Hawking in der Nussschale E-Book

Florian Freistetter

• Herausgeber: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2018

Seitenzahl: 87

Beschreibung

Kaum jemand hat so viele Menschen für Astronomie und Physik begeistert wie Stephen Hawking. Gleichzeitig befasste er sich mit so komplexen Fragen, dass wohl nur ein dutzend Leser weltweit behaupten können, die „Kurze Geschichte der Zeit“ wirklich verstanden zu haben. Hawkings faszinierende Theorien über Schwarze Löcher, Urknall und Singularitäten kann man nun auch ohne Physikstudium verstehen.
Deutschlands erfolgreichster Wissenschaftsblogger, der Astronom Florian Freistetter, serviert uns Stephen Hawkings Kosmos in der Nussschale. Leichtfüßig, auf das Wesentliche reduziert und unterhaltsam macht uns Freistetter ein kompliziertes theoretisches Werk zugängig. Ein Buch, mit dem Sie tief in das gedankliche Universum des berühmten Physikers eintauchen – ohne den Verstand zu verlieren.

Leseprobe

Über das Buch

Kaum jemand hat so viele Menschen für Astronomie und Physik begeistert wie Stephen Hawking. Gleichzeitig befasste er sich mit so komplexen Fragen, dass wohl nur ein dutzend Leser weltweit behaupten können, die „Kurze Geschichte der Zeit“ wirklich verstanden zu haben. Hawkings faszinierende Theorien über Schwarze Löcher, Urknall und Singularitäten kann man nun auch ohne Physikstudium verstehen.

Deutschlands erfolgreichster Wissenschaftsblogger, der Astronom Florian Freistetter, serviert uns Stephen Hawkings Kosmos in der Nussschale. Leichtfüßig, auf das Wesentliche reduziert und unterhaltsam macht uns Freistetter ein kompliziertes theoretisches Werk zugängig. Ein Buch, mit dem Sie tief in das gedankliche Universum des berühmten Physikers eintauchen – ohne den Verstand zu verlieren.

Hanser E-Book

Florian Freistetter

Hawkingin derNussschale

Der Kosmos desgroßen Physikers

Carl Hanser Verlag

Inhalt

Prolog

1  Die SingularitätDer Anfang des Universums

2  GravitationswellenWenn Schwarze Löcher kollidieren

3  Die Hawking-StrahlungWarum Schwarze Löcher nicht so schwarz sind, wie man dachte

4  Das InformationsparadoxonHinter dem Ereignishorizont geht’s weiter

5  Vor dem UrknallIn den endlosen Weiten der euklidischen Raumzeit

Epilog

Lektüretippsin der Nussschale

Register

Prolog

Als ich 16 Jahre alt war, stieß ich zufällig auf »Eine kurze Geschichte der Zeit« von Stephen Hawking. Weder hatte ich gezielt danach gesucht, noch hatte ich damals ein besonderes Interesse an der Naturwissenschaft. Aber irgendetwas an dem Buch muss mich spontan angesprochen haben. Noch im Buchladen fing ich an, das erste Kapitel zu lesen. Gekauft habe ich es – mangels Geld – noch nicht. Erst nach ein paar weiteren Besuchen, bei denen ich noch zwei Kapitel gelesen hatte, nahm ich das Buch mit nach Hause (nachdem ich es bezahlt hatte natürlich) und las es dort in einem Rutsch zu Ende.

Ich muss gestehen: Verstanden habe ich nur einen Bruchteil. Damit ging es mir wie vermutlich den meisten anderen Leserinnen und Lesern. Was ich jedoch sofort begriff: Da draußen befindet sich ein faszinierendes Universum, voll mit Objekten, die sich unserem Alltagsverstand komplett entziehen. Schwarze Löcher etwa, aus denen keinerlei Information entkommen kann und in denen sich anscheinend dennoch Antworten auf die großen Fragen verbergen. Auf die Frage nach dem Anfang des Kosmos und seinem Ende. Auf die Frage nach der Natur der Zeit. Und auf die ultimative Frage, die da lautet: »Warum gibt es etwas und nicht nichts?« Was mich an diesem Buch aber am meisten beeindruckte, war die für mich damals nahezu unbegreifliche Tatsache, dass all das von Wissenschaftlern erforscht werden kann.

Originalausgabe von»Eine kurze Geschichte der Zeit«

Erst durch die Lektüre von Hawkings Klassiker begriff ich: Das Universum in seiner Gesamtheit ist ein Forschungsgegenstand der modernen Naturwissenschaft. Es gibt physikalische Theorien und mathematische Gleichungen, die sich mit seiner Entstehung, seinen Eigenschaften und seiner Entwicklung beschäftigen. Und wenn ich auch damals keine Aussicht hatte, diese Theorien und Gleichungen zu verstehen, war ich gefesselt von der Vorstellung, dass es möglich sein kann, dies zu tun.

Die Lektüre von »Eine kurze Geschichte der Zeit« war der Auslöser dafür, dass ich schließlich Astronomie studierte. Davon konnten mich nicht einmal meine schlechten schulischen Leistungen in Mathematik abhalten. Ich wusste, dass das, was mir mein Lehrer beibrachte (auf ziemlich schlechte und unzureichende Art und Weise, wie ich heute weiß) nicht das war, worum es wirklich ging. Im Unterricht lernte ich nur zu rechnen, und das war langweilig. Daher strengte ich mich dabei nicht sonderlich an. Das hingegen, was ich später auf der Universität während des Astronomie-Studiums lernte, war keine Schulmathematik, sondern die Sprache, in der sich die Natur uns mitteilt. Die Sprache, mit der sich die Geheimnisse des Universums verstehen lassen, und die Sprache, die Stephen Hawking verwendete, als er auf die Suche nach Antworten auf all die großen Fragen ging.

Ich habe mich später allerdings doch nicht auf die Kosmologie (also die Erforschung des Universums als Ganzem) spezialisiert, sondern mich mit der Bewegung von Asteroiden, Planeten und anderen Himmelskörpern beschäftigt. Nie war ich in meiner wissenschaftlichen Arbeit ansatzweise so intensiv mit Schwarzen Löchern, dem Urknall und den Fundamenten der Naturgesetze befasst wie Stephen Hawking. Aber ich habe von ihm gelernt, wie faszinierend das Universum sein kann – und erfahren, wie schön es ist, diese Faszination mit anderen Menschen zu teilen.

Stephen Hawking hat es wie kaum ein anderer Wissenschaftler geschafft, einer großen Öffentlichkeit die Schönheit des Kosmos nahezubringen. Sein ganzes wissenschaftliches Leben hat er sich nicht nur bemüht, Antworten auf die großen Fragen der Menschheit zu finden, sondern vor allem auch, so von seiner Arbeit zu erzählen, dass möglichst viele an ihren Ergebnissen teilhaben können. Dabei spielt es auch keine Rolle, dass die (mathematischen) Details dieser Forschung kaum anschaulich darstellbar und auch ohne langes Studium nicht verständlich sind. Der geniale Physiker in seinem futuristisch anmutenden Rollstuhl mit seiner durchdringenden Computerstimme hat es wie kein anderer verstanden, die Faszination, Freude und Befriedigung zu vermitteln, die einer Beschäftigung mit dem Universum innewohnen.

Ich selbst habe in meiner wissenschaftlichen Karriere nicht einmal annähernd so große Entdeckungen gemacht wie Stephen Hawking. Aber auch ich bin zutiefst davon überzeugt, dass es wichtig und vor allem äußerst lohnend ist, möglichst viele Menschen an den Erkenntnissen der Wissenschaft teilhaben zu lassen. Wenn ich also im Folgenden versuche, die wichtigsten Ergebnisse von Hawkings Arbeit verständlich zu machen, dann tue ich das in der Hoffnung, dass sie weiterhin möglichst viele Menschen dazu inspirieren werden, sich mit den großen Fragen zu beschäftigen – und mit der Naturwissenschaft, die sich auf die Suche nach den Antworten auf sie macht.

Ich weiß nicht, wie mein Leben verlaufen wäre, wenn ich damals nicht zufällig auf »Eine kurze Geschichte der Zeit« gestoßen wäre. Aber ich bin sehr glücklich darüber, dass mich die Gedanken von Stephen Hawking zur richtigen Zeit erreicht haben und ich seinen Kosmos kennenlernen konnte.

1Die SingularitätDer Anfang des Universums

Stephen Hawking startete seine wissenschaftliche Karriere mit dem ultimativen Anfang: der Frage nach dem Beginn des Universums. Mir ihr hatten sich jahrhundertelang Philosophen oder Theologen auseinandergesetzt. Im 20. Jahrhundert jedoch beschäftigte sich auch die Naturwissenschaft mit dem Ursprung des Kosmos. Vor allem Albert Einstein lieferte mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie ein Werkzeug, mit dem sich das Universum in seiner Gesamtheit untersuchen ließ. Eines, von dem auch zahlreiche Wissenschaftler Gebrauch machen sollten – unter ihnen der junge Stephen Hawking.

Am 18. Oktober 1966, in dem Jahr, in dem Hawking sein Doktorandenstudium an der Universität Cambridge abschloss, publizierte er einen Artikel mit dem Titel »The occurrence of singularities in cosmology« (»Das Auftreten von Singularitäten in der Kosmologie«). Darin ging es um die Vergangenheit unseres Universums und das Problem der »Singularitäten«. Dies hängt wiederum mit Einsteins Raumzeit zusammen, eine von vielen großen Errungenschaften des großen Theoretikers, und etwas, das die Wissenschaftler bis heute intensiv beschäftigt. Vor Einstein hatte man sich an das gehalten, was Isaac Newton zum Thema zu sagen gehabt hatte: Der Raum war der Raum, und die Zeit war die Zeit.

Der junge Stephen Hawking

Das eine war unabhängig vom anderen, die Zeit war absolut und verging für alle gleich. Raum und Zeit waren eine Bühne, auf der sämtliche Ereignisse im Universum stattfanden. Einstein räumte mit dieser Vorstellung gründlich auf und demonstrierte, dass die drei Dimensionen des Raums und die eine Dimension der Zeit untrennbar in Form einer vierdimensionalen Raumzeit miteinander zusammenhängen. Wie uns der Raum erscheint und wie wir die Zeit wahrnehmen, hängt, so wissen wir seit Einstein, davon ab, wie schnell wir uns bewegen. Raum und Zeit sind keine absoluten Begriffe, sondern erscheinen jedem Beobachter anders. Einstein machte aus Newtons Bühne für die Naturgesetze ein physikalisches Objekt: Die Raumzeit ist selbst der Physik unterworfen; sie hat Eigenschaften und kann sich verändern. Vor allem ist sie verformbar: Masse und Energie krümmen Raum und Zeit; und die unterschiedliche Stärke der Krümmung nehmen wir als unterschiedlich starke Gravitationskraft wahr.

Das alles ist schon verwirrend genug. Als Wissenschaftler sich aber Einsteins Gleichungen im Detail ansahen, wurde die Angelegenheit noch komplizierter, denn sie stießen auf Singularitäten. Worum es sich dabei handelt, verstand man zuerst bei der Frage nach der Entwicklung von Sternen. Diese gewaltigen Kugeln aus heißem Gas führen in ihrem Inneren Kernfusionen durch. Die dabei freigesetzte Energie strahlt nach außen und drückt gegen die Materie des Sterns.

Dieser Strahlungsdruck wirkt der Gravitationskraft entgegen, denn eigentlich will der Stern unter seinem eigenen Gewicht immer weiter in sich zusammenfallen. Wenn ein Stern aber am Ende seines Lebens mangels Material keine Kernfusion mehr durchführen kann, fällt der Strahlungsdruck weg. Jetzt gewinnt die Gravitation die Oberhand, der Stern kollabiert, wird immer kleiner, und das Material, aus dem er besteht, wird immer dichter zusammengedrückt. Dieser Kollaps kann beendet werden, wenn die Atomkerne »dicht an dicht« stehen und die Gravitationskraft der Sternenmasse nicht mehr ausreicht, sie noch weiter zusammenzudrücken. Ist der Stern aber zu massereich, gibt es keine bekannte Kraft, die den Kollaps aufhalten kann. Die Gleichungen der Relativitätstheorie besagen, dass der Stern immer kleiner und immer dichter wird. Am Ende ist die gesamte Materie des Sterns in einem winzigen Punkt vereint. Die Raumzeit um den sterbenden Stern herum wird bei diesem Kollaps immer stärker gekrümmt – bis ihre Krümmung und die Dichte des Sterns irgendwann unendlich groß sind und die Ausdehnung des Sternsunendlich klein ist. So einen Zustand, in dem physikalische Größen unendlich werden, nennt man »Singularität«.

Endet ein Stern so wie eben beschrieben, bezeichnen wir ihn als Schwarzes Loch. Wir können seine Entwicklung aber nicht ganz bis zum singulären Ende verfolgen. Warum ist das so? Weil uns keine Information über dieses Ende mehr erreichen kann: Wenn die Krümmung der Raumzeit während seines Kollapses immer größer wird, entspricht das einer immer stärker werdenden Gravitationskraft. Und je stärker die Gravitationskraft, desto mehr Energie muss man aufwenden, wenn man sich aus der Nähe eines Objekts entfernen will – beziehungsweise desto schneller muss man sein. Um der Anziehungskraft der Erde dauerhaft entkommen zu können, muss man sich beispielsweise mit mindestens 11,2 Kilometer pro Sekunde entfernen. Je stärker die Krümmung des Raums, desto größer wird diese »Fluchtgeschwindigkeit«. Bei einem kollabierenden Stern ist irgendwann der Punkt erreicht, an dem die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht. Man müsste sich also schneller als das Licht bewegen, um sich zu entfernen, und das ist unmöglich. Diese Grenze nennt man »Ereignishorizont«. Er definiert das, was wir von außen als Schwarzes Loch wahrnehmen. Bis zum Ereignishorizont kann man sich einem Schwarzen Loch nähern (und wenn man dann schnell genug ist, also verdammt schnell, auch wieder entfernen). Hinter dem Ereignishorizont