Ein Team von Physikern der nordrhein-westfälischen Universität Paderborn und des israelischen Weizmann-Instituts für Wissenschaften in Rehovot hat einen bedeutenden Durchbruch in der experimentellen Physik erzielt. Wie in einer im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlichten Studie zu lesen ist, gelang es der Gruppe, die sogenannte Rückwirkung der Hawking-Strahlung in einem optischen System nachzuweisen. Diese direkte Bestätigung eines theoretischen Modells schlägt eine wichtige Brücke zwischen der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie.

Bislang galt dieses Phänomen als rein theoretisches Konstrukt, das in echten kosmischen Dimensionen nicht direkt gemessen werden kann. Die Wissenschaftler nutzten für ihr Experiment ein spezielles Glasfaserkabel und extrem kurze Laserpulse, um die Bedingungen an einem Ereignishorizont exakt zu simulieren. Die eingesetzte Anordnung erlaubt es, extrem komplexe physikalische Wechselwirkungen im Laborreagenzglas der Optik zu reproduzieren.

Ein schwarzes Loch aus Licht

Der theoretische Physiker Stephen Hawking postulierte bereits im Jahr 1974, dass Schwarze Löcher nicht vollständig schwarz sind, sondern eine thermische Strahlung an ihre Umgebung abgeben. Diese Abgabe führt nach den Gesetzen der Thermodynamik zu einem stetigen Energieverlust, wodurch das Schwarze Loch über unvorstellbar lange Zeiträume hinweg Masse einbüßt und schließlich völlig verdampft.

Genau dieser Mechanismus der Energieübertragung, in der Fachwelt als Rückwirkung bezeichnet, ließ sich bisher weder im All noch im Labor zweifelsfrei beobachten. Das Signal echter Schwarzer Löcher ist derart schwach, dass es von der allgegenwärtigen kosmischen Hintergrundstrahlung im Universum komplett überdeckt wird. Eine direkte Messung an astronomischen Objekten gilt daher auf absehbare Zeit als unmöglich.

Um dieses Problem der Beobachtbarkeit zu umgehen, griff das Team auf ein Analogmodell zurück, das bereits vor über einem Jahrzehnt von Mitautor Ulf Leonhardt konzipiert wurde. Dabei wandert ein intensiver Laserpuls als Pumppuls durch ein optisches Medium und verändert durch seine hohe Energie den Brechungsindex des Materials minimal. Dieser Vorgang basiert auf dem nichtlinearen optischen Kerr-Effekt, der in der Faseroptik ein bestens verstandenes Phänomen ist.

Für einen zweiten, hinterhergeschickten und schwächeren Sondenpuls wirkt diese Veränderung wie ein physikalisches Medium, das sich mit extrem hoher Geschwindigkeit durch die Glasfaser bewegt. Überschreitet diese scheinbare Geschwindigkeit die eigentliche Phasengeschwindigkeit des Lichts in der Faser, entsteht eine Barriere, die als optischer Ereignishorizont fungiert. An dieser Grenze kommt der Sondenpuls schlichtweg nicht mehr weiter.

Die direkte Beobachtung der Rückstoß-Energie

An exakt dieser künstlichen Grenze entstehen durch quantenphysikalische Prozesse Lichtwellen, die das optische Äquivalent zur Hawking-Strahlung bilden. Wenn diese neu erzeugte Strahlung Energie davonträgt, muss das verursachende System gemäß etablierten Erhaltungssätzen eine exakt äquivalente Menge an Energie abgeben. Genau diese Übertragung war der Kern der aktuellen Untersuchung.

Um das Prinzip zu veranschaulichen, bemüht laut Science Alert auch die Fachwelt gerne die Mechanik des dritten Newtonschen Lehrsatzes. Wer auf Rollschuhen steht und eine andere Person von sich wegstößt, rollt unweigerlich selbst nach hinten. Die Forscher suchten nach genau diesem winzigen Rückstoß im Spektrum des Laserlichts und fanden die entsprechende Energieabnahme tatsächlich in Form einer messbaren Verschiebung im ultravioletten Frequenzbereich.

„Unser Experiment und die zugrundeliegende Theorie zeigen, dass die Hawking-Strahlung das Ergebnis eines direkten Prozesses ist“, schreiben die Forscher in ihrer Publikation. Entgegen früheren Annahmen, die von hochkomplexen kaskadierenden Zwischenschritten ausgingen, erwies sich der Energietransfer als geradliniger und erstaunlich eleganter, geradezu simpler Mechanismus.

Grenzen der Laborsimulation

Trotz des ausgefeilten Versuchsaufbaus und der klaren Messergebnisse dürfen die Resultate nicht vollkommen unreflektiert auf den Kosmos übertragen werden. Ein optisches Analogmodell teilt zwar die mathematischen Wellengleichungen mit der Relativitätstheorie, es ersetzt aber keinesfalls die gravitative Realität eines massereichen Sternenrests im Vakuum des Weltraums. Es handelt sich um und bleibt eine Laborsimulation.

Ob astrophysikalische Schwarze Löcher tatsächlich durch einen exakt analogen, simplen Prozess ihre Energie in den Raum abgeben, bleibt mangels direkter Daten aus dem All ungewiss. Die Arbeit in der Faseroptik liefert zwar überzeugende Argumente für die fundamentale Natur der Hawking-Strahlung, sie stellt aber keinen unumstößlichen Beweis für die mikroskopischen Vorgänge an echten Ereignishorizonten dar.

Dennoch bietet diese Laborbeobachtung ein wichtiges Instrument für die weitere Erforschung der Quantengravitation. Die Methode könnte langfristig sogar dabei helfen, das berühmte Informationsparadoxon aufzulösen, an dem Stephen Hawking bis zur Publikation seines letzten Papiers intensiv forschte. Letztlich zeigt das Experiment sehr fundiert, wie kluge Optik fundamentale Fragen der Kosmologie greifbar macht.