In het lab gemaakte zwarte gaten vertonen tekenen van quantumverstrengeling

Er is maar één manier om zwarte gaten van dichtbij te bekijken: maak een kopie in het lab. Een natuurkundige claimt dat hij zijn model zwarte gat, dat geluid opslokt in plaats van licht, heeft betrapt op het uitzenden van verstrengelde quantumdeeltjes. Dit zou een doorbraak zijn in het onderzoek naar de exotische natuurkunde achter deze vreemde objecten. Toch is niet iedereen ervan overtuigd dat dit namaak zwarte gat echt is.

zwart gatZwarte gaten zijn extreem dichte overblijfselen van overleden sterren. Ze zijn zwart omdat hun zwaartekracht zo sterk is dat niets, zelfs licht niet, kan ontsnappen uit hun klauwen. Het punt vanaf waar ontsnappen niet meer mogelijk is heet de waarnemingshorizon. Nu blijkt dat vreemde grillen in de quantummechanica suggereren dat zwarte gaten niet helemaal zwart zijn.

In 1974 voorspelde Stephen Hawking dat waarnemingshorizonnen een vage gloed uitzenden. Volgens de quantummechanica hebben alle deeltjes een tegenhanger die bestaat uit antimaterie en kunnen deze paren af en toe spontaan ontstaan alvorens ze weer samensmelten tot niets. Echter, als de paren op de rand van een zwart gat ontstaan, kunnen ze uit elkaar getrokken worden: als één van de twee zich net buiten de klauwen van het zwarte gat bevindt, dan kan hij ontsnappen terwijl zijn tegenhanger over de waarnemingshorizon getrokken wordt. In theorie kunnen we het ontsnapte deeltje zien als hawkingstraling.

Helaas is dit signaal te zwak om waar te nemen bij echte zwarte gaten. Om het toch te kunnen testen hebben wetenschappers kunstmatige, miniatuurversies gemaakt waarbij geluid de rol speelt van licht.

Hawkingstraling

Bill Unruh, van de universiteit van British Columbia in Canada was één van de eerste die voorstelde deze zwarte gaten te maken. De berekeningen die hij in 1981 deed toonde aan dat deze namaaksels waarschijnlijk ook straling, analoog aan hawkingstraling, uitzenden vanaf hun waarnemingshorizon.

Nu claimt Jeff Steinhauer van het technische instituut Technion-Israel in Haifa, dat hij hawkingstraling afkomstig van quantumverstrengelde deeltjes heeft gezien bij de waarnemingshorizon van zijn sonische zwarte gat. Deze verstrengeling is de sleutel naar een deel van Hawkings theorie. Natuurkundigen zijn het nog steeds niet eens over de gevolgen hiervan voor echte zwarte gaten.

Jeff Steinhauer maakt zwarte gaten in zijn lab. Foto: Nitzan Zohar, Technion Spokesperson's Office
Jeff Steinhauer maakt zwarte gaten in zijn lab. Foto: Nitzan Zohar, Technion Spokesperson’s Office

Steinhauer maakte zijn sonische zwarte gaten met behulp van een quantumtoestand van een supergekoelde vloeistof, genaamd Bose-Einsteincondensaat. De vloeistof stroomt door een buis waarin lasers ervoor zorgen dat de stroom zich in twee verschillende energietoestanden bevindt, zo ontstaat een soort waterval. Atomen bereiken supersonische snelheden als ze over de rand stromen. Dit staat model voor een waarnemingshorizon.

Om spontane hawkingstraling te kunnen meten, observeert hij paren geluidsdeeltjes (fononen) die opduiken in de buurt van de horizon, net als volgens Hawking vlakbij echt zwarte gaten gebeurt. Vervolgens nam hij foto’s terwijl hij de brekingsindex in de vloeistof mat (deze methode wordt vaak gebruikt om een beeld te krijgen van golven). Op die manier kon hij een geluidsdeeltje en diens partner volgen terwijl ze naar de waarnemingshorizon bewogen. Hij herhaalde het experiment 4600 keer gedurende zes dagen.

Toen hij de foto’s bekeek, viel hem een donkere band op die te zien was aan beide kanten van de waarnemingshorizon. Volgens Steinhauer is dit bewijs dat twee verschillende deeltjes zich op exact dezelfde tijd voortbewogen, ondanks dat ze door de waarnemingshorizon gescheiden waren. Deze toevallige samenkomst suggereert dat het opgeslokte deeltje verstrengeld is met het vrije deeltje. Dit is een duidelijk teken van hawkingstraling, zegt Steinhauer.

‘Dit werk verifieert Hawkings berekeningen en toont aan dat we ze kunnen toepassen in zowel het astrofysische scenario als in het analoge geval.’ zegt hij.

Anderen complimenteren zijn werk, maar zijn nog niet overtuigd.

Essentieel kenmerk

Daniele Faccio van de Heriot-Watt universiteit in Edinburgh maakte eerder al een model voor een zwarte gat met behulp van glasvezel. Hij zegt dat het aantonen van verstrengeling het lastigste gedeelte is van het experiment. Daarvoor moeten aannames over de data worden gedaan die nog verder getest dienen te worden, zegt hij.

‘Maar als het waar is, dan is verstrengeling inderdaad een essentieel quantumkenmerk van hawkingstraling,’ zegt hij.

Ook Unruh vraagt om onafhankelijke bewijzen. ‘Grootse resultaten vragen om krachtig bewijs,’ zegt hij. ‘Ik beschouw dit in elk geval als een mooi experiment. Het is iets waar mensen al tien jaar over nadenken, maar hij is de eerste die het uitvoert. Dat hij een verband ziet tussen de twee soorten straling bij de horizon, of het nou verstrengeld is of niet, is echt een primeur.’

Er zijn een paar kanttekeningen. Het sonische zwarte gat gebruikt geluid in plaats van licht, dus de deeltjesstromen in het experiment verschillen erg van die op de rand van een echt zwart gat, waar zwaartekracht de ruimte-tijd kromtrekt.

‘Ik denk niet dat iemand claims kan maken over het bestaan van deze straling in de astrofysica,’ zegt Faccio, maar aangezien we een echt zwart gat niet kunnen bezoeken, is dit schaalmodel het beste alternatief. ‘Omdat er nog veel is dat we niet weten en er geen experimenten zijn, moeten deze analogieën verder ontwikkeld worden’, zegt hij.

Steinhauer plant nu een onderzoek naar de verandering van de straling in de tijd. Hij hoopt met deze modellen licht te schijnen op de vreemde natuurkunde van de meest exotische objecten van de kosmos.

‘Zwarte gaten zijn belangrijk voor meer dan ons begrip over zwarte gaten. Ze zijn belangrijk voor het onderzoek naar nieuwe natuurkunde,’ zegt hij.

Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.

Lees verder:

Over de auteur

Rebecca Boyle



1 Reactie

  • Daan

    | Beantwoorden

    Dit is eigenlijk nog nietszeggend. Iets wat in het klein gebeurd hoeft niet per definitie ook in het groot te gebeuren. Er is (ook) bekend dat kleine en grote zwarte gaten anders zijn van die dode sterren. Een quarks reageert helemaal anders dan een ster. Daarom is ook niet met zekerheid te zeggen dat dit schaalmodel klopt.

    Dat er op die schaal kwantumverstrengeling is waargenomen lijkt mij niet onmogelijk. Maar een direct verband met de Hawkingstraling is wel gedurfd. Het is goed dat dit wordt bekeken en misschien komt hier nog handige theorie uit voort.

    Verder lijkt me dat het kunnen controleren van dit ‘zwarte gaten’ veel potentie heeft voor allerhande toepassingen in de toekomst. Dus niet alleen de natuurkunde zelf.
    En als dit experiment echt klopt dan zou kwantumverstrengeling in vloeistoffen ook niet onmogelijk moeten zijn. De vraag is wel of dit dan nog zo mag heten.

    Het kan zelfs zo zijn dat de hele natuurkunde opnieuw opgebouwd moet worden om zwarte gaten te doorgronden. Een verkeerde basis kan ons in de problemen hebben gebracht met het leren begrijpen van alle natuurkunde die nog niet bekend is.

Plaats een reactie