Wissenschaftler aus Princeton haben einen einzigartigen Mikrochip entwickelt, der die Struktur der Raumzeit in einem Schwarzen Loch oder einem zweidimensionalen Miniaturuniversum simulieren kann. Die ersten Ergebnisse von Experimenten mit diesem Gerät wurden in der Zeitschrift Nature vorgestellt.
„Gewöhnliche Computer können das Verhalten komplexer Quantenmaterialien und -systeme im Prinzip nicht berechnen. Wir haben versucht, ein Gerät zu entwickeln, mit dem die Natur diese Berechnungen für uns durchführen kann. Mit diesem Chip können wir darüber nachdenken, wie wir die Quantenmechanik in gekrümmte Räume „einbauen“können “, sagt Alicia Kollar von der Princeton University (USA). Regelmäßige und supermassereiche Schwarze Löcher haben eine so starke Schwerkraft, dass sie nicht überwunden werden können, ohne die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Außer dem Aufprall des Schwarzen Lochs, das als "Ereignishorizont" bezeichnet wird, können keine Objekte oder Strahlung entweichen. Was jenseits des Ereignishorizonts passiert, bleibt ein Rätsel und wird von Physikern kontrovers diskutiert. Die meisten Wissenschaftler glauben, dass wir im Prinzip nicht in ein Schwarzes Loch schauen und dessen Struktur untersuchen können.da dies zu äußerst unangenehmen Konsequenzen führen wird - in diesem Fall werden wir Einsteins Relativitätstheorie und Quantenmechanik nicht "in Einklang bringen" können.
Trotzdem existieren Schwarze Löcher, und ihr Verhalten und ihre Existenz müssen irgendwie erklärt werden. Vor relativ kurzer Zeit begannen Physiker zu glauben, dass Schwarze Löcher eigentlich keine dreidimensionalen, sondern zweidimensionale Objekte sind, eine Art kosmische "Hologramme".
Diese Theorie und die sie beschreibenden Gleichungen wurden Ende der neunziger Jahre von zwei bekannten Kosmologen aufgestellt - Juan Maldasena von der Princeton University und Gerard 't Hooft von der Utrecht University.
Sie schlugen vor, dass die Raumzeit in einem Schwarzen Loch nicht wie im umgebenden Universum "flach" ist, sondern eine konstante negative Krümmung aufweist. Einfach ausgedrückt, ähnelt es in der Geometrie einem Sattel oder einer umgekehrten Kugel und ist so konstruiert, dass seine "Kante", die innere Kante des Ereignishorizonts, von jedem Punkt innerhalb des Schwarzen Lochs gleichermaßen unendlich weit entfernt ist.
Wie Collard bemerkt, wurde das Testen dieser Theorie sowie anderer wissenschaftlicher Ideen, die den Lobatschewski-Raum verwenden, durch die Tatsache erschwert, dass das Verhalten von Partikeln und anderen Objekten in einem solchen Raum fast unmöglich zu berechnen war.
Wissenschaftler aus Princeton haben dieses Problem gelöst, indem sie die erste Art von "Schwarzlochsimulator" mit Miniatur-Mikrowellengeneratoren sowie einem speziellen Chip entwickelt haben, in den viele Supraleiter eingesetzt wurden.
Sie spielen nicht die Rolle von Drähten, sondern von Wellenleitern, entlang derer sich von Mikrowellenquellen erzeugte Lichtteilchen bewegen und indirekt miteinander interagieren können. Diese Wechselwirkungen verlangsamen entweder die Bewegung anderer Partikel oder beeinflussen sie auf andere Weise.
Collard und ihre Kollegen stellten fest, dass sich die Photonen in ihnen so verhalten, als ob sie sich in einem Schwarzen Loch oder einem anderen Raum befinden, wenn diese Wellenleiter in einem Gitter angeordnet sind, das einer Wabenstruktur ähnelt, die aus fünf, sechs oder Achtecken besteht negative Krümmung.
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Solche Chips werden, wie Wissenschaftler bemerken, nicht nur dazu beitragen, viele Geheimnisse von Schwarzen Löchern aufzudecken, einschließlich der Verdunstung ähnlicher Objekte unter dem Einfluss von Hawkings Studie, sondern auch viele Quantenberechnungen in Chemie, Physik und anderen Bereichen der Wissenschaft beschleunigen.
Dazu muss, wie der Physiker zugibt, der Betrieb der aktuellen Version des Chips geändert werden, damit die Photonen aktiver miteinander interagieren. Dies ist ein vollständig lösbares Problem, das die Forscher aus Princeton in naher Zukunft lösen wollen.
