Physik Was Hawking der Nachwelt hinterlassen hat

Die Illustration zeigt die Umgebung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen der aktiven Galaxie NGC 3783 im südlichen Sternbild Centaurus.

(Foto: dpa)
  • Niemand kann ernsthaft über Schwarze Löcher nachdenken, ohne sich mit Hawkings Erkenntnissen auseinanderzusetzen.
  • Schwarze Löcher entstehen unter anderem, wenn schwere Sterne mit einem Vielfachen der Masse unserer Sonne ihren Brennstoff aufgebraucht haben und unter dem Druck der Gravitation in sich zusammenfallen.
  • 1975 konnte Hawking zeigen, dass die Quantenmechanik einen Trick bietet, mit dem Schwarze Löcher doch Teilchen abstrahlen - sie geben die sogenannte Hawking-Strahlung ab.
Von Marlene Weiß

Manchmal hat ein Wissenschaftler das Glück (oder sollte man es Schicksal nennen?), schon in jungen Jahren auf ein Thema zu stoßen, das ihn sein gesamtes Forscherleben lang nicht mehr loslässt. Stephen Hawking ist es so mit den Schwarzen Löchern ergangen, mit denen sein Name für immer verbunden sein wird.

Weder kann man von Hawkings Leben berichten, ohne diese rätselhaften Objekte zu erwähnen - noch kann irgendjemand ernsthaft über Schwarze Löcher nachdenken, ohne sich dabei auch mit Hawkings Erkenntnissen auseinanderzusetzen.

Ein Loch in der Raumzeit, dem nichts entkommen kann

Schwarze Löcher entstehen unter anderem, wenn schwere Sterne mit einem Vielfachen der Masse der Sonne ihren Brennstoff aufgebraucht haben und unter dem Druck der Gravitation in sich zusammenfallen. Alle Materie ist dann in einen einzigen Punkt von unendlicher Dichte konzentriert; eine Art Loch in der Raumzeit. Dieser Klumpen übt eine so starke Schwerkraft aus, dass ihm nichts in seiner Nähe entkommen kann, nicht einmal das Licht - daher der Name "Schwarzes Loch".

Lange dachte man, dass solche Objekte nur eine mathematische Spielerei mit den Gleichungen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie seien, frei von echter Physik. Aber nach und nach verdichteten sich die Hinweise, dass Schwarze Löcher im Universum durchaus existieren.

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Heute besteht eigentlich kein Zweifel mehr daran, auch wenn man sie nur indirekt beobachten kann: etwa durch die Strahlung, die hineinfallende Materie aussendet, ehe sie für immer im Schwarzen Loch verschwindet. Oder seit Neuestem durch Gravitationswellen, die bei der Kollision zweier Schwarzer Löcher freigesetzt werden.

Aber trotzdem bleiben die Löcher Forschern bis heute ein Rätsel. Das hat viel mit den Ideen zu tun, die Stephen Hawking in den vergangenen fast 50 Jahren veröffentlicht hat. Damals hatten er und sein israelischer Kollege Jacob Bekenstein entdeckt, dass Schwarze Löcher mehr Eigenschaften haben müssen als nur ihre enorme Schwerkraft: unter anderem kann man jedem eine bestimmte Temperatur zuordnen. Das aber bedeutet, dass sie auch Strahlung abgeben müssen - eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit, weil so ein Schwarzes Loch ja eben gerade nichts entkommen lässt, auch keine Strahlung.

1975 konnte Hawking zeigen, dass die Quantenmechanik einen Trick bietet, mit dem Schwarze Löcher doch Teilchen abstrahlen können, ja sogar müssen - sie geben die sogenannte Hawking-Strahlung ab (wenn ein so fundamentaler Effekt den eigenen Namen trägt, hat man als Physiker meist keinen schlechten Job gemacht). Hawking und viele seiner Kollegen haben oft versucht, sie anschaulich zu beschreiben.

Ein Teilchen stürzt ins Loch, das andere entkommt

Auch wenn einfache Bilder das Problem zwangsläufig etwas unterkomplex beschreiben, kann man sich die Sache doch etwa so vorstellen: Am Rand des Schwarzen Loches, in der Nähe des "Point of no Return", ab dem alles Hineinfallende verloren ist, stört die enorme Anziehungskraft des Schwarzen Loches das Flimmern des quantenmechanischen Vakuums. Virtuelle Teilchen-Antiteilchen-Paare werden auseinandergerissen, so dass ein Partner ins Loch stürzt, während der andere entkommt. Mit ihm verlässt auch Energie und damit Masse das Schwarze Loch. Auf Dauer wird es dadurch verdampfen, bis nichts mehr übrig ist.

Das jedoch ist viel mehr als einfach nur ein netter kleiner Effekt, auf den man ein paar Jahrzehnte lang stolz sein kann und mit dem man sich ansonsten nicht mehr groß befassen muss. Es ist vielmehr eine Aufgabe, an der Hawking selbst und viele seiner Kollegen bis zu seinem Tod herumgekaut haben - und sie wird die Physiker wohl noch lange beschäftigen. Denn in der Quantenmechanik darf eigentlich niemals Information verloren gehen.

Das würde aber passieren, wenn man komplexe Materie in ein Schwarzes Loch hineinwerfen könnte, und am Ende nur gleichförmige Strahlung wieder herausbekäme. Manche Experten meinen, dass man für die vollständige Auflösung dieses Paradoxons erst die Quantentheorie mit der Gravitation vereinen müsste. Das aber bleibt eine Aufgabe für kommende Physiker-Generationen.

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