Leseprobe aus:

ISBN: 978-3-498-09188-0Mehr Informationen zum Buch finden Sie auf www.rowohlt.de.

Stephen Hawking

Haben SchwarzeLöcher keine Haare?

Zwei VorträgeMit einem Vorwort und

Erläuterungen von David ShukmanAus dem Englischen von Hainer Kober

Rowohlt

Die englische Originalausgabe erschien 2016 unter dem Titel «BlackHoles. The BBC Reith Lectures» mit freundlicher Genehmigung derBBC bei Bantam Books, einem Imprint von Transworld Publishers,einem Unternehmen der Penguin Random House Group, London.

1. Auflage Januar 2017Copyright der deutschsprachigen Ausgabe

© 2017 by Rowohlt Verlag GmbH, Reinbek bei HamburgLektorat Frank Strickstrock

«Black Holes. The BBC Reith Lectures»Copyright © 2016 by Stephen Hawking

All rights reservedDer Vortrag «Do Black Holes Have No Hair?» wurde zuerst

am 26. Januar 2016, «Black Holes Ain’t As Black As They ArePainted» am 2. Februar 2016 von BBC Radio 4 ausgestrahlt.Die Einband- und Innenillustrationen wurden von Cognitive

(wearecognitive.com) für BBC Radio 4 produziert.Das BBC-Logo ist ein Markenzeichen derBritish Broadcasting Corporation, © BBC.

Einbandgestaltung Anzinger und Rasp, MünchenEinbandabbildung (Hintergrundmotiv)Nimit Nigam / EyeEM / Getty Images

Satz aus ITC Stone PostScript, InDesignGesamtherstellung CPI books GmbH, Leck, Germany

ISBN 978 3 498 09188 0

Inhalt

InhaltEinleitung

von David ShukmanHaben Schwarze Löcher keine Haare?Schwarze Löcher sind nicht so schwarz, wie sie ge-malt werdenWeiches Haar auf Schwarzen Löchern

Abstract4.2. Kapitel4.3. Kapitel4.4. KapitelEine kurze Geschichte der ZeitEinsteins TraumDer große EntwurfMeine kurze Geschichte4.9. Kapitel4.10. Kapitel

Einleitung

5

von David ShukmanAlles an Stephen Hawking ist faszinierend: das Schick-sal eines Genies, das in einen hilflosen Körper eingesperrtist; der Anflug eines Lächelns in einem Gesicht, in dem sichnur noch ein einziger Muskel bewegt; die unverwechsel-bare Roboterstimme, die uns einlädt, an den wunderbarenEntdeckungsreisen eines Verstandes teilzunehmen, der dieentlegensten Winkel des Universums durchstreift.

Gegen alle Wahrscheinlichkeit hat diese bemerkens-werte Persönlichkeit die üblichen Grenzen der Naturwis-senschaft überschritten. Von seinem Buch Eine kurze Ge-schichte der Zeit wurde die schier unglaubliche Zahl vonzehn Millionen Exemplaren verkauft. Kurzauftritte in be-liebten Comedy-Shows, Einladungen ins Weiße Haus undein Film über sein Leben, der gut ankam, sicherten ihmendgültig den Prominentenstatus. Er hat nichts wenigererreicht, als der berühmteste Wissenschaftler der Welt zuwerden.

Als bei ihm in den sechziger Jahren eine amyotrophe La-teralsklerose diagnostiziert wurde, gab man ihm noch zweiJahre. Doch ein halbes Jahrhundert später ist er noch immerin der Lage, zu forschen, zu schreiben, zu reisen und regel-mäßig in den Nachrichten zu erscheinen. Seine Tochter Lu-cy erklärt diese ungeheure Energieleistung damit, dass er«außerordentlich stur» sei.

Was es auch sei – das Leid seiner persönlichen Geschich-te oder seine Fähigkeit, die Menschen zu begeistern  – ,Hawking beflügelt die Phantasie. Kürzlich wies er warnenddarauf hin, dass die Menschheit durch eine Reihe selbst-verschuldeter Katastrophen gefährdet sei – von der globa-len Erwärmung bis zu künstlich entwickelten Viren. Ein Ar-tikel, der darüber berichtete, war die meistgelesene BBC-Webseite des Tages.

6

Es ist eine schreckliche Ironie des Schicksals, dass ein sobegnadeter Kommunikator keine normalen Gespräche füh-ren kann. Für Interviews müssen die Fragen vorher einge-schickt werden. Vor ein paar Jahren baten mich seine Mit-arbeiter, auf jeden Smalltalk zu verzichten, weil er auch beikürzesten Fragen endlos brauche, um seine Antworten zu-sammenzustellen. In der Aufregung, ihn endlich zu treffen,rutschte mir dann doch ein «Wie geht es Ihnen?» heraus,woraufhin ich lange und voller Schuldbewusstsein auf sei-ne Antwort warten musste. Es ging ihm gut.

Eine Tafel in seinem Büro in Cambridge ist mit Gleichun-gen bedeckt. Mathematik in ihrer exklusivsten Form ist dieVerkehrssprache der Kosmologie. Doch Stephen Hawkingsbesonderer Beitrag zur wissenschaftlichen Forschung istdie Fähigkeit, die Ansätze scheinbar höchst verschiedenerSpezialgebiete zu vereinigen. Vor allem war er der Erste,der die ungeheure Weite des Raums mit mathematischenTechniken berechnete, die zur Untersuchung winziger Teil-chen im Inneren von Atomen entwickelt wurden.

Seine Kollegen auf diesem teuflisch komplizierten Ge-biet mögen befürchten, dass sie ihre Arbeit der Öffentlich-keit niemals verständlich machen können. Doch gerade dasBemühen, ein breiteres Publikum zu erreichen, ist ein Mar-kenzeichen von Hawking. In den diesjährigen Reith-Vorträ-gen der BBC stellte er sich der Herausforderung, die Er-kenntnisse seiner lebenslangen Beschäftigung mit Schwar-zen Löchern in zwei fünfzehnminütigen Vorträgen zusam-menzufassen. Für die Leser, die zwar neugierig, interes-siert oder fasziniert sind, sich aber vor der Physik und Ma-thematik ein bisschen fürchten, habe ich an einigen Stel-len Anmerkungen eingefügt, um das Verständnis zu erleich-tern.

7

Haben SchwarzeLöcher keine Haare?

Es heißt, die Wirklichkeit sei manchmal seltsamer als dieProdukte unserer Phantasie. Nirgendwo dürfte das wah-rer sein als im Fall der Schwarzen Löcher. Schwarze Lö-cher sind seltsamer als alles, was sich Science-Fiction-Au-toren jemals hätten ausdenken können, aber sie sind ge-sicherte Erkenntnis der Wissenschaft. Nur allmählich hatdie Wissenschaft erkannt, dass massereiche Sterne infolgeder Eigengravitation in sich zusammenstürzen können, undsich mit der Frage beschäftigt, wie sich die zurückgeblie-benen Objekte verhalten. Albert Einstein hat sogar 1939 ineinem Aufsatz behauptet, dass Sterne keinen Gravitations-kollaps erleiden könnten, weil sich Materie nicht über ei-nen bestimmten Punkt hinaus zusammenpressen lasse. Vie-le Wissenschaftler teilten diese instinktive Auffassung vonEinstein. Die große Ausnahme war der amerikanische For-scher John Wheeler, der in vielerlei Hinsicht der Held derGeschichte der Schwarzen Löcher ist. In seinen Arbeitender fünfziger und sechziger Jahre vertrat er mit Nachdruckdie Ansicht, dass Sterne letztendlich kollabierten, und wiesauf die Probleme hin, die diese Möglichkeit für die theoreti-sche Physik aufwerfe. Außerdem sagte er viele Eigenschaf-ten der Objekte voraus, in die sich kollabierte Sterne ver-wandeln – das heißt der Schwarzen Löcher.

8

DS: Der Ausdruck «Schwarzes Loch» ist relativ einfach,aber es ist schwer, sich ein solches Objekt im All auszuma-len. Stellen Sie sich einen riesigen Abfluss vor, in dem dasWasser strudelnd verschwindet. Sobald irgendetwas denRand – den sogenannten Ereignishorizont – überschreitet,gibt es keinen Weg zurück. Da Schwarze Löcher eine unge-heure Anziehungskraft besitzen, wird sogar das Licht ein-gesaugt, sodass diese kosmischen Objekte buchstäblich un-sichtbar sind. Aber Physiker wissen, dass es sie gibt, weilsie Sterne auseinanderreißen, die ihnen zu nahe kommen,und weil sie Wellen durch den Raum senden können. EineKollision zwischen zwei Schwarzen Löchern hat vor mehrals einer Milliarde Jahren sogenannte Gravitationswellenausgelöst, die unlängst entdeckt wurden – eine höchst be-deutsame wissenschaftliche Leistung.

9

Den größten Teil seines Lebens, viele Milliarden Jahre lang,behauptet sich ein normaler Stern gegen seine Eigengravi-tation mittels des thermischen Drucks aufgrund von Kern-prozessen, die Wasserstoff in Helium verwandeln.

DS: Die NASA vergleicht Sterne mit Dampfkochtöpfen. DieExplosivkraft der Kernfusionen in ihrem Inneren erzeugteinen Druck nach außen, der durch die alles nach innenziehende Gravitation begrenzt wird.

Irgendwann hat der Stern jedoch seinen Kernbrennstoffaufgezehrt. Jetzt beginnt er, sich zusammenzuziehen. In ei-nigen Fällen ist der Stern in der Lage, sich als «WeißerZwerg» zu stabilisieren. Doch Subrahmanyan Chandrasek-har wies 1930 nach, dass die maximale Masse eines WeißenZwergs ungefähr dem 1,4fachen der Sonne entspricht. Eineähnliche Maximalmasse hat der sowjetische Physiker Lew

10

Landau für einen vollkommen aus Neutronen bestehendenStern errechnet.

DS: Weiße Zwerge und Neutronensterne waren einmal Son-nen und haben inzwischen ihren Brennstoff aufgebraucht.Ohne eine Kraft, die sie stabilisieren könnte, vermag nichts,ihre Eigengravitation davon abzuhalten, sie zu schrumpfen,mit dem Ergebnis, dass sie am Ende zu den dichtesten Ob-jekten im Universum gehören. Doch in der Größentabelleder Sterne rangieren sie ziemlich weit unten, das heißt, siebesitzen nicht genügend Gravitationskraft, um vollständigin sich zusammenzustürzen. Daher ist für Stephen Hawkingund seine Kollegen weit interessanter, was mit den wirklichgroßen Sternen am Ende ihres Lebens geschieht.

Was geschieht dann mit den zahllosen Sternen, die einegrößere Masse besitzen als Weiße Zwerge oder Neutro-nensterne, wenn sie ihren Kernbrennstoff verbraucht ha-ben? Mit diesem Problem beschäftigte sich Robert Oppen-heimer, der später durch den Bau der Atombombe bekanntwurde. 1939 zeigte er in zwei zusammen mit George Vol-koff und Hartland Snyder verfassten Arbeiten, dass ein sol-cher Stern nicht durch den nach außen gerichteten Druckstabilisiert werden kann. Wenn man den Druck in der Rech-nung ignoriert, zieht sich ein kugelförmiger, symmetrischerStern gleichförmiger Dichte zu einem einzigen Punkt vonunendlicher Dichte zusammen. Einen solchen Punkt be-zeichnen wir als Singularität.

DS: Eine Singularität entsteht, wenn ein riesiger Sternzu einem unvorstellbar kleinen Punkt zusammengepresstwird. Dieses Konzept ist ein zentrales Thema in StephenHawkings wissenschaftlicher Laufbahn. Es betrifft nichtdas Ende eines Sterns, sondern auch, weit grundsätzlicher,die Geburt des gesamten Universums. Die weltweite Aner-

11

kennung als Wissenschaftler verdankt Hawking seinen ma-thematischen Arbeiten zu diesem Thema.

Alle unsere Raumtheorien gingen von der Annahme aus, dieRaumzeit sei glatt und fast flach, daher versagten sie ander Singularität, wo die Krümmung der Raumzeit unendlichist. Tatsächlich bedeutet die Singularität das Ende der Zeitselbst, ein Umstand, den Einstein äußerst anstößig fand.

DS: Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie verzer-ren Objekte die Raumzeit in ihrer Umgebung. Stellen Siesich eine Bowlingkugel auf einem Trampolin vor, die dieForm des Materials verändert und dadurch bewirkt, dasskleinere Objekte in ihre Richtung rutschen. So erklärt mandie Wirkung der Gravitation. Aber wenn die Bahnen in derRaumzeit immer steiler werden und die Krümmung schließ-

12

lich gegen unendlich geht, lassen sich die üblichen Gesetzevon Raum und Zeit nicht mehr anwenden.

Dann brach der Zweite Weltkrieg aus. Die meisten For-scher, unter ihnen auch Robert Oppenheimer, wandten ihreAufmerksamkeit der Kernphysik zu, woraufhin das Problemdes Gravitationskollapses weitgehend in Vergessenheit ge-riet. Erst mit der Entdeckung ferner Objekte, die als Quasa-re bezeichnet wurden, lebte das Interesse an dem Gegen-stand wieder auf.

DS: Quasare sind die hellsten Objekte im Universum undmöglicherweise auch die fernsten, die bislang entdecktwurden. Der Name ist ein Kurzwort für «quasistellare Ra-dioquellen». Man hält sie für scheibenförmige Ansammlun-gen von Sternen, die um Schwarze Löcher kreisen.

[...]

13