Hawkings Kosmos einfach erklärt E-Book

Rüdiger Vaas

• Herausgeber: Kosmos
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2012

Seitenzahl: 284

Beschreibung

Wie ist das Weltall entstanden? Kann die Zeit rückwärts laufen? Sind Schwarze Löcher Tore zu anderen Universen? Stephen Hawking ist der berühmteste Wissenschaftler unserer Zeit. Mit seinen überraschenden Entdeckungen hat er immer wieder für Aufsehen gesorgt. Seine Bücher sind Bestseller. Aber was genau verbirgt sich hinter Hawkings Ideen? Warum sind sie so kompliziert? Und wie sind sie überhaupt zu bewerten? Wissenschaftsjournalist und Kosmologie-Experte Rüdiger Vaas erklärt Hawkings Erkenntnisse und verwegene Theorien für jeden leicht verständlich und mit vielen anschaulichen Illustrationen. Außerdem beschreibt er, wie Hawkings aktuelle Forschung die Vorstellung vom Urknall revolutioniert.

Leseprobe

Stephen Hawkings Welt

Ein Kopf im Kosmos und den Kosmos im Kopf – der berühmteste Wissenschaftler der Welt hat das Allerkleinste und Allergrößte erforscht, von den Elementarteilchen bis zu (mutmaßlichen) anderen Universen. Auch jüngst sorgte Stephen Hawking wieder für Aufsehen: in den populären Medien sowie an der aktuellen Forschungsfront der Kosmologie und Physik.

„Wir sind das Ergebnis winziger Zufälle in der Frühzeit des Universums, ohne die sich weder Sterne noch Leben entwickelt hätten“, schrieb Stephen Hawking Ende Juli 2011 im Wissenschaftsmagazin New Scientist. Diese Entdeckung, an der der britische Kosmologe selbst beteiligt war, verbindet das Allerkleinste mit dem Allergrößten sowie mit dem Menschen dazwischen und mittendrin. Denn die Explosion des Weltraums im Urknall machte das All nicht nur groß, sondern blies auch die gespenstischen Quantenfluktuationen auf: mikroskopische, grundlose Unregelmäßigkeiten in den Energiefeldern. Sie wurden anscheinend so extrem verstärkt, dass sie sich als heute noch messbare Dichteunterschiede im glühenden Urgas abzeichneten und die Saat für das Werk der Schwerkraft bildeten, die daraus Galaxien, Sterne und Planeten schuf (dazu mehr ab hier). Mikrokosmos und Makrokosmos sind also aufs Engste und Existenziellste miteinander verknüpft. Daher ist es ganz zutreffend, dass im Schoß des Urknalls schon der Keim des Menschen heranwuchs. Ohne diese kosmische Beziehung wären wir wohl niemals entstanden.

Selbstverständlich gehen die Fragen weiter und tiefer: „Warum gibt es etwas und nicht einfach nichts? Warum existieren wir? Warum dieses besondere System von Gesetzen und nicht irgendein anderes?“ Stephen Hawking – der berühmteste Wissenschaftler der Gegenwart und seit seinem Weltbestseller Eine kurze Geschichte der Zeit von 1988 einem Millionenpublikum bekannt – hat die ganz großen Themen nie gescheut. Er gehört allerdings auch zu den wenigen, die dazu beitragen, den Antworten näher zu kommen.

Dies ist angesichts seines tragischen Schicksals eine kaum zu ermessende Leistung. Denn bereits kurz nach seinem 21. Geburtstag im Jahr 1963 prophezeiten ihm die Ärzte eine Lebenserwartung von höchstens noch ein paar Jahren. Sie hatten Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) diagnostiziert, eine schreckliche Erkrankung, bei der nach und nach die muskulären Nervenzellen absterben. Trotzdem konnte Hawking sein Studium sowie eine Promotion abschließen und Spitzenforschung vollbringen. 1979 wurde er, längst vollständig gelähmt und an den motorisierten Rollstuhl gefesselt, sogar auf den renommierten Lucasischen Lehrstuhl der University of Cambridge berufen, den vor 300 Jahren Isaac Newton inne hatte. „Dieser Stuhl hat sich offensichtlich stark verändert. Er wird jetzt elektrisch betrieben“, kommentierte Hawking einmal seine Professur.

Aufgrund eines Luftröhrenschnitts kann sich Hawking seit 1985 nur noch mithilfe eines Sprachcomputers verständigen. Er bedient ihn buchstäblich mit seinem letzten Zucken, indem er mit noch verbliebenen absichtlichen Bewegungen der rechten Wange mühsam Buchstabe für Buchstabe in das Programm eingibt – bestenfalls zwei bis drei Wörter pro Minute.

Oasen des Geistes: Hochkarätige Physik und Mathematik ist in Cambridge seit vielen Jahrhunderten die Regel. Auch aufgrund des Lucasischen Lehrstuhls, den unter anderem Isaac Newton, Paul Dirac und Stephen Hawking inne hatten. Oben das Trinity College (eingekreist ein Fenster zu Newtons Zimmer). Unten das 2002 eingeweihte Centre of Mathematical Science an der Wilberforce Road (hier der Haupteingang zum Hörsaalgebäude). Es ist Hawkings Wirkungsstätte.

Mit diesem tragischen Schicksal passt Hawking perfekt zum Klischee des im regungslosen Körper gefangenen genialen Geistes, der alle Grenzen zu sprengen trachtet – zumindest die Grenzen der Erkenntnis. Denn seine Forschungen handeln von den abstraktesten, entlegensten und kompliziertesten Themen: Schwarzen Löchern, Urknall, Zeitreisen, Quantenphysik und der Suche nach einer Weltformel, die alle Teilchen und Kräfte erklärt. Kein Wunder wurde er zum Medienstar. Hawking sieht es ähnlich: „Ich bin sicher, dass meine Behinderung eine Rolle spielt, warum ich so bekannt bin. Die Menschen sind fasziniert von dem Kontrast zwischen meinen sehr eingeschränkten physischen Kräften und der gewaltigen Natur des Universums, mit der ich mich beschäftige. Ich bin der Archetypus des behinderten Genies. Doch ob ich ein Genie bin, kann bezweifelt werden.“ Seinen Intelligenzquotienten kennt er übrigens nicht. „Ich habe keine Ahnung“, meint er. „Leute, die mit ihrem IQ protzen, sind Verlierer“.

Die Kombination von kosmologischer Größe und gravierender Krankheit hat aus Hawking sogar eine Art Filmheld werden lassen. Ein TV-Spielfilm über seine Jugend bis zur Dissertation (Hawking, 2004) existiert bereits, ebenso ein Kinofilm über seine Forschungen mit vielen Interviews seiner Weggefährten (A Brief History of Time, 1991). Für die nahe Zukunft ist außerdem ein großer Kinofilm in Arbeit, Beyond the Horizon, der Hawkings Leben und Werk veranschaulichen soll – mit ihm selbst in der Hauptrolle.

Ende Oktober 2009 wurde Hawking emeritiert. Er war 30 Jahre im Amt, was bei seinem Antritt niemand gedacht hatte. Von Ruhestand kann bei Hawking freilich keine Rede sein. Er hat eine große Familie (drei Kinder und drei Enkel; mit seiner Tochter Lucy schrieb er bereits drei Kinderbücher). Er hält Vorträge, wenn seine Gesundheit es erlaubt. Er nahm 2010 eine Gastprofessur am Perimeter-Institut für Theoretische Physik in Kanada an. Er moderierte eine dreiteilige TV-Serie und veröffentlichte ein neues populärwissenschaftliches Sachbuch, Der Große Entwurf. Vor allem aber forscht er mit seinen Kollegen weiter und veröffentlichte in den letzten Jahren mehrere umfangreiche Beiträge zu diffizilen Fragen der Kosmologie – auch über jene primordialen Quantenfluktuationen im Urknall, die bis heute die Architektur des Universums prägen.

Von diesen aktuellen Forschungen berichtet das vorliegende Buch – Erkenntnissen, die Hawking in seinen populären Darstellungen noch überhaupt nicht vorgestellt hat. Darüber hinaus und hauptsächlich versuchen die folgenden Seiten, Hawkings zahlreiche Erkenntnisse und Überlegungen im Zusammenhang in den Blick zu nehmen, aber auch den Kontext zur Kosmologie insgesamt nicht aus dem Augenwinkel zu verlieren. Und dies getreu Albert Einsteins Motto, man solle die Dinge so einfach wie möglich erklären, aber nicht einfacher.

Zunächst werden die 13,7 Milliarden Jahre, die unser Universum bereits existiert, sehr gerafft zusammengefasst (ab hier). Dann werden die theoretischen Grundlagen der Kosmologie skizziert, die Relativitäts- und Quantentheorie plus die Versuche, sie in einer Weltformel zu verbinden (ab hier), und was diese Theorien – gemeinsam mit den astronomischen Beobachtungen und physikalischen Experimenten – über die ersten Sekundenbruchteile des Universums verraten (ab hier). Dies führt zum Rätsel der seltsamen Urknall-Singularität, in der die bekannten Naturgesetze zusammenbrechen und das große Fragezeichen des Weltanfangs erscheint (ab hier). Hinter den Schleier dieses Geheimnisses versuchen inzwischen raffinierte Ideen und Hypothesen zu spähen, was tiefgründige philosophische Probleme von Zeit, Nichts und Unendlichkeit aufwühlt (ab hier). Auch die Unterscheidung von Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft ist nicht selbstverständlich, und so eröffnet sich die bizarre Möglichkeit einer Umkehr der Zeitrichtung (ab hier). Tatsächlich muss der Urknall gar nicht der Anfang von Allem gewesen sein, sondern er war vielleicht nur ein Ereignis unter unzähligen oder der Übergang von einem fremden Universum, das aus unserer Perspektive kollabierte und eine rückwärts laufende Zeit besitzt (ab hier). In Schwarzen Löchern hingegen, jenen ominösen Schwerkraftschlünden, scheint nicht nur alles auf Nimmerwiedersehen zu verschwinden, sondern auch die Zeit zu enden – doch das ist nur die halbe Wahrheit (ab hier). Und womöglich existieren exotische Tunnel in der Raumzeit, schillernde Pforten zu anderen Universen oder gar brisante Schleifen in die Vergangenheit, die das Gefüge von Ursache und Wirkung zu erschüttern drohen (ab hier). Zuletzt – oder zuallererst – stellt sich die Frage nach der Wahrheit wissenschaftlicher Aussagen sowie nach der Natur der Wirklichkeit und darüber hinaus, also auch nach einem göttlichen Schöpfer, Plan oder Sinn der Welt (ab hier).

Über all diese Aspekte wird hier recht konzentriert berichtet. Bereits eine Einführung in die Relativitätstheorie oder Quantenphysik würde ja leicht ein – schweres – Buch füllen. Und eine Besichtigung der Forschungsfronten, nicht selten von leidenschaftlichen Kontroversen begleitet, müsste noch viele weitere Perspektiven öffnen. Über diese aktuellen Entwicklungen der Kosmologie und Grundlagenphysik, einschließlich Hawkings Arbeiten und kritischen Stimmen seiner Kollegen, habe ich in den populärwissenschaftlichen Sachbüchern Hawkings neues Universum und Tunnel durch Raum und Zeit ausführlich berichtet. Darin ist auch sehr viel mehr über Hawkings Leben, seine Forschungstätigkeiten und seine persönlichen Ansichten zu lesen, die in der vorliegenden knappen, mehr einführend-erklärenden als journalistischen und in die Details zielenden Darstellung notgedrungen zu kurz kommen (eine aktuelle Übersicht zu Hawkings Leben und Werk gibt aber die folgende Doppelseite).

Zur Lebenseinstellung von Stephen Hawking soll hier daher nur zitiert werden, was er im Sommer 2010 gegenüber dem US-amerikanischen Fernsehsender ABC mit seiner Computerstimme gesagt hat: „Dies sind die wichtigsten Ratschläge, die ich meinen Kindern auf den Weg gegeben habe: Erstens, vergesst nicht, empor zu den Sternen zu blicken, anstatt hinab auf eure Füße. Zweitens, gebt niemals auf mit eurer Arbeit, denn sie schenkt euch Sinn, ohne den das Leben leer ist. Drittens, wenn Ihr glücklich genug seid, Liebe zu finden, dann denkt daran, dass dies selten ist, und werft sie nicht weg.“

› Leben und Werk: Eine lange Geschichte von Stephen Hawking

JahrEreignis

1942 › 8. Januar: Stephen William Hawking wird in Oxford geboren; seine Eltern sind die Wirtschaftswissenschaftlerin Isobel Hawking und der Tropenmediziner Frank Hawking; Kindheit in London

1943 › Geburt der Schwester Mary

1946 › Geburt der Schwester Philippa

1950 › Umzug nach St. Albans, Hertfordshire, bei London

1955 › Adoptivkind Edward stößt zur Familie

1959 › Begabtenstipendium der University of Oxford, Studium der Physik

1961 › Physikpreis der University of Oxford

1962 › Abschlussexamen mit „sehr gut“

› Beginn der Kosmologie-Dissertation bei Dennis Sciama an der University of Cambridge

› 31. Dezember: Begegnung mit Jane Wilde

1963 › Diagnose: Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)

1965 › Abschluss der Dissertation

› erste wissenschaftliche Veröffentlichungen

› Fellowship und Forschungsstipendium am Caius College in Cambridge

› Hochzeit mit Jane Wilde

1965 bis 1970 › Formulierung der Singularitätstheoreme mit Roger Penrose

1967 › Geburt des Sohns Robert

1970 › Geburt der Tochter Lucy

› Hawking im Rollstuhl

› Mitarbeit am Institute of Astronomy in Cambridge

ab 1971 › Arbeiten zu Schwarzen Löchern (Eigenschaften, Wachstum)

1973 › Buch The Large Scale Structure of Space-Time mit George Ellis

› Arbeit mit Barry Collins zur Isotropie des Universums und zum Anthropischen Prinzip

1974 › komplett pflegebedürftig

› Arbeit zur Thermodynamik und Quantenphysik Schwarzer Löcher: Verdampfung durch Hawking-Strahlung

› Aufnahme in die Royal Society

1974 bis 1975 › Forschungsjahr am California Institute of Technology in Pasadena bei Kip Thorne (seither viele weitere Aufenthalte dort)

1975 › Informationsverlust in Schwarzen Löchern vermutet (Information-Loss Paradox)

› Ernennung zum Reader (akademische Stelle) für Gravitationsphysik

1975 bis 1976 › sechs Preise, darunter die Eddington-Medaille der Royal Astronomical Society und die Pius-XII.-Medaille der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften

1976 › Arbeit mit Don Page zur Gammastrahlung primordialer Schwarzer Löcher

ab 1976 › Arbeiten zur Euklidischen Quantengravitation

1977 › Ernennung zum Professor am Caius College

› Arbeit mit Gary Gibbons zur Strahlung Kosmischer Ereignishorizonte

› Auftritt in der TV-Dokumentation The Key of the Universe (BBC)

1978 › Albert Einstein Award

1979 › Geburt des Sohns Timothy

› Mitherausgeber von General Relativity: An Einstein Centenary Survey

› Berufung auf den Lucasischen Lehrstuhl für Mathematik des Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics (DAMTP) an der University of Cambridge

1980 › 29. April: Antrittsvorlesung Is the End in Sight for Theoretical Physics?

1981 › Vortrag zur Keine-Grenzen-Bedingung (No-Boundary Proposal) an der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften

› Mitherausgeber von Superspace and Supergravity

› Ehrentitel „Commander of the British Empire“ von Königin Elizabeth II.

ab 1981 › Arbeiten zur Kosmologischen Konstante

ab 1982 › Arbeiten mit Ian Moss zur Kosmischen Inflation und zu Phasenübergängen

1982 › Mitorganisation des Workshops The Very Early Universe in Cambridge

› Ehrendoktorate der Universitäten Leicester, New York, Princeton, Notre Dame (später noch acht weitere)

1983 › Arbeit zur Wellenfunktion des Universums mit James Hartle

› Mitherausgeber von The Very Early Universe

1984 › Entwurf für Eine kurze Geschichte der Zeit an den New Yorker Literaturagenten Al Zuckerman, der die Rechte an den Verlag Bantam versteigert

1985 › Arbeit zur Zeitrichtung (später revidiert)

› August: Lungenentzündung in Genf, Luftröhrenschnitt in Cambridge, Verlust der Sprechfähigkeit; Sprachcomputer von David Mason, steuerbar mit der linken Hand

1986 › Mitherausgeber von Supersymmetry and its Applications

1987 › Mitherausgeber von Three Hundred Years of Gravitation

ab 1987 › Arbeiten zu Wurmlöchern und Baby-Universen

1988 › Buch A Brief History of Time (Eine kurze Geschichte der Zeit), wird zum Bestseller und in über 40 Sprachen übersetzt

› Wolf-Preis für Physik zusammen mit Roger Penrose

1989 › Ehrentitel „Companion of Honour“ von Königin Elizabeth II.

1990 › Scheidung von Jane Wilde

1991  › Dokumentarfilm zu Eine kurze Geschichte der Zeit von Errol Morris, dazu das Buch A Brief History of Time. A Reader’s Companion (Stephen Hawkings kurze Geschichte der Zeit)

1992 › Arbeit zur Vermutung zum Schutz der Zeitordnung (Chronology Protection Conjecture)

ab 1992 › weitere Arbeiten zur Quantenphysik Schwarzer Löcher, u.a. mit Simon F. Ross, Raphael Bousso

1993 › Artikel-Sammlung Black Holes and Baby Universes and Other Essays (Einsteins Traum)

› Mitherausgeber von Euclidean Quantum Gravity and other Essays

1994 › Vorlesungen The Nature of Space and Time mit Roger Penrose in Cambridge

1995 › Hochzeit mit seiner Krankenpflegerin Elaine Mason

1996 › Buch The Nature of Space and Time (Raum und Zeit) mit Roger Penrose

› Buch The Illustrated A Brief History of Time (Die illustrierte Kurze Geschichte der Zeit), aktualisiert und neu bebildert

1998 › Arbeit mit Michael Cassidy zu Chronology Selection

› Arbeiten mit Neil Turok zur Entstehung offener Universen mit Inflation

› Vortrag für Bill Clinton im Weißen Haus, Washington

ab 1999 › Arbeiten zur Stringkosmologie, u.a. mit Harvey S. Reall und Thomas Hertog

2001 › Buch The Universe In A Nutshell (Das Universum in der Nussschale)

2002 › Herausgeber von On the Shoulders of Giants: The Great Works of Physics and Astronomy (Giganten des Wissens)

ab 2003 › Arbeiten zum Top-Down-Ansatz der Kosmologie, ab 2006 mit Thomas Hertog

2004 › Informationsverlust in Schwarzen Löchern widerrufen

› Spielfilm Hawking von Philip Martin

2005 › Steuerung des Sprachcomputers nun mit Zucken der rechten Wange

› Buch A Briefer History of Time (Die kürzeste Geschichte der Zeit) mit Leonard Mlodinow

› Herausgeber von God Created the Integers: The Mathematical Breakthroughs That Changed History

2006 › Scheidung von Elaine Mason

2007 › Kinderbuch George’s Secret Key to the Universe (Der geheime Schlüssel des Universums) mit seiner Tochter Lucy Hawking

› Herausgeber von A Stubbornly Persistent Illusion: The Essential Scientific Writings of Albert Einstein

› 26. April: acht Parabelflüge mit je 30 Sekunden Schwerelosigkeit an Bord einer Boeing 727, gestartet vom Kennedy Space Center in Florida

› 19. Dezember: Eröffnung des Centre for Theoretical Cosmology (CTC) am DAMTP der Cambridge University, finanziert von der Stephen Hawking Foundation

ab 2007 › Arbeiten mit James Hartle und Thomas Hertog zur Quantenkosmologie, Wellenfunktion des Universums, Inflation und Zeitrichtung

2008 › Hauptvortrag zum 50. Jahrestag der NASA an der George Washington University

› TV-Dokumentation und DVD Stephen Hawking, Master of the Universe (Channel 4)

2009 › „Presidential Medal of Freedom“ von Barack Obama im Weißen Haus, Washington

› 30. September: Emeritierung in Cambridge, seitdem Director of Research am CTC

› Kinderbuch George’s Cosmic Treasure Hunt (Die unglaubliche Reise ins Universum) mit Lucy Hawking

2010 › TV-Serie und DVD Into the Universe with Stephen Hawking (Die Geheimnisse des Universums) (Discovery Channel)

› Buch The Grand Design (Der Große Entwurf) mit Leonard Mlodinow

2011 › Kinderbuch George and the Big Bang (Zurück zum Urknall – Die große Verschwörung) mit Lucy Hawking

Von der Erde zum Urknall

Der Weltraum mit seinen Myriaden Galaxien – Sterneninseln wie die Milchstraße – ist nicht ewig und unveränderlich, sondern vor 13,7 Milliarden Jahren aus einem Feuerball entstanden. Seither dehnt er sich aus, kühlt ab und schuf sogar Wesen, die diese ganze Geschichte zu ergründen versuchen.