Abb.: Stephen Hawking bei einem Besuch am CERN im September 2006. Die nach Hawking benannte Strahlung konnte bislang allerdings nicht am CERN nachgewiesen werden, CERN
Stephen Hawking, der wohl berühmteste Wissenschafter unserer Zeit, verstarb am 14. März 2018. Er wurde 76 Jahre alt. Aus diesem Anlass – und Stephen Hawking zu Ehren – veröffentlichen wir an dieser Stelle unsere Titelstory, die wir anlässlich seines 75. Geburtstags in Heft 6 (Dez/Jan. 2017) von Abenteuer Astronomie veröffentlicht haben, in voller Länge. Im Namen unserer Leser und des ganzen Redaktionsteams wünschen wir Stephen Hawking eine gute Reise zu den Sternen …
„Denkt daran, in die Sterne zu sehen – und nicht auf eure Füße.“
Stephen Hawking (* 8.01.1942; † 14..03.2018)
Der Physiker Stephen Hawking feierte am 8. Januar 2017 seinen 75. Geburtstag. Trotz seiner schweren Krankheit, die ihn bereits seit Jahrzehnten an den Rollstuhl fesselt, wurde Hawking zu einem Superstar der Wissenschaft. Sein Name ist untrennbar mit den großen Geheimnissen des Universums verbunden – Schwarzen Löchern und dem Beginn von Raum und Zeit. Der »Mythos Hawking« fasziniert dabei auch Menschen, die sich sonst nicht für theoretische Physik interessieren.
Der Mann ist eine lebende Legende – und ein medizinisches Wunder: Stephen Hawking ist vermutlich der bekannteste und berühmteste Physiker der Welt. Sein 1988 erschienenes Buch »Eine kurze Geschichte der Zeit« war ein Weltbestseller, der sich zehnmillionenfach verkaufte. Gastauftritte in Fernsehserien wie »Star Trek«, »Die Simpsons« oder »The Big Bang Theory« machten ihn auch in Kreisen bekannt, die sich sonst eher nicht für theoretische Physik interessieren. Was aber genau macht den »Mythos Hawking« aus, was ist der Wissenschaftler für eine Persönlichkeit und was sind seine wichtigsten Beiträge zu Physik und Astronomie?
Seine wissenschaftliche Karriere begann Hawking 1966 mit einem sogenannten »Research Fellowship« am Gonville and Caius College der Universität Cambridge. Am Institute of Astronomy der Universität forschte er zu kosmologischen Fragestellungen und zu Schwarzen Löchern – mit teils vielbeachteten Ergebnissen. Daher wurde er 1979 zum Inhaber des Lucasischen Lehrstuhls am Department für Angewandte Mathematik und Theoretische Physik der Universität Cambridge ernannt. Diesen Lehrstuhl, den vor ihm Berühmtheiten wie Isaac Newton oder Paul Dirac innehatten, bekleidete er bis zu seiner Emeritierung 2009.
Zusammen mit dem ebenfalls berühmten Theoretiker Roger Penrose beschäftigte sich Hawking zunächst mit der Frage, was eigentlich genau von einem massereichen Stern übrigbleibt, wenn er am Ende seines Sternenlebens kollabiert und danach in einer Supernova explodiert. Ist der kollabierende Sternkern schwerer als drei Sonnenmassen, geschieht etwas völlig Unerwartetes:
Die Materie wird so sehr zusammengedrückt, dass die Fluchtgeschwindigkeit der entstandenen kompakten Materiekugel so groß wird wie die Lichtgeschwindigkeit. Das heißt: Das Licht kommt von der Materiekugel nicht mehr weg – ein Schwarzes Loch entsteht. Das Faszinierende an diesen Objekten ist, dass man nicht mehr sagen kann, in welcher Form die Materie im Innern des Lochs vorliegt.
Ein Schwarzes Loch ist »Masse ohne Materie «. Hier kommt die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein ins Spiel. Sie besagt, dass Massen die Raumzeit krümmen und umgekehrt, dass gekrümmte Raumzeit eine Form von Masse darstellt. Die Masse des Schwarzen Loches steckt also in der gekrümmten Raumzeit. Karl Schwarzschild fand 1916 eine Lösung von Einsteins Theorie, die die Raumzeit des Lochs exakt beschreibt. Er zeigte auch, dass im Zentrum des Lochs die Krümmung der Raumzeit unendlich wird. Man spricht von der Krümmungssingularität.
Hawking befasste sich mit diesen Singularitäten genauer. Das Perfide an den Singularitäten ist, dass in ihnen die physikalischen Gesetze ihre Gültigkeit verlieren, also jede Beschreibbarkeit versagt. Penrose und Hawking untersuchten, unter welchen Bedingungen Singularitäten auftreten. Sie fanden eine Art Naturgesetz, das zwingend erfordert, dass Singularitäten auftreten müssen. Die mathematischen Sätze, die dies beschreiben, sind als »Singularitätentheoreme« bekannt.
Noch bekannter ist Hawking allerdings für seine Untersuchung des Ereignishorizonts, also der »Oberfläche« Schwarzer Löcher geworden. Seine am meisten zitierte Fachveröffentlichung stammt aus dem Jahr 1975 und behandelt eine neue Strahlungsform, die später nach ihm benannt wurde: die Hawking-Strahlung. In seinen Berechnungen beschrieb Hawking die Gravitation mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Das Neue war, dass er sie mit Quantenfeldern verknüpfte. Elementarteilchen wie z.B. das Elektron werden durch solche Quantenfelder beschrieben. Hawking berechnete als Erster, wie diese Quantenfelder am Ereignishorizont quasi aus dem »Nichts« entstehen und was mit ihnen dort geschieht. Im Prinzip bildet sich die Hawking-Strahlung wie folgt: Gemäß der Quantenphysik ist das Vakuum nicht absolut leer. Die Heisenberg’sche Unschärferelation besagt, dass »aus dem Nichts« Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen, sie sich aber nach kurzer Zeit wieder vernichten. Dieser Vorgang ist ganz grundsätzlicher Natur und unvermeidbar. Ständig »wabert« das Vakuum, Teilchenpaare entstehen und vergehen. Die Energie zur Bildung der Teilchen stammt aus dem Vakuum selbst. Die Unschärferelation besagt nämlich, dass man vom Vakuum einen gewissen Energiebetrag »borgen« kann – je größer der Energiebetrag aber ist, umso kürzer die Zeit, für die diese Energie zur Verfügung steht.
Die Energie des entkommenden Teilchens geht zu Lasten der Energie des Schwarzen Loches und reduziert somit seine Masse. Die Hawking-Strahlung sorgt also für den allmählichen Zerfall eines Schwarzen Lochs. Irgendwann ist seine Masse aufgebraucht und das Schwarze Loch »verdampft«.
Hawking berechnete, wie lange der Zerfall eines Loches durch Hawking-Strahlung dauert. Für sehr massearme Schwarze Löcher, die etwa 3000-mal so schwer sind wie ein Proton, geht dies rasend schnell: 10–24 Sekunden. Tatsächlich ist die letzte Phase des Zerfalls extrem heftig und kommt eher einer Explosion gleich. Die kosmischen Schwarzen Löcher ab einigen Sonnenmassen sind hingegen so massereich, dass ihr Zerfall durch Hawking-Strahlung viele Milliarden Jahre und mehr dauern würde. Daher wurde der Zerfall eines solchen Lochs auch noch nie beobachtet.
Als 2008 mit dem »Large Hadron Collider« (LHC) am CERN bei Genf der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt in Betrieb genommen wurde, gab es einen mächtigen Wirbel in den Medien um Schwarze Mini-Löcher. Unter bestimmten Voraussetzungen hätte es nämlich sein können, dass durch den Zusammenstoß der beschleunigten Teilchen im LHC Schwarze Löcher im Mini-Format entstehen. Diese hätten dann aber durch die Hawking-Strahlung in Sekundenbruchteilen wied
Hatte Hawking also unrecht?
Wohl nicht: Schaut man sich nämlich die Veröffentlichung Hawkings an, wird klar, dass die Berechnung auf so allgemeinen Naturgesetzen beruht, dass tatsächlich von der Existenz der Hawking-Strahlung auszugehen ist. Offenbar war die Energie der Teilchen im Beschleuniger noch nicht hoch genug. Bei Untersuchungen an künftigen, noch stärkeren Teilchenbeschleunigern wird es also wieder spannend. Hätte man die Hawking-Strahlung am LHC entdeckt, wäre Hawking der Physik-Nobelpreis sicher gewesen.
Hawking beschäftigte sich auch intensiv mit der Geburt unseres Universums. Nach dem aktuell favorisierten Standardmodell der Kosmologie fand vor 13,8 Milliarden Jahren der Urknall statt. In ihm wurden Raum und Zeit geboren: Zunächst entstanden in den Sekundenbruchteilen nach dem Urknall die Elementarteilchen, die fundamentalen Naturkräfte zwischen ihnen und schließlich Minuten nach dem
Hawking interessierte sich vor allem für die früheste Phase der kosmischen Entwicklung, den Urknall. Was geschah da genau und warum? Gab es etwas vor dem Urknall? Zusammen mit Jim Hartle entwickelte Hawking neue kosmologische Modelle. Das sogenannte Hartle-Hawking-Universum von 1983 ist ein Modell, das ohne Urknallsingularität auskommt. Allerdings erfordert dieser Ansatz ein neues, noch hypothetisches Kraftfeld, das Instanton genannt wurde. Ab 2007 entwickelten Hawking, Hartle und Thomas Hertog ein weiteres Modell, das sogar den Zustand vor dem Urknall beschreibt. Demnach gäbe es ein Vorläuferuniversum mit umgekehrter Zeitrichtung und anstelle des Urknalls sei ein Rückprall (»Bounce«) geschehen, aus dem unser heutiges, expandierendes Universum hervorgegangen ist.
Hawkings Modelle vom Universum sind äußerst interessant, aber spekulativ. Ein experimenteller Test von kosmologischen Modellen in der Epoche des Urknalls ist grundsätzlich sehr schwierig. In vielen – nicht nur in Hawkings – Modellen werden neue Felder gefordert. Sehr häufig haben sie Ähnlichkeiten zu dem 2012 am LHC nachgewiesenen Higgs-Feld und breiten sich im gesamten Universum aus. Um solche Modelle zu testen, müsste man die entsprechenden Felder nachweisen.
Ähnlich wie Einstein kokettiert Hawking immer wieder gerne mit provokanten Thesen über Gott und die Schöpfung. Schon 1981 fand eine Kosmologie-Tagung im Vatikan statt, bei der Hawking behauptete, dass das Universum keinen Schöpfer benötige. Anlässlich der Veröffentlichung des Buchs »Der Große Entwurf« im Jahr 2010 wiederholte er, dass »die Hand Gottes nicht nötig sei, um die Entstehung der Welt zu erklären «. Vielleicht war das nur ein PR-Gag, um das neue Buch zu promoten. Im Jahr 2011 erhielt Hawking etwas Gegenwind von fast höchster Stelle, nämlich von Papst Benedikt XVI. persönlich: »Das Universum ist kein Ergebnis eines Zufalls«. Beeindruckt hat diese Intervention Hawking allerdings nicht: Im gleichen Jahr äußerte er sich in einem Interview: »Ich habe in den letzten 49 Jahren mit der Erwartung eines baldigen Todes gelebt. Ich habe keine Angst vor dem Tod, aber ich habe es nicht eilig zu sterben. Ich möchte noch so vieles vorher tun. Ich halte das Gehirn für eine Art Computer, der aufhört zu arbeiten, wenn seine Bestandteile versagen. Es gibt keinen Himmel oder ein Leben nach dem Tod für defekte Computer; das ist ein Märchen für Leute, die Angst vor dem Dunkeln haben.«
Nach seiner Emeritierung 2009 forschte Hawking am Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics (DAMTP) der Universität Cambridge und am renommierten Perimeter Institute in Kanada. 2012 eröffnete Hawking persönlich die Paralympischen Sommerspiele in London. Hawking macht immer wieder von sich Reden: Im Sommer 2015 trat er öffentlich mit dem russischen Milliardär Yuri Milner auf, als dieser bekanntgab, mit einer Spende von 100 Millionen US-Dollar das SETI-Projekt zur Suche nach außerirdischen Intelligenzen fördern zu wollen. Im September 2016 veröffentlichte Hawking mit 375 Wissenschaftlern einen offenen Brief, in dem er die Klimapolitik des US-Präsidentschaftskandidaten Donald Trump anprangerte.
Stephen Hawking gehört zu den größten lebenden Persönlichkeiten. Er ist weltbekannt, obwohl nur sehr wenige seine Forschungen verstehen. Warum ist das so? Vermutlich liegt es an mehreren Faktoren: Hawking ist ein medizinisches Wunder und Vorbild für alle, die mit gravierenden, tödlichen Krankheiten zu kämpfen haben. Sein Auftreten im Rollstuhl mit Roboterstimme macht ihn zu einem »Paradiesvogel der Wissenschaft«, der im Gedächtnis bleibt.
Aber trotz seiner Behinderungen schafft es Hawking, die Tiefen des Universums zu erforschen. Seine Gedanken überflügeln die Grenzen von Raum und Zeit. Hawking selbst brachte es auf den Punkt: »Ich kann mich zwar nicht bewegen und muss mithilfe eines Computers sprechen, aber mein Geist ist frei. Gedanklich kann ich durch das Universum reisen und mich mit seiner Geschichte befassen. Ich hatte schon immer ein klares Ziel: Ich will herausfinden, wie das Universum funktioniert und warum es überhaupt existiert. Zum Glück gibt es überall Hinweise. Der wichtigste befindet sich direkt über unseren Köpfen.« Andreas Müller
| DER AUTOR |
Andreas Müller ist Astrophysiker und wissenschaftlicher Koordinator im Exzellenzcluster »Origin and Structure of the Universe« der Technischen Universität München. Er ist Kolumnist von Abenteuer Astronomie
LINKS:
Webseite von Stephen Hawking
http://www.hawking.org.uk
Webseite von Andreas Müller
http://www.astronomiewissen.de
Literatur
[1] Vaas, R., Hawkings neues Universum,Stephen William Hawking kam am 8. Januar 1942 in Oxford, Großbritannien zur Welt. Seine Eltern waren die Wirtschaftswissenschaftlerin Isobel Hawking und der Tropenmediziner Frank Hawking. Anstelle einer staatlichen Grundschule besuchte der kleine Stephen zunächst die private Byron House School. 1950 zog die Familie in die Kleinstadt St. Albans in die Nähe von London um. Dort ging er auf die St. Albans School. Ursprünglich wollte Hawking Mathematik studieren, begann dann aber 1959 mit 17 Jahren ein Physik-Studium an der Universität Oxford mithilfe eines Studienstipendiums. Im Jahr 1962 machte Hawking dort den Bachelor-Abschluss und wechselte an die Trinity Hall der Universität Cambridge. Ein Jahr später erhielt Hawking die Diagnose, die sein Leben für immer verändern sollte: er litt unter der degenerativen Nervenerkrankung ALS. Dennoch heiratete er 1965 Jane Wilde und schloss 1966 seine Promotion an der Universität Cambridge über Astrophysik und Kosmologie ab. Eigentlich gaben ihm die Ärzte nicht viel Zeit, aber Hawking hielt an seinen Forschungen fest.
Aus der Ehe mit Jane Wilde, die er 1965 heiratete, gingen drei Kinder hervor: Robert (*1967), Lucy (*1970) und Tim (*1979). 1990 kam es zur Scheidung von Jane. Danach lebte Hawking mit seiner Pflegerin Elaine Mason zusammen, die er schließlich 1995 heiratete. 2006 ließ er sich auch von ihr scheiden. Später schrieb Hawking mit seiner Tochter Lucy populärwissenschaftliche Bücher, wie »Der geheime Schlüssel zum Universum« (2009) und »Die unglaubliche Reise ins Universum« (2011). Er ist heute dreifacher Großvater.
Im Jahr 1963 erhielt der 21-jährige Hawking eine erschütternde Diagnose: Er leide an Amyotropher Lateralsklerose, kurz ALS. Es handelt sich dabei um eine sehr seltene, leider unheilbare Nervenerkrankung. Dabei werden allmählich die Nervenzellen zerstört, was zu einer fortschreitenden Muskellähmung führt. Die Ärzte gaben ihm damals noch ungefähr zwei Jahre zu leben. Doch Hawking gab nicht auf und entpuppte sich als medizinisches Wunder. Er überlebte, sein Gesundheitszustand verschlechterte sich allerdings im Laufe der Jahrzehnte. Da zunächst sein motorisches Nervensystem in Mitleidenschaft gezogen wurde, ging Hawking bald nur noch mit einem Stock. Ab 1968 war er auf einen Rollstuhl angewiesen. 1985 war ein weiteres Schicksalsjahr: Hawking zog sich bei einem Forschungsaufenthalt am CERN bei Genf eine Lungenentzündung zu, an der er fast gestorben wäre. Da ihn die Genfer Ärzte aufgaben, veranlasste seine Frau den Transport ins Krankenhaus nach Cambridge. Dort musste ein Luftröhrenschnitt durchgeführt werden, was zum Verlust seiner Stimme führte. Seither ist Hawking auch bekannt als der Physiker mit der »Roboterstimme«. Diese wird von einem Sprachcomputer generiert, den er bis 2005 noch mit einem Handtaster ansteuern konnte. Mit fortschreitender Erkrankung musste er ihn später mit einem Infrarotsensor am rechten Wangenmuskel und mittlerweile mit den Augenbewegungen steuern. Das erschwert natürlich sehr die Kommunikation, so dass es Hawking inzwischen viel Zeit und Mühe kostet, Fragen zu beantworten. (Nachtrag der Red.: Stephen Hawking verstarb am 14. März 2018).
Hawking versteht es brillant sich und seine Forschung medienträchtig in Szene zu setzen. So meldete er sich im Jahr 2004 kurzfristig bei der internationalen Konferenz »General Relativity and Gravitation« in Dublin an, um zu verkünden, dass er eine 1997 abgeschlossene Wette verloren geben wolle. Bei dieser Wette ging es um die Frage, ob Schwarze Löcher Information vernichten oder ob sie erhalten bleibt, also irgendwo im Loch gespeichert wird. Der US-amerikanische Quantenphysiker John Preskill war der Meinung, dass die Information erhalten bleiben müsse. Hawking und der theoretische Physiker Kip Thorne stützten sich auf die Relativitätstheorie und waren überzeugt, dass die Information vernichtet würde. Aufgrund von neuen Entdeckungen des Stringtheoretikers Juan Maldacena Ende der 1990er-Jahre änderte nun Hawking seine Meinung, wie er den Konferenzteilnehmern in Dublin erklärte. Obwohl die Details des Problems bis heute ungelöst sind, erhielt der Wettgewinner Preskill von Hawking unter den aufmerksamen Augen der Weltpresse seinen Wetteinsatz: eine Baseball-Enzyklopädie.
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