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F.A.Z. v. 12.4.2000

Schwarze Löcher im Labor?

Strömungswirbel sollen Licht einfangen / Möglicher Nachweis der Hawking-Strahlung / Von Rainer Scharf

Unter den Astrophysikern ist es unstrittig, dass es im Universum zahllose Schwarze Löcher gibt. Diese kugelförmigen Objekte üben eine derart starke Schwerkraft auf ihre Umgebung aus, dass selbst das Licht nicht mehr entrinnen kann, wenn es ihnen einmal zu nahe gekommen ist. Sterne enden als Schwarze Löcher, wenn ihre Masse groß genug ist. Darüber hinaus lauern möglicherweise riesige Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien - etwa unserer Milchstraße -, die alles in ihrer Umgebung verschlingen. Die Wissenschaftler hatten sich bisher keine großen Hoffnungen gemacht, solch seltsame Objekte einmal aus nächster Nähe studieren zu können. Doch jetzt haben Forscher aus Schweden ein Verfahren vorgeschlagen, wie man völlig gefahrlos ein künstliches Schwarzes Loch im Labor herstellen könnte, an dem sich einige der rätselhaften Eigenschaften echter Schwarzer Löcher untersuchen lassen.

Das Verfahren beruht darauf, dass sich das Licht in strömenden Gasen oder Flüssigkeiten ähnlich ausbreitet wie in einem Gravitationsfeld. In beiden Fällen kann das Licht aus seiner anfänglichen Bewegungsrichtung abgelenkt werden. Ulf Leonhardt und Paul Piwnicki von der Königlichen Technischen Hochschule in Stockholm haben kürzlich gezeigt, dass die Ausbreitung von Licht in einem strömenden Gas durch dieselben Gleichungen beschrieben wird, wie sie in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie für Schwerefelder hergeleitet worden sind ("Physical Review Letters", Bd. 84, S. 822). Die "relativistischen" Effekte stellen sich im Gas allerdings nur ein, wenn dessen Strömungsgeschwindigkeit an die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes im Gas heranreicht oder sie gar übertrifft. Dies ist desto eher der Fall, je langsamer sich das Licht ausbreitet.

Im vergangenen Jahr war es Wissenschaftlern der Harvard Universität in Cambridge, Massachusetts, gelungen, Licht einer bestimmten Wellenlänge in extrem kalten Gasen so stark zu verlangsamen, dass es nur noch wenige Meter in der Sekunde vorankam (siehe F.A.Z. vom 3. März 1999). Möglicherweise lässt sich die Lichtgeschwindigkeit sogar auf wenige Zentimeter pro Sekunde verringern. Wenn sich das Licht so langsam ausbreitet, kann es selbst von einem gemächlich strömenden Gas mitgerissen werden.

Die Wissenschaftler in Schweden schlagen nun vor, ein Schwarzes Loch dadurch zu simulieren, dass man das Gas in wirbelnde Bewegung versetzt. Ihren Berechnungen zufolge wird das stark verlangsamte Licht von einem solchen Strömungswirbel eingefangen und festgehalten wie von einem Schwarzen Loch. Möglicherweise reicht aber die Wirbelbewegung des Gases allein nicht dazu aus, das Licht zu fangen. In diesem Fall könnte man das Gas samt dem sich darin ausbreitenden Licht mit großer Geschwindigkeit von einer Düse ansaugen lassen. Dadurch würde das Licht endgültig daran gehindert zu entkommen. Das auf diese Weise entstehende künstliche Schwarze Loch kann allerdings nur das Licht fangen, das die richtige Wellenlänge hat und vom Gas stark verlangsamt wird. Licht anderer Wellenlänge oder Materie wird von ihm nicht festgehalten.

Mit Hilfe eines solchen künstlichen Schwarzen Loches ließe sich eine Vorhersage überprüfen, die der britische Physiker Stephen Hawking vor 25 Jahren gemacht hatte: Schwarze Löcher sind nicht völlig schwarz, sondern leuchten an ihrer Oberfläche, wenn auch extrem schwach. Dies liegt daran, dass überall im Raum fortwährend Paare von Photonen entstehen und zumeist spurlos wieder vergehen, ohne dass dies mit den Gesetzen der Energieerhaltung in Konflikt steht. Wenn ein solches Photonenpaar zufällig genau an der Oberfläche eines Schwarzen Loches entsteht, dann kann es geschehen, dass das eine Photon auf Nimmerwiedersehen im Loch verschwindet, während das andere entweicht.

Bisher hielt man es für nahezu ausgeschlossen, diese so genannte Hawking-Strahlung direkt nachweisen zu können, weil sie viel zu schwach ist. Doch wenn Hawking mit seiner Vorhersage Recht hat, sollten auch künstliche Schwarze Löcher leuchten. Damit würde der Nachweis der Hawking-Strahlung in greifbare Nähe rücken. Die verschiedentlich geäußerte Hoffnung, mit künstlichen Schwarzen Löchern auch die noch völlig rätselhaften quantenphysikalischen Eigenschaften von Schwerefeldern untersuchen zu können, sind allerdings überzogen. Bei den Experimenten mit rotierenden oder strömenden Gasen wird ja nur die Bahn des Lichtes beeinflusst. Das Verhalten von Gravitationsfeldern, wie es von der Einstein'schen Gravitationstheorie beschrieben wird, können diese Experimente indes nicht nachbilden. Künstliche Schwarze Löcher sind eben doch kein vollwertiger Ersatz.
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