Schwarze Löcher gehören zu den mysteriösesten Objekten des Universums: Mit ihrer enormen Dichte krümmen sie die Raumzeit so stark, dass ihnen ab einer bestimmten Distanz nicht einmal mehr Licht entfliehen kann. Seltsamerweise sollen Schwarze Löcher sogar Information zerstören – das belegen zumindest die zugrunde liegenden Gleichungen, welche die kosmischen Gebilde beschreiben. Das heißt, man kann an einem Schwarzen Loch nicht ablesen, welche Art von Materie es in seinem Innern birgt. Das widerspricht jedoch der Vorhersage der Quantenmechanik, wonach Information in unserem Universum nicht verloren geht. Dieses »Informationsparadoxon« beschäftigt die Fachwelt schon seit Jahrzehnten.

Es zu lösen, ist allerdings extrem schwierig. Schwarze Löcher sind weit von uns entfernt und lassen sich nicht direkt untersuchen. Daher fertigen Fachleute in Laboren Analoga an: Sie präparieren Systeme aus Atomen, Wasser oder Licht so, dass sie sich in Teilen wie ein Schwarzes Loch verhalten. Gewisse Bestandteile der Systeme folgen denselben Gleichungen, mit denen wir Schwarze Löcher beschreiben.

Mit einem solchen Analogon aus Licht hat ein Forschungsteam um den Physiker Ulf Leonhardt vom Weizmann-Institut in Israel die Entstehung der Hawking-Strahlung genau untersucht – und dabei ein unerwartetes Ergebnis erhalten. Schwarze Löcher könnten demnach deutlich einfacher mit ihrem Gravitationsfeld wechselwirken als bisher angenommen. Das könnte ein entscheidender Schritt hin zu einem besseren Verständnis des Informationsparadoxons sein.

Punkt ohne Wiederkehr

Als Stephen Hawking in den 1970er-Jahren Schwarze Löcher mathematisch untersuchte, stellte er fest, dass sie mit der Zeit verdampfen müssen. Denn die kosmischen Gebilde besitzen einen Ereignishorizont – einen »Point of no return«. Nähert man sich dem Schwarzen Loch bis dorthin, ist man vom Rest der Raumzeit abgeschirmt. Denn ab diesem Punkt können nicht einmal mehr Lichtstrahlen der Gravitation des Schwarzen Lochs entfliehen, es dringen keine Signale mehr nach außen. Ein Ereignishorizont stellt also einen regelrechten Bruch in der Raumzeit dar.

Anschaulich ausgedrückt erkannte Hawking, dass am Ereignishorizont Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen, die sich sogleich wieder vernichten müssten. Doch der Ereignishorizont trennt die Partnerteilchen voneinander. Von außen betrachtet entsteht gewissermaßen ein Teilchen aus dem Nichts. Es müsste daher so wirken, als würde das Schwarze Loch Teilchen abstrahlen. Das ist inzwischen als Hawking-Strahlung bekannt. 

»Es handelt sich hierbei nicht nur um eine Analogie, sondern um eine exakte mathematische Äquivalenz«Ulf Leonhardt et al.

Doch selbst ein Schwarzes Loch muss das Gesetz der Energieerhaltung erfüllen. Als Ausgleich für die ausgesandten Teilchen beeinflusst die Hawking-Strahlung das Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs und schwächt es ab. Es verliert also an Masse.

So lautet zumindest die Theorie. Bislang besitzen wir nicht die technischen Möglichkeiten, um die Hawking-Strahlung eines Schwarzen Lochs zu untersuchen. Doch viele Fachleute sind überzeugt, dass der genaue Entstehungsprozess der Strahlung und ihr Einfluss auf das Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs wertvolle Hinweise zur Lösung des Informationsparadoxons liefern könnten.

Hawking-Strahlung in Glasfaserkabeln

Leonhardt und sein Team haben sich mit optischen Analoga befasst. Hierfür nutzten sie Glasfaserkabel. Durch verschiedene Lichtpulse modulierten sie die Kabel so, dass die betreffenden Gleichungen, welche die Wellenausbreitung in dem System beschreiben, jenen eines Ereignishorizonts entsprechen. »Es handelt sich hierbei nicht nur um eine Analogie, sondern um eine exakte mathematische Äquivalenz«, schreiben die Forschenden in ihrem Aufsatz, denn die Ausbreitungsgleichung für Wellen entspreche in diesem Aufbau gerade der Wellengleichung der allgemeinen Relativitätstheorie.

Einen solchen Ereignishorizont samt Hawking-Strahlung hatten die Fachleute bereits 2019 in ihrem Labor erzeugt. Nun wollten sie den Prozess rund um die Entstehung der Strahlung genauer untersuchen. »Bislang ging man davon aus, dass die Hawking-Strahlung aus einem komplizierten, kaskadenartigen Prozess entsteht«, schreiben sie in ihrer Veröffentlichung – diese Annahme gelte sowohl für optische Analoga als auch für das kosmische Original. Demnach würden verschiedene quantenmechanische Prozesse ineinandergreifen, um die Strahlung zu erzeugen.

Doch in ihrer Umsetzung zeigte sich ein anderes Bild. In der Modellierung identifizieren die Forschenden einen einfachen optischen Wechselwirkungsterm, der positive und negative Frequenzmoden direkt koppelt. Im übertragenen Bild bedeutet das: Die Hawking-Strahlung entsteht direkt durch das simulierte Gravitationsfeld. 

Die Forschenden widmeten sich anschließend der Rückkopplung dieses Effekts: Wie beeinflusst die Hawking-Strahlung ihrerseits das gravitative Feld des Schwarzen Lochs? Auch hier fiel das Ergebnis deutlich einfacher aus als erwartet. »Wir haben einen einfachen, direkten Prozess mathematisch identifiziert und experimentell beobachtet, wie dieser auf das Feld zurückwirkt«, schreiben die Fachleute.

Eventuell sind also nicht viele komplizierte mehrstufige Prozesse an der Entstehung der Hawking-Strahlung beteiligt, wie zuvor angenommen. Die Ergebnisse sind zwar bislang nur für die optischen Analoga von Schwarzen Löchern bestätigt, aber die Fachleute argumentieren in ihrer Arbeit, es gebe Hinweise darauf, dass die reale Hawking-Strahlung auf gleiche Weise entstehen könnte. »Das könnte Aufschluss über das Informationsparadoxon geben, ein Problem, mit dem sich Hawking bis zu seiner allerletzten Veröffentlichung aus dem Jahr 2018 auseinandergesetzt hat«, schließen Leonhardt und sein Team ihr Paper.