Het kleine zwarte gat van een wetenschapper brengt de kosmos het laboratorium binnen


In zijn laboratorium in Israƫl maakt Jeff Steinhauer microscopische zwarte gaten. Deze objecten zijn slechts bescheiden vlekjes, zonder de spaghettificerende zuigkracht van een echte dode ster. Maar Steinhauer, een natuurkundige aan de onderzoeksuniversiteit Technion, verzekert me dat hij ze wiskundig op schaal heeft gebouwd. Zoom ver genoeg in en je ziet een miniatuurgebeurtenishorizon die het drama van een echt zwart gat herstelt.

Elk van deze kleine blobs bestaat uit 8.000 rubidiumatomen die Steinhauer tot bijna absoluut nul heeft afgekoeld en vervolgens met een laser rondzwierf. Collectief wegen de atomen ongeveer een duizendste van een enkele bacterie.

Bij een echt zwart gat is de zwaartekracht zo sterk dat als je eenmaal zijn horizon voorbij bent, zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Steinhauer's replica, technisch een Bose-Einstein-condensaat genoemd, heeft dezelfde eigenschap, maar dan voor geluidsgolven. Voorbij een grens in de blob kunnen geen sonische trillingen ontsnappen.

Jeff Steinhauer maakt kleine schaalmodellen van zwarte gaten in zijn laboratorium uit rubidiumatomen.Foto: JeffSteinhauer / Technion

Dit werk is een voorbeeld van een nieuw type wetenschappelijk experiment dat een kwantumsimulator wordt genoemd. Quantum-simulatoren zijn kleinschalige replica's van gecompliceerde natuurverschijnselen waarvan het gedrag voldoet aan de regels van de kwantummechanica. Het is het kwantumequivalent van het bouwen van een modelvliegtuig om te voorspellen hoe een echte jet zou vliegen, zegt natuurkundige Ignacio Cirac van het Max Planck Institute for Quantum Optics.

Steinhauer bijvoorbeeld leerde uit zijn kwantumreplica dat het sonische golven uitzond analoog aan de lichtgolven die echte zwarte gaten zouden moeten produceren, bekend als Hawking-straling. Omdat echte zwarte gaten zo moeilijk te bestuderen zijn en Hawking-straling zo zwak is, hadden onderzoekers de straling in de ruimte nooit waargenomen. Maar de geluidsgolven in de simulatie van Steinhauer boden dat idee enige ondersteuning.

In een ander experiment met koude atoomblokken, simuleerden natuurkundigen aan de Universiteit van Chicago een andere extreme omgeving – hoe het zou zijn als iemand versnelt tot miljarden g's. Theorie voorspelt dat een persoon die zo snel accelereert, in staat moet zijn om objecten te zien die licht uitzenden, de zogenaamde ongestoorde straling.

Het is onmogelijk om iemand zo veel te versnellen in het lab; ten eerste zouden ze bijna meteen tegen de muur botsen. Dus maakten de onderzoekers de loopbandversie van het scenario – alles blijft op zijn plaats, maar ze produceren de illusie dat het lab voorbij hun atoomblob versnelt. "Het is alsof we onszelf in een vluchtsimulator plaatsen", zegt natuurkundige Cheng Chin van de Universiteit van Chicago. "Je denkt dat je een jet bestuurt, maar je bent echt gewoon in het laboratorium."