Stephen Hawking, der Physiker, der das Universum zurückgespult und verstärkte Teilchen aus den heißen Grenzregionen der Schwarzen Löcher abgeschöpft hat, wird heute (8. Januar) 76 Jahre alt.
Hawking ist nicht nur ein weltbekannter Kosmologe, sondern auch eine Ikone der Popkultur. Er ist eine bemerkenswerte Figur: ein Genie, das sich in einem Körper zusammengerollt hat, der größtenteils durch Amyotrophe Lateralsklerose oder ALS immobilisiert ist. Er wird von einem fortschrittlichen Rollstuhl unterstützt und kommuniziert mit der Welt über ein seltenes und spezialisiertes System, das die Bewegungen eines einzelnen Muskels in seiner Wange in Sprache umwandelt. In diesem Modus trat er in "Star Trek: The Next Generation", "The Simpsons" und "The Big Bang Theory" auf.
Hawkings nachhaltigstes Erbe wird jedoch der wichtigste Physiker der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts sein - ein Forscher, der die früheren Arbeiten von Figuren wie Albert Einstein und Werner Heisenberg zu einer zusammenhängenden Erklärung für das Verhalten von zusammengefügt hat der Kosmos.
"Es gibt eine Singularität in unserer Vergangenheit"
Keine gute geniale Geschichte beginnt mit weniger als einem Knall. Daher ist es angebracht, dass Hawkings erste große Leistung auch seine Doktorarbeit an der Universität von Cambridge war.
Hawkings 1966 genehmigte These lieferte ein dramatisches Argument: Das gesamte Universum begann als ein einziger Punkt, unendlich klein und dicht und auf sich selbst zusammengerollt - ein Punkt am Anfang von allem. Oder, wie er später schreiben würde, kurz und bündig: "In unserer Vergangenheit gibt es eine Singularität."
Es war die erste Beschreibung des Urknalls, wie er heute allgemein verstanden wird: ein unendlich kleiner Punkt in der Ferne der Zeit, der in unseren modernen, sich ständig erweiternden Kosmos eindrang.
Wie Hawking in seinem Vortrag "Der Ursprung des Universums" aus dem Jahr 2005 beschrieb, kam seine These zu einem Zeitpunkt, als Wissenschaftler gesehen hatten, dass sich die riesigen leeren Bereiche des Weltraums, die Abgründe zwischen den Galaxien, ausdehnten. Aber sie waren sich nicht sicher warum. Einige Physiker schlugen schwächere Versionen des Urknallkonzepts vor, abzüglich der Singularität. Aber eine andere Theorie, genannt Steady State Universe, war vorherrschend.
"Als sich Galaxien auseinander bewegten", sagte Hawking über das Steady-State-Universum, "bestand die Idee darin, dass sich neue Galaxien aus Materie bilden würden, die kontinuierlich im gesamten Weltraum erzeugt werden sollte. Das Universum hätte für immer existiert und hätte gleich ausgesehen." jederzeit."
Mit anderen Worten, viele Wissenschaftler dachten, dass sich das Universum ausdehnt, aber auf eine Weise, die ihm keinen Anfang und kein Ende gab.
Wie die Biografin Kitty Ferguson in ihrem Buch "Stephen Hawking: Ein uneingeschränkter Geist" (St. Martin's Griffin, 2012) schrieb, kämpfte Hawking in den Monaten nach seiner ALS-Diagnose von 1963 im Alter von 21 Jahren mit Depressionen und hatte möglicherweise eine anhaltende psychische Erkrankung bin nie zu seiner These gekommen. Aber seine Depression ließ nach, als klar wurde, dass er die Erwartungen überlebte und als ihm laut Ferguson eine Ausnahme von den Cambridge-Regeln für Doktoranden gewährt wurde, die es ihm ermöglichten, seine erste Frau, Jane Wilde, zu heiraten.
In dieser Zeit, bevor er zum Thema seiner Doktorarbeit kam, berichtete Hawking, er sei frustriert darüber, wie sich Forscher mit Arbeiten beschäftigten, die er letztendlich für trivial hielt.
"Die Leute waren so erfreut, eine Lösung für Feldgleichungen zu finden. Sie fragten nicht, welche physikalische Bedeutung sie gegebenenfalls hatte", sagte er später in seinem Geburtstagsvortrag von 2002.
Diese Frustration führte ihn zu seiner ersten Berühmtheit. Wie Ferguson erzählte, reiste Hawking im Juni 1964, um einen Vortrag von Fred Hoyle zu hören, einem berühmten Astronomen und Verfechter der Steady-State-Universe-Theorie. Während des Vortrags wurde Hawking so frustriert, dass er sich auf die Beine stützte und sich auf seinen Stock stützte, um eines von Hoyles Ergebnissen in Frage zu stellen.
"Ein erstaunter Hoyle fragte Hawking, wie er möglicherweise beurteilen könne, ob das Ergebnis richtig oder falsch sei", schrieb Ferguson. "Hawking antwortete, dass er 'es herausgefunden hat'."
Das Publikum war beeindruckt und Hoyle war "wütend" über diesen unbekannten Doktoranden, der die Forschung des Professors in der Vorlesung in seinem Kopf auseinandergerissen zu haben schien, schrieb Ferguson. (Tatsächlich hatte Hawking sich mit einem von Hoyles Schülern angefreundet und lange vor der Vorlesung begonnen, die Idee anzugreifen.)
Bald darauf, schrieb Ferguson, erfuhr Hawking von einer kosmologischen Theorie, die der Mathematiker Roger Penrose entwickelt hatte: Singularitäten, die in der allgemeinen Relativitätstheorie theoretisierten Punkte unendlicher Dichte und Raum-Zeit-Krümmung, könnten tatsächlich auftreten, wenn ausreichend große Sterne auf sich selbst kollabieren.
"Hawking startete von dort", schrieb Ferguson, "kehrte die Richtung der Zeit um und überlegte, was passieren würde, wenn ein Punkt unendlicher Dichte und unendlicher Krümmung der Raumzeit - eine Singularität - nach außen explodierte und sich ausdehnte. Angenommen, das Universum begann wie folgt." Nehmen wir an, Raum-Zeit, zusammengerollt in einem winzigen, dimensionslosen Punkt, explodierte in dem, was wir Urknall nennen, und dehnte sich aus, bis es so aussieht, wie es heute aussieht. Könnte es so passiert sein? Muss ist es so passiert? "
Hawking machte sich an die Arbeit und untermauerte seinen Spekulationszug mit soliden Berechnungen. Seine auf diesen Berechnungen basierende Doktorarbeit wurde 1966 genehmigt. Diese Berechnungen bildeten zusammen mit den in Zusammenarbeit mit Penrose in den folgenden zehn Jahren durchgeführten Nachforschungen die Grundlage für das moderne Verständnis der Wissenschaftler für den Urknall.
Etwa zur gleichen Zeit scheiterten bestimmte wichtige Vorhersagen der Theorie des Steady-State-Universums an experimentellen Tests, was Hawkings Status als Entdecker der wahren Geschichte des frühen Universums festigte.
Explosionen von Schwarzen Löchern?
Wenn Hawkings einziger Erfolg in seiner Karriere darin bestand, die historische Form des Universums zu entdecken, wäre er immer noch ein Riese - die Art von Person, die neben Rosalind Franklin erwähnt wurde, die die Doppelhelixform der DNA entdeckte, oder Nicolaus Copernicus, der zuerst die Form vorschlug heliozentrisches Modell des Sonnensystems. Aber das war nur die erste von Hawkings zwei entscheidenden Errungenschaften.
Die zweite, Hawking-Strahlung, erfordert ein wenig Verständnis für zwei Dinge: Schwarze Löcher und die Quantenmechanik des leeren Raums.
Erstens über Schwarze Löcher: Ein Schwarzes Loch ist ein Stern, der auf sich selbst zusammengebrochen ist und so gravitativ intensiv geworden ist, dass nicht einmal Licht aus einer Region um sein Zentrum entweichen kann. Jenseits dieses Punktes, der als Ereignishorizont bezeichnet wird, ist die Raumzeit so gekrümmt, dass alles, was hinter das Leichentuch fällt, für immer verloren geht. Ein Schwarzes Loch emittiert nach diesem Verständnis in den frühen 1970er Jahren niemals Licht, schrumpft niemals, verliert niemals Masse; es gewinnt nur an Masse und zieht mehr Raum in sein verhülltes Gebiet.
Zweitens zur Quantenmechanik: Zum Zeitpunkt von Hawkings Karriere hatten Wissenschaftler lange gewusst, dass Heisenbergs Unsicherheitsprinzip implizierte, dass der leere Raum nicht wirklich leer ist. Stattdessen wirbelt es mit "virtuellen" Partikeln - Materie-Antimaterie-Paaren, die zusammen auftreten, sich trennen und dann ineinander stoßen und in einer Zeitspanne vernichten, die zu kurz ist, um gemessen zu werden. (Wissenschaftler argumentieren bis heute, ob diese virtuellen Teilchen tatsächlich existieren oder aufgrund ihrer seltsamen, probabilistischen Natur nur in Quantengleichungen auftauchen.)
Im Spätsommer 1973 besuchten Stephen und Jane Hawking eine Vortragsreihe in Warschau, Polen, um den 500. Geburtstag von Copernicus zu feiern, schrieb Ferguson. Dort begegnete Hawking zwei sowjetischen Physikern, Yakov Borisovich Zel'dovich und seinem Schüler Alexei Alexandrovich Starobinsky, die gezeigt hatten, dass die Energie des Spinnens von Schwarzen Löchern Partikel außerhalb ihres Ereignishorizonts erzeugen würde. Diese Teilchen würden in den Weltraum fliegen, sagten Zel'dovich und Starobinsky in ihrem Vortrag und saugten dabei einen Teil der Drehung des Schwarzen Lochs auf. Schließlich, sagten Zel'dovich und Starobinsky, würden die schwarzen Löcher aufhören, sich zu drehen.
Die Idee steckte in Hawkings Kopf, schrieb Ferguson, und er kehrte nach Cambridge zurück, um die Berechnungen von Zel'dovich und Starobinksy zu wiederholen und zu verfeinern. Aber als er seine ersten Stiche bei ihren Ergebnissen machte, entfaltete sich etwas Neues.
"Zu meiner Überraschung und meinem Ärger stellte ich fest, dass selbst nicht rotierende Schwarze Löcher offenbar Partikel mit einer konstanten Geschwindigkeit erzeugen und emittieren sollten", schrieb er später in seinem 1988 erschienenen Buch "A Brief History of Time".
Hier ist der Grund, wie er in diesem Buch erklärte:
Wenn Schwarze Löcher im Raum existieren und Ereignishorizonte definiert haben und der Raum ständig mit virtuellen "Paaren selbstvernichtender Partikel" schwankt, müssen diese Partikel manchmal direkt an den Rändern der Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern entstehen. Einige sogar von diesen Teilchenpaaren müssen perfekt positioniert erscheinen, wobei ein Antimaterieteilchen mit negativer Masse auf einer Seite des Ereignishorizonts und das andere Materieteilchen mit positiver Masse auf der anderen Seite getrennt sind.
Dieser seltsame Umstand würde die Partikel effektiv von ihrer virtuellen Semiexistenz in die volle Realität "befördern", erkannte Hawking, da sie sich genug getrennt hätten, um nicht zu vernichten. Das bedeutete, dass Energie- und Massenteilchen von der Oberfläche des Ereignishorizonts der Schwarzen Löcher zu strömen schienen. Und dieser Energiestrom, der von den Physikern nach außen ausstrahlte, die zuvor für ewig dunkle Körper gehalten hatten, erhielt den Namen Hawking-Strahlung, nachdem er ihn 1974 in einem Artikel in Nature mit dem Titel "Black Hole Explosions?" Beschrieben hatte.
Hawking-Strahlung hat das Verständnis der Physiker für das Universum grundlegend verändert. Vor Hawkings Erkenntnis glaubten Wissenschaftler, dass jegliche Materie oder Energie, die an ein Schwarzes Loch verloren ging, für immer aus dem weiteren Universum verschwunden war, so dass die Ereignishorizonte der Schwarzen Löcher als Wände fungierten, von denen einige Dinge des Universums niemals zurückkehren würden.
Aber Hawkings Entdeckung zeigte, dass Schwarze Löcher mit der Zeit immer schneller zerfallen würden. Für jedes positive Teilchen, das von der Oberfläche eines Ereignishorizonts in das weitere Universum strömt, fällt ein negatives Teilchen mit negativer Energie und Masse in den Raum jenseits des Ereignishorizonts zurück und reduziert die dort eingeschlossene Gesamtmasse und Energie. Mit der Zeit würde dieser Prozess dazu führen, dass schwarze Löcher schrumpfen. Und wenn sie schrumpften, wurden sie mit Hawking-Strahlung aktiver und schrumpften schneller.
Hawking sagte voraus, dass das Universum "ursprüngliche Schwarze Löcher" enthalten muss, die nicht aus kollabierenden Sternen, sondern aus dem extremen Druck des frühen Universums hervorgegangen sind. Diese schwarzen Löcher wären in den vergangenen Milliarden von Jahren erheblich geschrumpft, und ihre kleinen Ereignishorizonte würden starke Strahlen der Hawking-Strahlung erzeugen.
"Solche Löcher haben es kaum verdient schwarz: Sie sind wirklich weiß heiß", schrieb er in" Eine kurze Geschichte der Zeit ".
Schließlich, entschied Hawking, würden sie explodieren.
Als Hawking begann, diese Idee zu teilen, schrieb Ferguson in "An Unfettered Mind", seine Kollegen empfingen sie entweder als brillant oder als ketzerisch. Als Penrose ein Flüstern davon hörte, rief er Hawking an, als der Physiker sich zu seinem Geburtstagsessen 1974 setzte, und gratulierte ihm so lange, dass sein Abendessen kalt wurde. Aber Monate später erhob sich der Moderator des Symposiums, auf dem Hawking seinen Vorschlag vorstellte, um ihn als "völligen Müll" zu deklarieren.
Heute wird es als grundlegende wissenschaftliche Tatsache angesehen.
Jenseits von Schwarzen Löchern
In den viereinhalb Jahrzehnten seit "Black Hole Explosions?" Hawking hat weiterhin Forschungsergebnisse veröffentlicht, die sich mit den Grundlagen des Universums befassen - einschließlich Ideen, die seine eigenen früheren Beiträge angreifen. (Siehe zum Beispiel die überraschende Überschrift von 2014 in Nature, "Stephen Hawking: Es gibt keine schwarzen Löcher".)
Hawking wurde in seiner späteren Karriere als Wissenschaftskommunikator am bekanntesten. Er hat seinen Klassiker "Eine kurze Geschichte der Zeit" von 1988 mit 10 weiteren populärwissenschaftlichen Werken und einer Abhandlung mit dem Titel "Meine kurze Geschichte" (Random House, 2013) fortgesetzt.
Es ist unmöglich, über Hawkings enorme Beiträge zum menschlichen Verständnis des Universums zu sprechen, ohne den Kontext seiner seit langem abnehmenden Gesundheit anzuerkennen. Hawkings zwei wegweisende Beiträge zur Physik kamen in derselben Zeit, in der er sich von einem jungen Menschen, der alleine gehen konnte, zu einem Mann verwandelte, der an einen Rollstuhl gebunden war, seine Sprache verwischte und auf seine Frau angewiesen war, um seine Gedanken zu transkribieren .
ALS lähmt den Körper, aber - zumindest in Hawkings Fall - schadet es dem Geist nicht. Und dafür, schrieb Ferguson, hat sich Hawking lange Zeit als "überaus glücklich" eingestuft.
"Es war 1964 wahr, und heute", schrieb Ferguson, "ist es für Hawking umso besser, je weniger er von seinen körperlichen Problemen betroffen ist. Ich erkannte es 1989 bei Interviews für mein erstes Buch über ihn." Wenn ich über seine wissenschaftliche Arbeit schreiben und nicht ganz erwähnen würde, dass diese Arbeit für ihn möglicherweise mehr eine Errungenschaft darstellt als für die meisten Menschen, hätte das gut zu ihm gepasst. "
Hawking schien es am angenehmsten zu sein, über Behinderung im Kontext seines Aktivismus zu diskutieren, der von Bedeutung war. 1999 unterzeichnete er zusammen mit einer Gruppe von 12 prominenten Persönlichkeiten, darunter der südafrikanische Aktivist Desmond Tutu, eine Charta, in der die Regierungen der Welt aufgefordert wurden, ihre Beziehungen zu ihrer behinderten Bevölkerung zu verändern und Dienstleistungen zu erweitern, die das Leben von Menschen mit Behinderungen verbessern.
Hawking war auch ein prominenter Verteidiger der allgemeinen Gesundheitsversorgung und des britischen National Health Service (NHS), der in einer Rede im August 2017 den Gesundheitsminister der Konservativen Partei Jeremy Hunt angriff, weil er das Programm nicht ausreichend finanziert und unterstützt hatte.
"Ohne den NHS wäre ich nicht hier", sagte Hawking.
Hawking neigt dazu, die meiste Aufmerksamkeit für seine Ideen zur Zukunft der Menschheit zu bekommen, wenn er sich zu künstlicher Intelligenz oder Außerirdischen äußert. Aber der Großteil seiner Äußerungen zu diesem Thema war bodenständiger: Kriege ablehnen, befürchten, dass die Ablehnung des Klimawandels durch US-Präsident Donald Trump den Planeten schädigen könnte, und sich dem weltweiten akademischen Boykott Israels anschließen.
Live Science wünscht Hawking alles Gute zum Geburtstag und vieles mehr.
