allem deshalb so relevant, weil es Stephen Hawking gelungen ist, eine Brücke zwischen zwei Welten zu schlagen, die eigentlich nicht zusammengehören: der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie. Ein Nachweis dieser Theorie bedeutet, dass Schwarze Löcher nicht nur Materie verschlucken, sondern auch selbst eine schwache Strahlung aussenden.
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Labor-Experiment ahmt Hawking-Strahlung nach
Hawkings theoretische Überlegungen konnten nun im Labor mittels spezieller Glasfaserkabel und Laserimpulse bestätigt werden. Unter speziellen Bedingungen wurde dadurch ein künstlicher Ereignishorizont nachgebildet. Dabei zeigte sich, dass an dieser Barriere tatsächlich durch quantenmechanische Prozesse neue Lichtwellen entstehen; ein optisches Äquivalent zur Hawking-Strahlung.
Dabei zeigte sich zudem, dass der Prozess viel simpler und geradliniger ablief, als im Vorfeld angenommen worden war. Stattdessen entsteht die Strahlung durch ein direktes Wechselwirkungsmodell. Die jetzt gewonnenen Erkenntnisse könnten unter anderem dabei helfen, das Informationsparadoxon Schwarzer Löcher zu untersuchen.
Allerdings muss man mit Blick auf das aktuelle Experiment auch hervorheben, dass es unter Laborbedingungen stattgefunden hat und „nur“ ein optisches Modell ist. Das bedeutet, dass zwar dieselben mathematischen Grundvoraussetzungen bestehen. Es handelt sich aber eben nicht um eine Untersuchung eines echten Schwarzen Lochs mit der entsprechenden Gravitation.