Zwart gat in de labzaal

DE WEDDENSCHAP MARE 10, 13 november 2003

Wie: Prof.dr. Ana Achucarro, hoogleraar theoretische natuurkunde
Wedt dat: ‘Vóór 2010 wordt er een systeem gevonden waarmee in het lab zwarte gaten kunnen worden nagebootst, en vóór 2015 wordt daarmee Hawking-straling gedetecteerd.‘
Inzet: ‘Een paar flessen Rioja uit 2003. Het was een hete zomer, dus een goed wijnjaar.‘

‘Sinds een aantal jaar hebben kosmologen, die het heelal op grote schaal onderzoeken, nieuwe vrienden. Ze bleken een aantal theoretische problemen te delen met ‘gecondenseerde materie‘-onderzoekers, die de natuurkunde van vloeistoffen, vaste stoffen, en aanverwanten onderzoeken.

Bruno van Wayenburg

Eén van de gebieden waar wordt samengewerkt is het zoeken naar Hawking-straling, genoemd naar de bekende Britse natuurkundige Stephen Hawking. Die voorspelde midden jaren zeventig dat zwarte gaten, extreem zware massaconcentraties waaraan zelfs licht niet kan ontsnappen, ook weer niet helemaal zwart zijn.
Volgens de quantummechanica ontsnapt er een heel klein beetje licht aan de ‘horizon‘ van het zwarte gat. Dat is het point of no return, de grens waarvoorbij je met geen mogelijkheid aan de aantrekkingskracht van het zwarte gat kunt ontsnappen.
Een probleem bij de detectie is alleen dat deze Hawking-straling extreem zwak is. Inmiddels zijn er wel zwarte gaten gevonden in het heelal, maar de materie die daar in valt, zendt veel meer straling uit, en overstemt de Hawking-straling.
Ik denk dat een omweg meer zicht biedt op de detectie. Begin jaren tachtig bedacht de natuurkundige William Unruh dat je een horizon van een zwart gat zou kunnen simuleren in een vloeistof.

Neem bijvoorbeeld een waterval. Als je zorgt dat die vanaf een bepaald punt sneller valt dan het geluid in het water kan bewegen, krijg je een ‘geluidshorizon‘. Stroomopwaarts kan het geluid dat punt nooit voorbij komen. Unruh had het over een ‘stom gat‘ in plaats van een zwart gat. De voorspelling is dat ook deze horizon in principe een soort Hawking-straling moet produceren, of eigenlijk ‘Hawking-geluid‘.
Ook hier is het detecteren niet echt gemakkelijk. Er zijn verschillende systemen voorgesteld om hier onderzoek aan te doen, waaronder een groot bad met vloeibaar kwik. Een probleem is dat je liefst extreem koud wilt werken, om de ruis laag te houden, maar de meeste vloeistoffen bevriezen dan natuurlijk.
Uitzonderingen zijn verschillende vormen van vloeibaar helium, of een bijzondere quantummechanische toestand die Bose-Einstein-Condensaat heet. Nog een probleem is dat je voor een goede horizon een abrupte overgang in snelheid nodig hebt. Maar als je vloeibaar helium plotseling onder druk zet om dat te bereiken, bevriest het. Ondanks dit soort praktische problemen voorspel ik dat er vóór 2015 Hawking-straling wordt gedetecteerd in een gesimuleerd zwart gat.
Wat daar dan het nut van is? Tsja, wat is het nut van een bal tussen twee doelpalen schieten? Hawking-straling is het heelal op zijn diepst, een verschijnsel waarin Einsteins relativiteitstheorie en de quantummechanica samenkomen. Als het gezien wordt, begrijpen we het heelal een stuk beter. Hawking zal dan bijna zeker de Nobelprijs krijgen. Trouwens: de ontdekking van lasers werd eerst ook beschouwd als een nutteloze curiositeit.‘

Wilt u deze weddenschap aangaan, of zelf een weddenschap voorstellen: weddenschap@mare.leidenuniv.nl