Das Universum

des

Stephen W.

Hawking

Ein Porträt von Tobias Weihofen

 

 

Stephen Hawking: "...ein Jahrhundertgenie wie Albert Einstein"

"...ein Wissenschaftler, der der Weltformel auf der Spur ist, ein Mann, der entgegen allen Prognosen der Ärzte seit über

zwanzig Jahren mit einer unheilbaren tödlichen Nervenkrankheit lebt, kurz, ein Mythos - Stephen Hawking"

"...einer der bedeutendsten Wissenschaftler unserer Zeit"

"...Master of the Universe - Stephen Hawking"

 

Viele glauben, er wäre der Wegbereiter auf der Suche nach der Theorie, die das Universum erklärt. Diese Theorie muß alle Grundkräfte als verschiedene Aspekte einer Art "Superkraft" erscheinen lassen und die Fermionen und Bosonen zu einer Familie zusammenfassen.

Ein anderer Weg wäre es, die beiden großartigsten Theorien, die Relativitätstheorie und die Quantentheorie, zu vereinigen. Dafür müßte man aber die Gravitation als einen Austausch von Botonenteilchen erklären, wie es bei den anderen drei Kräften schon geschehen ist oder die Relativitätstheorie neu überdenken.

Wenn man die Gravitation aus der Sicht der Quantentheorie betrachtet, ist es ein Austausch von Gravitonen der Materieteilchen unseres Körpers und den Materieteilchen der Erde. Das würde aber bedeuten, da alle Gravitonen selbst wieder Gravitonen untereinander austauschen, womit wir Unendlichkeiten bekämen, womit keine Theorie arbeiten kann.

 

Sein Leben

Stephen William Hawking wurde am 8.1.1942 in Highgate, einem Vorort von London, geboren.

Sein Vater Frank Hawking war Facharzt für Tropenmedizin und wurde im Krieg der medizinischen Forschung zugeteilt. Seine Mutter Isobel Hawking war Sekretärin und lernte durch ihren Beruf Frank kennen und heiratete ihn kurz nach Kriegsausbruch.

Nach dem Krieg lebte die Familie Hawking noch ein paar Jahre in Highgate und zog, auf Grund der Ernennung von Frank Hawking zum Leiter der Abteilung Parasitologie am National Institute for Medical Research, nach St. Alban’s nördlich von London.

Stephen hatte zwei Schwestern, Mary und Philippa und einen Bruder Edward, der dreizehn Jahre nach Stephen geboren wurde.

Seine Eltern legten sehr großen Wert auf eine gute Ausbildung und beschlossen, daß Stephen nach Westminster gehen sollte. Leider wurde er kurz vorher schwer krank und mußte notgedrungen eine normale Schule besuchen.

Bereits mit neun Jahren spielte Stephen Hawking mit dem Gedanken, Wissenschaftler zu werden. Er wollte Sachen immer auf den Grund gehen und nahm liebend gern Uhren auseinander um zu sehen, wie sie funktionierten. Er wollte exakte Antworten und sah die damalige Biologie als ungeeignet für ihn an. Er entschloß sich mit vierzehn Jahren, Wissenschaftler zu werden und sich mit Mathematik und Physik zu beschäftigen.

Im Jahr 1959 ging Stephen Hawking (17 Jahre alt) nach bestandener Aufnahmeprüfung nach Oxford und studierte Physik.

Er war bereits früh in seiner Studienzeit den anderen Studenten weit überlegen und gab sich richtig Mühe, auf ihr Niveau herunterzukommen, um zu ihnen zu gehören und war dementsprechend faul.

Bei der Abschlußprüfung entschied er sich für die Kosmologie und bewarb sich um ein Promotionsstudium in Cambrige, welches er nur unter der Voraussetzung, daß seine Abschlußprüfung sehr gut sein würde, erhalten konnte.

Er absolvierte die Abschlußprüfung mit einem Ergebnis zwischen gut und sehr gut. Angesichts des knappen Ergebnises luden die Prüfer ihn zu einem persönlichem Gespräch ein. Nach der Aussage von Stephen Hwaking "Wenn ich ein "gut" bekomme, bleibe ich in Oxford, mit einem "sehr gut" gehe ich nach Cambrige, daher erwarte ich, daß Sie mir ein sehr gut geben" bekam er ein sehr gut und wechselte die Schulen.

Jetzt zeigte sich aber ein anderes Problem: er wurde immer unbeholfener und es fiel ihm immer schwerer zu sprechen. Deshalb suchte er einen Doktor auf mit dem Ergebnis, daß er an Amyotrophische Lateralsklerose erkrankt war. Die Ärzte mußten eingestehen, daß sie nichts unternehmen konnten, um den Fortschritt der Krankheit, die das Absterben von Nervenzellen und den Abbau der Muskulatur zu folge hat, aufzuhalten. In der Regel rechnen die Ärzte mit zwei oder drei Jahre bis zum Tod.

Mit 21 Jahren kehrte er nach Cambrige zurück, verfiel jedoch in schwere Depressionen, wodurch seine Arbeit sehr langsam voran ging. Nach zwei Jahren hatte sich der Fortschritt der Krankheit verlangsamt. Da es sich zeigte, daß er noch länger zu leben hatte, beschloß er, seine Dissertation zu Ende zu schreiben.

1963 lernte Stephen Jane Wilde auf einer Silvesterparty kennen. Stephen Hawking bewunderte ihren Optimismus und ließ sich anstecken, wodurch das Leben leichter wurde und nach der Verlobung wieder einen Sinn hatte.

1965 heirateten sie, und Stephen schloß sein Studium erfolgreich ab und erhielt eine Stelle an der Universität.

Da er größere Distanzen nicht mehr zu Fuß zurücklegen konnte, zog er in die Nähe vom Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics (DAMTP).

Nachdem er den Lucasischen Lehrstuhl in Cambrige übernommen hatte, erhielt er eine Wohnung in dem Gebäude sowie Rollstuhlrampen, um sich problemlos fortbewegen zu können. Hawking setzte sich danach auch für andere Behinderte in Cambrige ein und wurde für sie, nicht zuletzt wegen seiner Einstellung, zum Vorbild.

1967 kam Ehepaars Hawkings erster Sohn zur Welt. 1970 folgte Tochter Lucy und 1979 Timmy.

Im Jahr 1974 wurde er in die Royal Society im Alter von erst zweiunddreißig aufgenommen.

Mittlerweile war er zu einem der berühmtesten Wissenschaftler und mit Ehrungen überhäuft worden, darunter sechs bedeutende internationale Preise, sechs Ehrendoktortitel Ende der siebziger Jahre und den begehrten Albert-Einstein-Preis. Königin Elisabeth ernannte ihn zum Commander of the British Empire -unzählige andere Ehrungen folgten, wie sieben weitere Ehrendoktortitel (auch an seiner eigenen Universität), fünf weitere internationale Preise Ende der achtziger Jahre und die Ernennung zum "Companion of Honor" von der britischen Königin 1989.

Um die Schulausbildung seiner Kinder zu finanzieren, beschloß er 1982, ein Buch zu schreiben. Er wollte kein für Wissenschaftler gedachtes Buch verfassen, sondern es sollte für jeden Menschen verständlich sein. Trotz dieses Grundsatzes hat er den Erfolg seines Buch nie für möglich gehalten. "Eine Kurze Geschichte der Zeit" war monatelang auf dem ersten Platz der Bestsellerlisten. Selbst ein Stephen W. Hawking Fanclub wurde gegründet.

Während er an dem Buch arbeitete, bekam er eine gefährliche Lungenentzündung und drohte zu ersticken. Jane stand nun vor der Entscheidung, keine Operation durchzuführen und ihn vielleicht ersticken zu lassen oder einer Operation zuzustimmen, die es Stephen Hawking unmöglich machen würde, jemals wieder zu sprechen. Sie entschied sich schweren Herzes, zur Operation, was sich hinterher als das Beste herausstellte, denn nun konnte Stephen mit Hilfe eines speziellen Computers schneller "sprechen" als zuvor. Er mußte bestimmte Wortgruppen, Zeilen und Abschnitte anklicken, bis er schließlich das gesuchte Wort gefunden hat. Mit der Zeit brachte er es auf mehr als fünfzehn Wörter in einer Minute, die dann von einem Sythesizer ausgesprochen oder auf Diskette für die Vorlesungen gespeichert werden.

Durch den unerwarteten Erfolg seines Buches (bis 1990 über acht Millionen verkaufte Exemplare) war er immer mehr im Ausland unterwegs, trat in zahlreichen Fernsehshows auf und verbrachte daher kaum noch Zeit mit der Familie. Seine Reisen brachten ihn immer öfter nach Amerika, wo er sich zu einem der berühmtesten Wissenschaftler entwickelte, die nicht nur in Fachkreisen bekannt sind. Seine Kollegen befürchteten schon, daß er nicht mehr genug Zeit für seine Arbeit aufbrachte. Damit lagen sie jedoch falsch, denn Hawking veröffentlichte weiterhin Forschungsergebnisse . Er amüsierte sich jedoch auch auf Veranstaltungen und sorgte immer wieder für Aufregung, wenn mit seinem Rollstuhl übers Tanzpaket wirbelte. Auch in Cambrige ist er ein gefürchteter Rollstuhlfahrer, der dort lang fährt, wo er will und immer denkt, er hätte Vorfahrt. Auch wenn das nicht der Fall ist, fährt er unbeirrt weiter. Ähnlich sieht es mit seiner Arbeit aus. Durch seinen riesigen Optimismus und Lebenswillen läßt er sich nicht von seiner Arbeit abbringen. Er schafft es sogar, daß seine Krankheit eine unwesentliche Rolle in seinem Lebens spielt. Auch wenn man mit ihm spricht, hat man nicht das Gefühl, mit einem schwerkranken Menschen zu sprechen.

Im Jahr 1990 trennten sich Jane und Stephen Hawking.

Es war ein schwerer Verlust für Stephen Hawking, doch sein unbeugsamer Wille setzte sich durch und er arbeitet bis heute unbeirrt an seinen Forschungen weiter.

Seine Arbeit

Anmerkung: Um seine Theorien zu verstehen, muß man sich mit der Relativitäts- und der Quantentheorie auskennen.

"Unser Ziel ist kein geringeres als die vollständige Erklärung des Universums, in dem wir leben"- (Hawking)

Um dies zu erreichen und um die "Weltformel" zu entdecken, sieht Stephen Hawking eine gute Möglichkeit darin, die Schwarzen Löcher zu untersuchen.

Einen ersten Schritt zur Verbindung der Relativitätstheorie und der Quantentheorie hat Stephen Hawking schon gemacht, als er sich 1973 entschloß, die schwarzen Löcher aus der Sicht der Quantentheorie zu betrachten.

 

Schwarze Löcher

Wie entsteht ein schwarzes Loch?

Es gibt zwei Arten von schwarzen Löchern:

  1. ein "normales" schwarzes Loch: Es entsteht folgendermaßen: Die Gravitation versucht, einen Stern zum Zusammensturz zu bringen. Nach außen hält die nach außen strebende Energie, die entsteht, wenn Wasserstoffkerne aufeinander prallen und sich zu Heliumkernen verbinden. Irgendwann geht die Energie aber zurück und der Stern schrumpft. So wird die Gravitation auf der Oberfläche immer stärker, solange, bis selbst Licht nicht mehr entfliehen kann. Die Fluchtgeschwindigkeit wäre jetzt gleich der Lichtgeschwindigkeit.

Man fand heraus, daß ein kollabierter Stern nicht aufhört zu kollabieren. Die Oberfläche schrumpft also auf die Größe Null mitsamt aller Materie. Also einen Radius von Null, einem Vollumen von Null und einer unendlichen Dichte. Also ist auch die Krümmung der Raumzeit unendlich. Man nennt diesen Zustand eine Singularität.

  1. Das frühe schwarze Loch. Es handelt sich hierbei nicht um einen

kollabierten Stern wie bei einem richtigen schwarzen Loch, sondern um zusammengepreßte Materie. Laut Stephen Hawking soll aus dieser zusammengepreßten Materie, deren Zustand einer Singularität sehr nahe kommt, das heutige Universum entstanden sein.

 

Stephen Hawking vertritt die Meinung, daß die Erforschung von schwarzen Löchern ein wichtiger Schritt in Richtung der "Weltformel" ist und hat mehrere Theorien aufgestellt.

1970 entdeckte er (im Gegensatz zu der oberen Behauptung), daß ein schwarzes Loch gar nicht kleiner werden kann, da die Fläche des Ereignishorizontes (der Radius ohne Wiederkehr, an dem die Fluchtgeschwindigkeit größer ist als Lichtgeschwindigkeit) immer gleich bleibt. Die Gravitation ist am Ereignishorizont immer gleich, ob er nun die Oberfläche des schwarzen Loches ist oder weit von dem Zentrum entfernt ist.

Was geschieht dann eigentlich mit Photonen, die angezogen werden, wenn der Stern genau diesen Umfang hat? Die Gravitation ist zu groß, als daß sie entweichen könnten, aber auch nicht groß genug, um sie in das schwarze Loch zu ziehen. So bleiben Photonen hier schweben.

Hawking erkannte, daß die Wege der Lichtstrahlen auf dem Ereignishorizont, nicht die Wege von sich nähernden Lichtstrahlen sein können, da diese sonst zusammenprallen und ins schwarze Loch fallen würden, anstatt zu schweben.

Damit der Ereignishorizont kleiner werden kann, müssen sich die Wege der Lichtstrahlen einander nähern. Aber wenn sie das tun würden, würden sie ins Schwarze Loch fallen und der Ereignishorizont blieb dort, wo er war.

Andererseits kann ein schwarzes Loch und der Ereignishorizont größer werden, da die Größe von der Masse abhängt. So wird ein schwarzes Loch größer, wenn etwas hineinfällt und zu seiner Masse beiträgt.

Da hingegen nichts aus einem schwarzen Loch herauskann, kann es niemals kleiner werden. Diese Erkenntnis wurde zum zweiten Hauptsatz der Dynamik schwarzer Löcher.

Hawkings Idee ähnelt sehr dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, daß die Entropie (der Grad der Unordnung in unserem Universum) stets größer wird und niemals kleiner. Wenn aber etwas in ein schwarzes Loch fällt und damit aus unserem Universum "verschwindet", würde dann nicht Ordnung geschaffen werden?

Ein Doktorand in Princeton, Jacob Bekenstein, stellte die Behauptung auf, daß man keine Entropie zerstören kann, wenn man etwas in ein schwarzes Loch wirft, da das Schwarze Loch selbst eine Entropie besitze und man somit die Entropie des Schwarzen Loches vergrößert.

Wenn etwas aber eine Entropie besitzt, besitzt es auch eine Temperatur und alles was eine Temperatur hat, strahlt Energie aus. Wenn etwas aber Energie ausstrahlt, gibt es etwas ab, und das Gegenteil wurde von schwarzen Löchern bis dahin angenommen.

Hawking machte sich daraufhin an die Forschungsarbeiten bezüglich der Entropie eines Schwarzen Loches. Er kam zu der Erkenntnis, daß Bekenstein recht hatte, da sich durch Hinzugabe von Materie ins schwarze Loch der Ereignishorizont (und die Entropie) vergrößert und somit nicht verschwindet. Die Entropie im Universum bleibt also gleich. Nun versucht Stephen Hawking aber zu erklären, daß schwarze Löcher möglicherweise eine Strahlung haben.

Dafür müssen wir einen kleinen Umweg gehen. Teilchenpaare - Photonen - oder Gravitonenpaare - bilden sich ständig neu. Diese beiden Teilchen entstehen zusammen und bewegen sich voneinander fort, um sich nach kurzer Zeit wieder zu treffen und sich gegenseitig zu zerstören. Die Quantenmechanik besagt, daß dies überall im "leeren" Raum passiert. Diese Teilchen müssen nicht "wirkliche" Teilchen sein, es können auch virtuelle Teilchen sein. Diese kann man zwar nicht direkt messen, aber ihre Wirkung auf andere Teilchen ist zu erkennen. Da die Energie im Universum immer konstant bleibt, wie können dann Teilchenpaare entstehen? Die Teilchen "borgen" sich für kurze Zeit Energie. Da ein Teilchen des Paares nun positive Energie besitzt, muß das andere negative Energie besitzen, um die positive auszugleichen.

Stephen Hawking folgerte nun, daß dies auch am Ereignishorizont eines schwarzen Loches passiert. Bevor die beiden Teilchen wieder zusammenstoßen, um sich zu vernichten, überschreitet das Teilchen mit der negativen Energie den Ereignishorizont in Richtung des schwarzen Loches. Dies bedeutet aber nicht, daß das Teilchen mit der positiven Energie dem anderen folgen muß. Das Gravitationsfeld am Ereignishorizont ist stark genug, um "virtuelle" Teilchen in "reale" umzuwandeln. Diese Transformation bedeutet, daß die beiden Teilchen nicht länger gezwungen sind, sich zu finden, um sich zu zerstören. Sie können viel länger leben, und zwar unabhängig voneinander. Das Teilchen mit der positiven Energie könnte ebenfalls ins schwarze Loch fallen, doch das muß nicht unbedingt passieren. Es ist ungebunden und hat die Chance zu entrinnen.

Durch diesen Prozeß wird das schwarze Loch kleiner. Es verliert Energie, wenn es das virtuelle Teilchen umwandelt. Wie kann dies aber geschehen, wenn nichts durch den Ereignishorizont entweichen kann? Die Lösung ist ziemlich raffiniert: Wenn Teilchen negative Energie in das schwarze Loch transportieren, dann verringern sie damit die Energie des schwarzen Loches und genau diese Energie, die das schwarze Loch abgibt, wird dazu verwandt, daß aus dem virtuellem Teilchen eine reales wird.

Wenn das schwarze Loch aber Energie verliert, wird seine Masse automatisch kleiner (E=mc2). Damit kann ein schwarzes Loch doch kleiner werden entgegen dem zweiten von Stephen Hawking aufgestellten Hauptsatz der Dynamik der schwarzen Löcher.

Dieser Masse und Energieverlust des schwarzen Loches nennt man die Hawking-Strahlung.

Es ist die einzig bekannte Art, wie ein schwarzes Loch kleiner werden kann. Wenn ein schwarzes Loch aber an Masse verliert, wird die Anziehungskraft kleiner, auch am Ereignishorizont. Die Fluchtgeschwindigkeit ist also dann kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Also bestimmt ein kleinerer Radius (näher am schwarzem Loch) den neue Ereignishorizont, so wird ein schwarzes Loch kleiner.

Diese Idee stand so im Widerspruch zu dem, was man bisher über schwarze Löcher dachte, daß er ein Jahr lang zögerte, sie zu veröffentlichen. 1974 beschloß er dann, sie am Rutherford-Appleton Laboratory vorzustellen. Die Reaktion waren gespalten, einige hielten es für Quatsch, andere wiederum waren begeistert. Einen Monat später kam sein Forschungsergebnis in das Wissenschaftsmagazin "Nature" und war bald Gesprächsstoff Nummer eins.

Für weiteren Gesprächsstoff sorgte Hawking mit der Entdeckung von Wurmlöchern, Babyuniversen und seinem "keine-Grenzen Vorschlag".

"keine-Grenzen Vorschlag"

Den "keinen-Grenzen Vorschlag" hat Stephen Hawking zusammen mit seinem Kollegen Jim Hartle von der University of California 1983 veröffentlicht. Diese Theorie besagt, daß es keine "Randbedingungen" im Sinne "Zustand zu Beginn" gibt, d.h. es gibt keinen zeitlichen und räumlichen Anfang oder Ende. Das Universum ist in diesem Modell räumlich endlich, aber auch unbegrenzt. Besser kann man sich das vorstellen, wenn man es mit der Oberfläche eines Balls vergleicht: keine Ränder, aber auch keine unendliche Ausdehnung.

Das steht im Gegensatz zu dem, was Stephen Hawking zuvor dachte und die meisten anderen auch, nämlich, daß das Universum aus einem frühen schwarzen Loch entstanden sein soll. Jetzt soll es auf einmal keinen Anfang und Ende mehr geben.

 

Wurmlöcher und Babyuniversen

Babyuniversen kann man sich als kleine Ausbuchtung am Universum vorstellen.

Vergleichen kann man das mit einem Ballon, der, wenn er aufgeblasen ist, unter dem Mikroskop sichtbar Ausbuchtungen hat. Wenn die Oberfläche des Luftballons sehr dünn ist, bilden sich manchmal neue Miniluftballons. Das ist auch der vereinfachte Vorgang bei Babyuniversen.

Ein solches Universum ist aber unvorstellbar klein und die Nabelschnur (die Verbindung zwischen unserem Universum und dem Babyuniversum) ist nur

ungefähr 10-33 Zentimeter dick.

Die Öffnung - das Wurmloch, wie es genannt wird - ist ein kleines schwarzes Loch, das plötzlich entsteht und nach einem unvorstellbar kurzem Augenblick wieder verschwindet.

Aber die Verbindung muß nicht kurz bleiben und das kleine Universum muß nicht klein bleiben. Nach Hawkings Aussage kann dieses Babyuniversum expandieren und sich über Millionen von Lichtjahre ausdehnen.

Hawking hält es auch für möglich, daß unser Universum durch so ein Babyuniversum entstanden und durch Wurmlöcher mit anderen Universen verbunden ist. Es könnte aber keine Materie aus unserem Universum verschwinden, ohne die gleiche Masse auch aus irgendeinem Wurmloch wiederzubekommen.

Die Entstehung durch ein Babyuniversum stände aber im Widerspruch zum "keine-Grenzen Vorschlag", aber da überrascht uns Stephen Hawking immer wieder, nicht nur beim Rollstuhlfahren, sondern auch bei seinen Forschungen. Zuerst zeigt er, daß das Universum aus einer Singularität entstanden ist, dann formuliert er seinen "keine-Grenzen Vorschlag", nachdem es möglicherweise niemals eine Singularität gab. Als nächstes teilt er uns mit, daß schwarze Löcher niemals kleiner werden, um kurz darauf festzustellen, daß sie doch schrumpfen. Trotz alledem besteht kein Zweifel daran, daß er einer der größten Wissenschaftler unserer Zeit ist - Stephen Hawking.

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