Genie der Astrophysik Stephen Hawking ruht zwischen Darwin und Newton

Als Astrophysiker hat Stephen Hawking wegweisende Theorien zu Schwarzen Löchern veröffentlicht. Nun ist der berühmte Wissenschaftler drei Monate nach seinem Tod in der Westminster Abbey in London beigesetzt worden.

von Clemens Haug

Schwarzes Loch
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Am 14. März 2018 - vor fast genau drei Monaten - erlosch ein heller Stern am Wissenschaftshimmel: Stephen Hawkings starb im Alter von 76 Jahren in Cambridge. Ende März fand in der Universitätsstadt die Trauerfeier mit 500 geladenen Gästen statt. Nun ist die Asche des Ausnahmephysikers beerdigt worden - in der bekannten Westminster Abbey in London. Hawking, der den renommierten Lucasischen Lehrstuhls für Mathematik in Cambridge innehatte, liegt nun neben anderen großen Wissenschaftlern wie Charles Darwin und Isaac Newton.

Doch wofür war Stephen Hawking eigentlich genau berühmt?

Stephen Hawking hat wegweisende Theorien u.a. zu Schwarzen Löchern erdacht und damit bereits in 1980er-Jahren seine Kollegen in Jena beeindruckt. Weil man sie aber bislang nicht mit Experimenten beweisen kann, blieb ihm der Nobelpreis verwehrt.

Schwarze Löcher gehören wahrscheinlich zu den eigenartigsten Orten im Universum. Sie entstehen bei der Explosion gewaltiger Sterne an deren Ende sich die Überreste der Himmelskörper zu unendlich dichten Haufen von Materie verklumpen. Dabei entwickeln diese Teilchenhaufen eine derart starke Schwerkraft, dass sogar das Licht festgehalten wird und die Zeit praktisch still steht. Man kann Schwarze Löcher deshalb nicht sehen, nichts kann aus ihnen entkommen. Nur aus der unmittelbaren Umgebung der Löcher entweicht eine schwache Wärmestrahlung, zumindest, wenn es nach Stephen Hawking geht. 1974 berechnete der Astrophysiker diesen Effekt, als sogenannte Hawking-Strahlung ist er deshalb nach ihm benannt.

Die Hawking-Strahlung – dazu gleich mehr – ist nur eines von vielen Forschungsergebnissen, mit denen der britische Wissenschaftler die Fachwelt noch auf viele Jahrzehnte hinweg geprägt hat. Seine Wissenschaftler-Kollegen halten die Arbeiten des am Dienstag verstorbenen Astrophysikers für bahnbrechend. Warum das so ist, erklärt unter anderem Markus Pössel, der das Haus der Astronomie in Heidelberg leitet.

Markus Pössel vom Haus der Astronomie
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Erst in den 1960er-Jahren begannen die Physiker zu verstehen, was es mit den Schwarzen Löchern auf sich hat, die man in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beschreiben kann - und dass diese Gebilde zum Teil recht einfachen Gesetzen folgen. Ein grundlegendes Gesetz konnte Hawking elegant beweisen. Salopp gesagt: wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, ist die Oberfläche des dabei entstehenden Schwarzen Lochs immer größer als die Summe der Oberflächen der ursprünglichen Schwarzen Löcher. Das hat Konsequenzen dafür, wieviel Energie bei der Verschmelzung in Form von Gravitationswellen freigesetzt werden kann.

Auf ähnliche Weise konnte Hawking auch beweisen, dass der Anfang des Universums, wie ihn die klassischen Urknallmodelle beschreiben, mathematisch sehr sonderbare Eigenschaften hat - so muss die Dichte damals unendlich hoch gewesen sein. Ein Hinweis darauf, dass man zur Beschreibung des Urknalls die Quantentheorie hinzuziehen muss - ein Forschungsprogramm, dem Hawking den Rest seines Lebens widmen sollte.

Markus Pössel, Haus der Astronomie der Max-Planck-Gesellschaft

Verrückte Welt der Quanten

Die Welt der Quantenphysik wirkt auf Laien vollkommen verrückt, widerspricht sie doch den meisten Erfahrungen, die Menschen täglich über die Naturgesetze machen. In der Welt der Quanten gibt es Teilchen, die kommen aus dem Nichts und verschwinden wieder oder sind an mehreren Orten zur gleichen Zeit und zudem noch wie durch unsichtbare Fäden mit anderen Teilchen verbunden. Trotzdem prägt die Quantenphysik unser Leben, in unseren Handys etwa spielt sie eine zentrale Rolle.

Hawking hatte sich zu Beginn seiner wissenschaftlichen Karriere zunächst mit der Gravitationstheorie von Albert Einstein beschäftigt. Zusammen mit George F.R. Ellis veröffentlichte er "The Large Scale Structure of Space-Time", ein Buch, das unter anderem für den Jenaer Gravitationsphysiker Dr. Gernot Neugebauer bis heute ein Standardwerk auf dem Gebiet der modernen Gravitionstheorie ist.

Die Hawking-Strahlung

Dann aber fragte sich Hawking: Wie lassen sich Einsteins Annahmen über die Schwerkraft, also die Gravitation, mit der Welt der Quantenphysik vereinen? Bei seinen Berechnungen von Schwarzen Löchern machte er dabei eine interessante Entdeckung. In der Quantenphysik gibt es Teilchenpaare, die aus Energie entstehen, ein Teilchen und sein Antiteilchen (die Physiker sprechen hier von virtuellen Teilchen). Beide zusammen heben sich gegenseitig auf, verpuffen quasi wieder zu Energie. Dieser Effekt tritt praktisch überall im Universum ständig auf. Am Rand eines schwarzen Lochs jedoch kann es dazu kommen, dass ein Teil des Paares in das Loch hineingezogen wird, während der andere Teil als Wärme vom schwarzen Loch abgestrahlt wird. Bei diesen, abgestoßenen Teilchen handelt es sich um die Hawking-Strahlung.

Der Effekt tritt dabei umso stärker auf, je kleiner das schwarze Loch ist. Sehr große schwarze Löcher strahlen umgekehrt nur sehr schwach, kleine Löcher hingegen geben sehr viel Strahlung ab, bis sie praktisch komplett verdampft sind.

Stephen Hawking in Jena

Hawking, der unter der unheilbaren Nervenkrankheit ALS litt, hatte rund 40 Jahre, von 1979 bis 2009, den Lucasischen Lehrstuhl für Mathematik an der Universität Cambridge inne. Zu seinen Vorgängern dort zählte Isaac Newton, der als einer der Väter der modernen Physik die Schwerkraft beschrieb. 1980, ein Jahr nachdem Hawking auf diesen berühmten Lehrstuhl berufen wurde, kam er zu einer wissenschaftlichen Konferenz in die DDR, nach Jena, zu dem von Ernst Schmutzer organisierten 9. Weltkongress der Gesellschaft für generelle Relativität und Gravitation. An diesen Besuch kann sich Gernot Neugebauer, emeritierter Professor für Gravitationsphysik, bis heute erinnern.

Die Hawking-Strahlung ist sicher sein bekanntestes Ergebniss neben seinen brillanten theoretischen Überlegungen. Man muss sich vorstellen, er hat damals solche komplexen Berechnungen in seinem Kopf angestellt, trotz der Krankheit, die ihn ja stark beeinträchtigt hat.

Gernot Neugebauer, Physiker, Mitglied der Leopldina

Diese Berechnungen stellte Hawking bereits 1974 an, sechs Jahre vor seinem Besuch in Jena, von dem bis heute kaum etwas bekannt ist. Denn damals hatte er zwar unter Physikern einen Namen, war aber noch nicht der weltberühmte Autor von "Eine kurze Geschichte der Zeit".

Die bekannteste wissenschaftliche Auszeichnung, der Nobelpreis, für die Vorhersagung dieser Hawking-Strahlung blieb ihm allerdings verwehrt. Dafür müsste der Effekt erst experimentell nachgewiesen werden. Neugebauer schätzt, dass es noch viele Jahre dauern könnte, bis ein solcher Nachweis gelingt.

Dieses Thema im Programm: MDR AKTUELL Radio | 14. März 2018 | 05:30 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 15. Juni 2018, 13:49 Uhr