Die extremsten Objekte im Universum sind Schwarze Löcher, die auf so engem Raum so dicht gepackt sind, dass nichts, nicht einmal Licht, ihrer Anziehungskraft entkommen kann, wenn es nahe genug kommt. Das Verständnis von Schwarzen Löchern ist der Schlüssel zur Entschlüsselung der grundlegendsten Gesetze, die den Kosmos regieren, da sie die Grenzen von zwei der am besten getesteten Theorien der Physik darstellen: der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als Ergebnis der (großflächigen) Verkrümmung des Weltraums beschreibt -Zeit durch massive Objekte und die Theorie der Quantenmechanik, die die Physik auf kleinsten Längenskalen beschreibt.
Um Schwarze Löcher vollständig zu beschreiben, müssen diese beiden Theorien zu einer Theorie der Quantengravitation zusammengefügt werden. Strahlende Schwarze Löcher
Um dieses Ziel zu erreichen, sollten wir uns ansehen, was es schafft, schwarzen Löchern zu entkommen, und nicht, was aufgenommen wird. Der Ereignishorizont ist eine schwer fassbare Grenze um jedes Schwarze Loch, hinter der es keinen Ausweg gibt. Stephen Hawking machte jedoch die berühmte Entdeckung, dass jedes Schwarze Loch aufgrund kleiner Quantenfluktuationen um seinen Horizont eine kleine Menge Wärmestrahlung abgeben muss. Leider wurde diese Strahlung nie direkt nachgewiesen. Es wird vorhergesagt, dass die Menge an Hawking-Strahlung, die von jedem Schwarzen Loch emittiert wird, so gering ist, dass es (mit der derzeitigen Technologie) unmöglich ist, die Strahlung von allen anderen kosmischen Objekten zu erfassen.
Können wir alternativ den Mechanismus untersuchen, der der Entstehung von Hawking-Strahlung hier auf der Erde zugrunde liegt? Das haben Forscher der Universität Amsterdam und des IFW Dresden untersucht. Und die Antwort ist ein spannendes „Ja“. Schwarze Löcher im Labor
„Wir wollten die leistungsstarken Werkzeuge der Physik der kondensierten Materie nutzen, um die unerreichbare Physik dieser unglaublichen Objekte zu erforschen: Schwarze Löcher“, sagt die Autorin Lotte Mertens. Dazu untersuchten die Forscher ein Modell, das auf einer eindimensionalen Kette von Atomen basiert, in der Elektronen von einem Atomort zum anderen „springen“ können. Die Verzerrung der Raumzeit aufgrund des Vorhandenseins eines Schwarzen Lochs wird nachgeahmt, indem eingestellt wird, wie leicht Elektronen zwischen den einzelnen Orten springen können.
Mit der richtigen Variation der Sprungwahrscheinlichkeit entlang der Kette verhält sich ein Elektron, das sich von einem Ende der Kette zum anderen bewegt, genau wie ein Stück Materie, das sich dem Horizont eines Schwarzen Lochs nähert. Und analog zur Hawking-Strahlung hat das Modellsystem messbare thermische Anregungen in Gegenwart eines synthetischen Horizonts. Lernen durch Analogie
Trotz des Mangels an tatsächlicher Gravitation im Modellsystem liefert die Berücksichtigung dieses synthetischen Horizonts wichtige Einblicke in die Physik von Schwarzen Löchern. Beispielsweise legt die Tatsache, dass die simulierte Hawking-Strahlung nur für eine bestimmte Wahl der räumlichen Variation der Sprungwahrscheinlichkeit thermisch ist (was bedeutet, dass das System eine feste Temperatur zu haben scheint), nahe, dass die echte Hawking-Strahlung in bestimmten Situationen auch nur rein thermisch sein kann . Darüber hinaus tritt die Hawking-Strahlung nur dann auf, wenn das Modellsystem ohne räumliche Variation von Sprungwahrscheinlichkeiten beginnt und eine flache Raumzeit ohne Horizont simuliert, bevor es sich in ein System verwandelt, das ein synthetisches Schwarzes Loch beherbergt. Die Entstehung von Hawking-Strahlung erfordert daher eine Änderung der Krümmung der Raumzeit oder eine Änderung der Wahrnehmung dieser Krümmung durch einen Beobachter, der nach der Strahlung sucht.
Schließlich erfordert die Hawking-Strahlung, dass ein Teil der Kette jenseits des synthetischen Horizonts existiert. Das bedeutet, dass die Existenz von Wärmestrahlung eng mit der quantenmechanischen Eigenschaft der Verschränkung zwischen Objekten auf beiden Seiten des Horizonts verbunden ist. Da das Modell so einfach ist, kann es in verschiedenen Versuchsaufbauten implementiert werden. Denken Sie an abstimmbare elektronische Systeme, Spinketten, ultrakalte Atome oder optische Experimente. Schwarze Löcher ins Labor zu bringen, kann uns dem Verständnis des Zusammenspiels zwischen Schwerkraft und Quantenmechanik und einer Theorie der Quantengravitation einen Schritt näher bringen. (ANI)
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