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Laserlicht kann Wellendynamik an Ereignishorizonten Schwarzer Löcher simulieren
Schwarze Löcher im Labor? In einem Experiment mit ultrakalten Lithiumatomen haben sich Materiewellen so verhalten, wie es Modelle für Wellen an Ereignishorizonten vorhersagen. Ein schwingender Spiegel aus Laserlicht konzentriert die zunächst verteilten Atome auf eine enge Bahn. Das eröffnet neue Möglichkeiten, extreme Wellenphänomene unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.
Santa Barbara (U.S.A.). Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs markiert eine Grenze, jenseits derer Licht nicht mehr nach außen entkommen kann. Eine solche Grenze ist im Weltall kaum experimentell zu untersuchen, weil ihre Bedingungen nicht gezielt verändert werden können. Doch ein Teil der zugrunde liegenden Wellendynamik lässt sich in anderen physikalischen Systemen nachbilden.
Ein möglicher Weg führt über optische Resonatoren, in denen Licht zwischen zwei Spiegeln hin und her läuft. Wenn ein Spiegel im richtigen Takt schwingt, soll sich die Wellenenergie laut Theorie auf kurze, intensive Pulse konzentrieren. Mit gewöhnlichen Spiegeln wäre dafür jedoch eine extrem starke Beschleunigung nötig, die im Labor bislang nicht erreichbar ist.
Forscher der University of California, Santa Barbara (UCSB) um Prof. David M. Weld haben diese Hürde nun mit einem Trick umgangen. Statt Licht zwischen festen Spiegeln einzusperren, ließen sie Materiewellen aus nahezu auf den absoluten Nullpunkt abgekühlten Lithium-7-Atomen zwischen zwei Barrieren aus Laserlicht hin und her laufen. Die Lichtbarrieren wirken für die Atome wie Spiegel, ohne selbst massive Körper zu sein.
Die Atome befanden sich in einem optischen Gitter, das ihnen eine annähernd lichtähnliche Wellenausbreitung verlieh. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit lag allerdings unter einem Meter pro Sekunde. Dadurch reichte es aus, eine der Lichtbarrieren etwa 100-mal pro Sekunde hin und her zu bewegen, um das Verhalten eines extrem schnell angetriebenen optischen Resonators nachzuahmen.
Ohne bewegten Spiegel verteilten sich die Materiewellen über den gesamten Resonator. Sobald die Lichtbarriere im Resonanzrhythmus schwang, verdichteten sich die Atome dagegen innerhalb weniger Zyklen zu einem schmalen, periodisch wandernden Paket. Unabhängig von ihren Startpositionen näherten sich die Wellen dabei immer derselben stabilen Bahn.
Gleichzeitig entfernten sie sich von einer zweiten, instabilen Bahn. Aus der Abfolge der Messbilder ergibt sich damit ein gerichteter Transport, der mathematisch an die Einbahnstraßen eines Ereignishorizonts erinnert. Im theoretischen Modell entspricht die instabile Bahn dem Horizont eines Schwarzen Lochs, die stabile dem eines hypothetischen Weißen Lochs, in das von außen nichts eindringen kann.
Bei annähernd doppelter Schwingungsfrequenz entstanden sogar zwei gebündelte Materiewellen statt einer. Indem das Team die Schwingungsphase des bewegten Lichtspiegels abrupt veränderte, vertauschte es zudem stabile und instabile Bahnen. Das Atompaket kehrte daraufhin seine Bewegungsrichtung um und näherte sich seinem Ausgangszustand.
Das Experiment erzeugt weder ein echtes Schwarzes Loch noch dessen Raumzeitkrümmung. Es bestätigt vielmehr eine theoretisch vorhergesagte Bewegung von Wellen in einem stark angetriebenen Resonator. Außerdem zeigten sich zusätzliche schwache Bahnen, die das vereinfachte Lichtmodell nicht erfasst, weil die Materiewellen nicht bei allen Bewegungszuständen gleich schnell sind.
Der Aufbau liefert damit eine neue Möglichkeit, extreme Wellenprozesse zu untersuchen, die mit gewöhnlichen Spiegeln kaum erreichbar wären. Auch Anwendungen zur Bündelung und anschließenden Entzerrung optischer Signale erscheinen denkbar. Dafür müssten vergleichbare Effekte allerdings erst in geeigneten technischen Materialien verwirklicht werden.