Verschränkte Hawking-Strahlung beobachtet

  • 15. August 2016

Bose-Einstein-Kondensat als akustisches schwarzes Loch.

Schwarze Löcher, aus deren Anziehungsbereich nicht einmal das Licht entrinnen kann, sind makroskopische Objekte, die eine Temperatur haben und somit thermische Strahlung abgeben müssen. Die Quanten­eigenschaften dieser Hawking-Strahlung haben Forscher jetzt an einem akustischen schwarzen Loch untersucht.

Abb.: Die gemessene Korrelation der Teilchendichten innerhalb und außerhalb des akustischen schwarzen Loches ermöglicht weitreichende Schlüsse. Die beiden grauen Streifen, ausgehend vom Horizont x=x‘=0, sind ein klares Indiz für die Hawking-Strahlung. (Bild: J Steinhauer)

Abb.: Die gemessene Korrelation der Teilchendichten innerhalb und außerhalb des akustischen schwarzen Loches ermöglicht weitreichende Schlüsse. Die beiden grauen Streifen, ausgehend vom Horizont x=x‘=0, sind ein klares Indiz für die Hawking-Strahlung. (Bild: J Steinhauer)

Während die klassischen Eigenschaften der schwarzen Löcher aus der Allgemeinen Relativitäts­theorie folgen und gut verstanden sind, werfen ihre Quanten­eigenschaften weiterhin viele Fragen auf, da es noch keine Theorie der Quantengravitation gibt, mit der sie sich berechnen ließen. Eines dieser ungelösten Probleme ist das Informations­paradoxon: die scheinbare Zerstörung von Information durch ein schwarzes Loch.

Fällt eines von zwei Teilchen, die in einem reinen, verschränkten Quanten­zustand sind, in ein Schwarzes Loch, so kann ein äußerer Beobachter nur noch auf das andere Teilchen zugreifen, das er durch einen gemischten Zustand beschreiben muss. Ist das Schwarze Loch schließlich durch Emission von thermischer Hawking-Strahlung restlos verdampft, so bleibt von den beiden Teilchen nur noch eines übrig. Aus dem ursprünglich reinen Zustand ist ein gemischter Zustand geworden, der weniger Information enthält als dieser.

Wo aber ist die Information geblieben? Ist sie mit der Hawking-Strahlung entwichen, die demnach doch nicht thermisch ist sondern mit dem übrig gebliebenen Teilchen verschränkt wäre? Hier wüsste man gerne mehr über die Eigenschaften der Hawking-Strahlung, die jedoch für die im Universum vorkommenden schwarzen Löcher viel zu schwach ist, als dass man sie direkt beobachten könnte. Hier helfen Labor­experimente mit künstlichen schwarzen Löchern weiter, wie sie Jeff Steinhauer am Technion in Haifa durchgeführt hat.

Er hatte vor zwei Jahren ein akustisches schwarzes Loch aus einem Bose-Einstein-Kondensat hergestellt, das wie ein relativistisches schwarzes Loch einen Ereignis­horizont besaß. Das Kondensat aus Rubidium-87-Atomen wurde von einem Laser­strahl festgehalten und hatte die Form eines dünnen Zylinders. Ein zweiter Laserstrahl, der quer zum ersten stand und gleichmäßig von rechts nach links entlang des Kondensats bewegt wurde, modulierte die Teilchen­dichte und die Ausbreitungs­geschwindigkeit der Schallwellen im Kondensat.

Die Schallwellen rechts vom bewegten Laserstrahl breiteten sich so langsam aus, dass sie diesen nicht erreichen konnten. Hingegen waren die Schall­wellen links vom Strahl schnell genug ihm zu entfliehen. Im mitbewegten Koordinaten­system markierte der Laserstrahl den Ereignis­horizont des schwarzen Loches. Durch Dichte­schwankungen im Kondensat entstanden paarweise Schall­quanten oder Phononen. Fiel eines der Quanten durch den Horizont, während ihm das andere entkommen konnte, so wurde dieses Phonon Teil der Hawking-Strahlung des akustischen schwarzen Loches.

In seinem neuen Experiment ist Jeff Steinhauer etwas gelungen, was an einem relativistischen schwarzen Loch einfach unmöglich ist: Er hat die Vorgänge innerhalb und außerhalb des akustischen schwarzen Loches miteinander verglichen. Indem er in langwierigen Experimenten minutiös die Teilchen­dichten rechts und links vom Ereignis­horizont maß und daraus die Dichte­korrelationen berechnete, konnte er einzigartige Informationen gewinnen.

Demnach entstand am Ereignishorizont des akustischen schwarzen Loches tatsächlich akustische Hawking-Strahlung, wobei die Phononen für sehr große oder sehr kleine Energien eine thermische Energie­verteilung hatten. Aus der Verteilung ließ sich eine Hawking-Temperatur von 1,2 Nanokelvin ermitteln. Die Phononen der Hawking-Strahlung und die Phononen innerhalb des Horizonts waren miteinander quanten­mechanisch verschränkt. Dabei war der Grad der Verschränkung für sehr energiereiche Phononen nahezu maximal, er nahm aber zu kleineren Energien hin stetig ab.

Jeff Steinhauer kommt zu dem Schluss, dass seine Messergebnisse Stephen Hawkings Berechnungen bestätigen. Die Beobachtung der Hawking-Strahlung und ihrer Verschränkung liefern einen wichtigen Beitrag zur Diskussion über den Informationsverlust in relativistischen schwarzen Löchern.

Rainer Scharf

DE

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