Von Stuart Clark

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Stephen Hawking, der weltberühmte theoretische Physiker, hat starb im Alter von 76.

Hawkings Kinder Lucy, Robert und Tim sagten in einer Erklärung: „Wir sind zutiefst traurig, dass unser geliebter Vater heute verstorben ist.

“ Er war ein großartiger Wissenschaftler und ein außergewöhnlicher Mann, von dessen Arbeit und Vermächtnis viele Jahre leben werden., Sein Mut und seine Beharrlichkeit mit seiner Brillanz und seinem Humor inspirierten Menschen auf der ganzen Welt.

„Er sagte einmal:‘ Es wäre kein großes Universum, wenn es nicht die Heimat der Menschen wäre, die du liebst.“Wir werden ihn für immer vermissen.“

Stephen Hawking stirbt im Alter von 76

Ehrungen fließen nach dem Tod des weltberühmten theoretischen Physikers Stephen Hawking

Hawking, der bekannteste Wissenschaftler unserer Zeit, hat einen ikonischen Status., Sein genredefinierendes Buch A Brief History of Time hat sich seit seiner Veröffentlichung im Jahr 1988 mehr als 10 Millionen Mal verkauft und wurde in mehr als 35 Sprachen übersetzt. Er erschien auf Star Trek: Die nächste Generation, die Simpsons und die Urknalltheorie. Sein frühes Leben war Gegenstand einer Oscar-prämierten Aufführung von Eddie Redmayne im Film The Theory of Everything von 2014. Er wurde routinemäßig zu orakulären Äußerungen zu allem konsultiert, von Zeitreisen und außerirdischem Leben über Politik im Nahen Osten bis hin zu ruchlosen Robotern., Er hatte einen liebenswerten Sinn für Humor und eine waghalsige Haltung – zuordenbare menschliche Züge, die, kombiniert mit seinem scheinbar übermenschlichen Verstand, machte Hawking eminent marktfähig.

Aber sein kultureller Status – verstärkt durch seine Behinderung und den Mediensturm, auf den er sich beruft – überschattete oft sein wissenschaftliches Erbe. Das ist eine Schande für den Mann, der entdeckt hat, was sich als Schlüsselhinweis für die Theorie von allem erweisen könnte, unser Verständnis von Raum und Zeit vorangebracht hat, den Verlauf der Physik in den letzten vier Jahrzehnten mitgestaltet hat und dessen Einsicht den Fortschritt in der Fundamentalphysik auch heute noch vorantreibt.,

Beginnend mit dem Urknall

Hawkings Forschungskarriere begann mit Enttäuschung. Als er 1962 an der Universität von Cambridge ankam, um mit seiner Promotion zu beginnen, wurde ihm gesagt, dass Fred Hoyle, sein gewählter Vorgesetzter, bereits eine volle Anzahl von Studenten hatte. Der berühmteste britische Astrophysiker zu der Zeit, Hoyle war ein Magnet für die ehrgeizigeren Studenten. Hawking hat den Schnitt nicht gemacht. Stattdessen sollte er mit Dennis Sciama arbeiten, einem Physiker, von dem Hawking nichts wusste., Im selben Jahr wurde bei Hawking amyotrophe Lateralsklerose diagnostiziert, eine degenerative Motoneuronerkrankung, die den Menschen schnell die Fähigkeit raubt, ihre Muskeln freiwillig zu bewegen. Ihm wurde gesagt, er habe zwei Jahre zu leben.

Obwohl Hawkings Körper möglicherweise geschwächt ist, blieb sein Intellekt scharf. Zwei Jahre nach seiner Promotion hatte er Probleme beim Gehen und Sprechen, aber es war klar, dass die Krankheit langsamer fortschreitete, als die Ärzte zunächst befürchtet hatten., In der Zwischenzeit erneuerte sein Engagement für Jane Wilde – mit der er später drei Kinder hatte, Robert, Lucy und Tim – seinen Drang, echte Fortschritte in der Physik zu machen.

Stephen und Lucy Hawking

James Veysey/Camera Press

Arbeiten mit Sciama hatte seine Vorteile. Hoyles Ruhm bedeutete, dass er selten in der Abteilung war, während Sciama in der Nähe war und gerne redete. Diese Diskussionen regten den jungen Hawking an, seine eigene wissenschaftliche Vision zu verfolgen., Hoyle war vehement gegen die Urknalltheorie (tatsächlich hatte er den Namen „Urknall“ in Spott geprägt). Sciama hingegen freute sich, dass Hawking den Beginn der Zeit untersuchte.

Zeitpfeil

Hawking studierte die Arbeit von Roger Penrose, die bewies, dass, wenn Einsteins allgemeine Relativitätstheorie korrekt ist, im Herzen jedes Schwarzen Lochs ein Punkt sein muss, an dem Raum und Zeit selbst zusammenbrechen – eine Singularität. Hawking erkannte, dass, wenn der Pfeil der Zeit umgekehrt würde, die gleiche Argumentation für das Universum als Ganzes gelten würde., Unter Sciamas Ermutigung erarbeitete er die Mathematik und konnte es beweisen: Das Universum nach allgemeiner Relativitätstheorie begann in einer Singularität.

Hawking war sich jedoch bewusst, dass Einstein nicht das letzte Wort hatte. Die allgemeine Relativitätstheorie, die Raum und Zeit in großem Maßstab beschreibt, berücksichtigt nicht die Quantenmechanik, die das seltsame Verhalten der Materie in viel kleineren Skalen beschreibt. Eine unbekannte „Theorie von allem“ wurde benötigt, um die beiden zu vereinen., Für Hawking signalisierte die Singularität am Ursprung des Universums nicht den Zusammenbruch von Raum und Zeit; es signalisierte die Notwendigkeit der Quantengravitation.

Glücklicherweise lieferte die Verbindung, die er zwischen Penroses Singularität und der Singularität beim Urknall herstellte, einen wichtigen Hinweis, um eine solche Theorie zu finden. Wenn Physiker den Ursprung des Universums verstehen wollten, hatte Hawking ihnen gerade genau gezeigt, wo sie suchen sollten: ein Schwarzes Loch.

Schwarze Löcher waren Anfang der 1970er Jahre Gegenstand von Untersuchungen., Obwohl Karl Schwarzschild solche Objekte bereits 1915 in den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie gefunden hatte, betrachteten Theoretiker sie als bloße mathematische Anomalien und zögerten zu glauben, dass sie tatsächlich existieren könnten.

Obwohl beängstigend, ist ihre Wirkung einigermaßen einfach: Schwarze Löcher haben so starke Gravitationsfelder, dass nichts, nicht einmal Licht, ihrem Griff entgehen kann. Jede Materie, die in eine fällt, ist für immer für die Außenwelt verloren. Dies ist jedoch ein Dolch im Herzen der Thermodynamik.,

Thermodynamische Bedrohung

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist einer der bekanntesten Naturgesetze. Es besagt, dass die Entropie oder das Ausmaß der Störung in einem System immer zunimmt. Das zweite Gesetz gibt der Beobachtung Form, dass Eiswürfel zu einer Pfütze schmelzen, aber eine Wasserpfütze niemals spontan zu einem Eisblock wird. Alle Materie enthält Entropie, was passiert also, wenn sie in ein Schwarzes Loch fällt? Ist Entropie damit verloren? Wenn ja, geht die gesamte Entropie des Universums unter und Schwarze Löcher würden den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen.,

Hawking dachte, das sei in Ordnung. Er war glücklich, jedes Konzept zu verwerfen, das einer tieferen Wahrheit im Weg stand. Und wenn das das zweite Gesetz bedeutete, dann sei es so.

Bekenstein und breakthrough

Aber Hawking traf sein Match bei einer Physik-Sommerschule 1972 im französischen Skigebiet Les Houches, Frankreich. Der Doktorand der Princeton University, Jacob Bekenstein, dachte, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik auch für Schwarze Löcher gelten sollte. Bekenstein hatte das Entropie-Problem untersucht und dank einer früheren Einsicht von Hawking eine mögliche Lösung gefunden.,

Ein Schwarzes Loch verbirgt seine Singularität mit einer Grenze, die als Ereignishorizont bekannt ist. Nichts, was den Ereignishorizont überschreitet, kann jemals nach außen zurückkehren. Hawkings Arbeit hatte gezeigt, dass die Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs im Laufe der Zeit niemals abnimmt. Wenn Materie in ein Schwarzes Loch fällt, wächst außerdem die Fläche ihres Ereignishorizonts.

Bekenstein erkannte, dass dies der Schlüssel zum Entropie-Problem war. Jedes Mal, wenn ein Schwarzes Loch Materie schluckt, scheint seine Entropie verloren zu sein, und gleichzeitig wächst sein Ereignishorizont., Bekenstein schlug also vor, was wäre, wenn – um das zweite Gesetz zu bewahren – der Bereich des Horizonts selbst ein Maß für die Entropie ist?

Hawking mochte die Idee sofort nicht und war wütend, dass seine eigene Arbeit zur Unterstützung eines so fehlerhaften Konzepts verwendet worden war. Mit Entropie kommt Wärme, aber das Schwarze Loch könnte keine Wärme ausstrahlen – nichts kann seiner Anziehungskraft entkommen. Während einer Pause von den Vorlesungen traf Hawking sich mit Kollegen Brandon Carter, der auch bei Sciama studierte, und James Bardeen von der University of Washington und konfrontierte Bekenstein.,

Die Meinungsverschiedenheit störte Bekenstein. „Diese drei waren Senioren. Ich war gerade aus meiner Doktorarbeit. Du machst dir Sorgen, ob du nur dumm bist und diese Jungs die Wahrheit kennen“, erinnert er sich.

Zurück in Cambridge machte sich Hawking daran, Bekenstein das Unrecht zu beweisen. Stattdessen entdeckte er die genaue Form der mathematischen Beziehung zwischen Entropie und dem Horizont des Schwarzen Lochs. Anstatt die Idee zu zerstören, hatte er sie bestätigt. Es war Hawkings größter Durchbruch.,

Hawking Strahlung

Hawking umarmte nun die Idee, dass Thermodynamik eine Rolle in schwarzen Löchern gespielt. Alles, was Entropie hat, argumentierte er, hat auch eine Temperatur – und alles, was eine Temperatur hat, kann ausstrahlen.

Sein ursprünglicher Fehler, erkannte Hawking, bestand darin, nur die allgemeine Relativitätstheorie zu berücksichtigen, die besagt, dass nichts – keine Partikel, keine Wärme – dem Griff eines Schwarzen Lochs entgehen kann. Das ändert sich, wenn Quantenmechanik ins Spiel kommt., Nach der Quantenmechanik erscheinen flüchtige Paare von Teilchen und Antiteilchen ständig aus dem leeren Raum, nur um im Handumdrehen zu vernichten und zu verschwinden. Wenn dies in der Nähe eines Ereignishorizonts geschieht, kann ein Partikel-Antiteilchen – Paar getrennt werden-man fällt hinter den Horizont, während man entkommt, so dass sie für immer unfähig sind, sich zu treffen und zu vernichten. Die verwaisten Teilchen strömen als Strahlung vom Rand des Schwarzen Lochs weg. Die Zufälligkeit der Quantenerzeugung wird zur Zufälligkeit der Wärme.,

„Ich denke, die meisten Physiker würden zustimmen, dass Hawkings größter Beitrag die Vorhersage ist, dass Schwarze Löcher Strahlung emittieren“, sagt Sean Carroll, ein theoretischer Physiker am California Institute of Technology. „Obwohl wir immer noch keine experimentelle Bestätigung haben, dass Hawkings Vorhersage wahr ist, glaubt fast jeder Experte, dass er Recht hatte.“

Experimente, um Hawkings Vorhersage zu testen, sind so schwierig, denn je massiver ein Schwarzes Loch ist, desto niedriger ist seine Temperatur., Für ein großes Schwarzes Loch – die Art, wie Astronomen mit einem Teleskop studieren können-ist die Temperatur der Strahlung zu unbedeutend, um sie zu messen. Wie Hawking selbst oft bemerkte, wurde ihm aus diesem Grund nie ein Nobelpreis verliehen. Dennoch reichte die Vorhersage aus, um ihm einen erstklassigen Platz in den Annalen der Wissenschaft zu sichern, und die Quantenteilchen, die vom Rand des Schwarzen Lochs strömen, würden für immer als Hawking-Strahlung bekannt sein.

Einige haben vorgeschlagen, dass sie besser als Bekenstein-Hawking-Strahlung bezeichnet werden sollten, aber Bekenstein selbst lehnt dies ab., „Die Entropie eines Schwarzen Lochs heißt Bekenstein-Hawking-Entropie, was ich für in Ordnung halte. Ich schrieb es zuerst auf, Hawking fand den numerischen Wert der Konstante, also fanden wir zusammen die Formel wie sie heute ist. Die Strahlung war wirklich Hawkings Arbeit. Ich hatte keine Ahnung, wie ein Schwarzes Loch ausstrahlen könnte. Hawking hat das sehr deutlich. Das sollte man Hawking-Strahlung nennen.“

Theorie von allem

Die Bekenstein-Hawking-Entropie-Gleichung ist diejenige, die Hawking auf seinen Grabstein eingraviert haben wollte., Es stellt das ultimative Mash-up physikalischer Disziplinen dar, weil es Newtons Konstante enthält, die sich eindeutig auf die Schwerkraft bezieht; Plancks Konstante, die die Quantenmechanik im Spiel verrät; die Lichtgeschwindigkeit, der Talisman von Einsteins Relativitätstheorie; und die Boltzmann-Konstante, der Herold der Thermodynamik.

Das Vorhandensein dieser verschiedenen Konstanten deutete auf eine Theorie von allem hin, in der alle Physik vereint ist. Darüber hinaus bestätigte es Hawkings ursprüngliche Vermutung, dass das Verständnis Schwarzer Löcher der Schlüssel zum Aufschließen dieser tieferen Theorie sein würde.,

Hawkings Durchbruch mag das Entropie-Problem gelöst haben, aber es hat ein noch schwierigeres Problem aufgeworfen. Wenn schwarze Löcher ausstrahlen können, werden sie schließlich verdampfen und verschwinden. Was passiert also mit all den Informationen, die reingefallen sind? Verschwindet es auch? Wenn ja, wird es einen zentralen Grundsatz der Quantenmechanik verletzen. Wenn es andererseits aus dem Schwarzen Loch entweicht, verstößt es gegen Einsteins Relativitätstheorie. Mit der Entdeckung der Strahlung des Schwarzen Lochs hatte Hawking die ultimativen Gesetze der Physik gegeneinander durchgesetzt. Das Paradoxon des Informationsverlusts durch das Schwarze Loch war geboren.,

Hawking setzte seine Position in ein weiteres bahnbrechendes und noch umstritteneres Papier mit dem Titel Breakdown of predictability in gravitational Collapse, veröffentlicht in Physical Review D im Jahr 1976. Er argumentierte, wenn ein Schwarzes Loch seine Masse ausstrahlt, nimmt es alle seine Informationen mit – trotz der Tatsache, dass die Quantenmechanik den Informationsverlust ausdrücklich verbietet. Bald würden andere Physiker Seiten für oder gegen diese Idee in einer Debatte auswählen, die bis heute andauert. In der Tat glauben viele, dass Informationsverlust das dringendste Hindernis beim Verständnis der Quantengravitation ist.,

„Hawkings Argument von 1976, dass Schwarze Löcher Informationen verlieren, ist eine überragende Leistung, vielleicht eine der konsequentesten Entdeckungen auf der theoretischen Seite der Physik seit der Erfindung des Fachs“, sagt Raphael Bousso von der University of California, Berkeley.

Konzession

Ende der 1990er Jahre hatten Ergebnisse aus der Stringtheorie die meisten theoretischen Physiker davon überzeugt, dass Hawking sich beim Informationsverlust geirrt hatte, aber Hawking, bekannt für seine Sturheit, grub sich in die Fersen. Erst 2004 änderte er seine Meinung., Und er tat es mit Flair-dramatisch auf einer Konferenz in Dublin auftauchen und seine aktualisierte Ansicht ankündigen: Schwarze Löcher können keine Informationen verlieren.

Heute jedoch hat ein neues Paradoxon, das als Firewall bekannt ist, alles in Zweifel gezogen (siehe „Hawking‘ s paradox“, unten). Es ist klar, dass die von Hawking aufgeworfene Frage im Mittelpunkt der Suche nach Quantengravitation steht.

„Die Strahlung des Schwarzen Lochs wirft ernsthafte Rätsel auf, an denen wir immer noch sehr hart arbeiten“, sagt Carroll., „Es ist fair zu sagen, dass Hawking-Strahlung der größte Hinweis ist, den wir auf die ultimative Abstimmung von Quantenmechanik und Gravitation haben, wohl die größte Herausforderung für die theoretische Physik heute.“

Hawkings Vermächtnis, sagt Bousso, wird sein,“den Finger auf die Schlüsselschwierigkeit bei der Suche nach einer Theorie von allem gelegt zu haben“.

Hawking setzte die Grenzen der theoretischen Physik für den Rest seines Lebens in einem scheinbar unmöglichen Tempo fort., Er machte wichtige Fortschritte, um zu verstehen, wie die Quantenmechanik auf das Universum als Ganzes zutrifft, und führte den Weg auf dem Gebiet der Quantenkosmologie. Seine fortschreitende Krankheit drängte ihn, Probleme auf neuartige Weise anzugehen, was zu seiner bemerkenswerten Intuition für sein Thema beitrug. Als er die Fähigkeit verlor, lange, komplizierte Gleichungen auszuschreiben, fand Hawking neue und erfinderische Methoden, um Probleme in seinem Kopf zu lösen, normalerweise durch Neudefinition in geometrischer Form. Aber wie Einstein vor ihm produzierte Hawking nie etwas so Revolutionäres wie sein frühes Werk.,

„Hawkings einflussreichste Arbeit wurde in den 1970er Jahren geleistet, als er jünger war“, sagt Carroll, „aber das ist selbst für Physiker, die nicht mit einer schwächenden Neuronenkrankheit belastet sind, völlig normal.“

Hawking der Superstar

NASA

In der Zwischenzeit katapultierte die Veröffentlichung einer kurzen Zeitgeschichte Hawking zum kulturellen Ruhm und gab der theoretischen Physik ein neues Gesicht. Er schien nie etwas dagegen zu haben. „Vor der Kamera spielte Hawking den Charakter von Hawking., Er schien mit seinem kulturellen Status zu spielen“, sagt Hélène Mialet, Anthropologin an der University of California in Berkeley, die 2012 mit der Veröffentlichung ihres Buches Hawking Incorporated Kontroversen umworben hat. Darin untersuchte sie, wie die Menschen um Hawking ihm halfen, sein öffentliches Image aufzubauen und aufrechtzuerhalten.

Dieses öffentliche Image machte ihm zweifellos das Leben leichter, als es sonst gewesen wäre. Mit fortschreitender Hawking-Krankheit stellten Technologen gerne immer kompliziertere Maschinen zur Verfügung, damit er kommunizieren konnte., Dies wiederum ließ ihn das tun, wofür er sich letztendlich erinnern sollte: seine Wissenschaft.

„Stephen Hawking hat mehr getan, um unser Verständnis der Gravitation voranzutreiben als jeder andere seit Einstein“, sagt Carroll. „Er war ein weltweit führender theoretischer Physiker, der für seine Zeit eindeutig der beste der Welt unter denen war, die an der Schnittstelle von Schwerkraft und Quantenmechanik arbeiteten, und er tat alles angesichts einer schrecklichen Krankheit. Er ist eine inspirierende Figur, und die Geschichte wird sich sicherlich so an ihn erinnern.,“

Hawking ‚ s paradox

2012 schockierten vier Physiker der University of California, Santa Barbara – Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski und James Sully, die von Physikern gemeinsam als Verstärker bezeichnet werden – die Physik-Community mit den Ergebnissen eines Gedankenexperiments.

Wenn Paare von Partikeln und Antiteilchen in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs laichen, teilt jedes Paar eine Verbindung, die als Verschränkung bezeichnet wird., Aber was passiert mit diesem Link und den Informationen, die er enthält, wenn eines der Paare hineinfällt und sein Zwilling ein Teilchen der Hawking-Strahlung wird (siehe Hauptgeschichte)?

Eine Denkschule besagt, dass die Information erhalten bleibt, wenn das Loch verdunstet, und dass es in subtile Korrelationen zwischen diesen Teilchen der Hawking-Strahlung gebracht wird.

Aber, fragte AMPS, wie sieht es für Beobachter innerhalb und außerhalb des Schwarzen Lochs aus? Geben Sie Alice und Bob.,

Laut Bob, der außerhalb des Schwarzen Lochs bleibt, wurde dieses Teilchen durch den Horizont von seinem Antiteilchenpartner getrennt. Um Informationen zu erhalten, muss sie sich mit einem anderen Teilchen der Hawking-Strahlung verfangen.

Aber was passiert aus der Sicht von Alice, die in das Schwarze Loch fällt? Die allgemeine Relativität besagt, dass für einen frei fallenden Beobachter die Schwerkraft verschwindet, sodass sie den Ereignishorizont nicht sieht. Laut Alice bleibt das fragliche Teilchen mit seinem Antiteilchenpartner verwickelt, weil es keinen Horizont gibt, um sie zu trennen., Das Paradoxon ist geboren.

Wer hat also Recht? Bob oder Alice? Wenn es Bob ist, wird Alice am Horizont keinen leeren Raum finden, wie die allgemeine Relativitätstheorie behauptet. Stattdessen wird sie von einer Wand aus Hawking – Strahlung-einer Firewall-zu einem Feuer verbrannt. Wenn Alice Recht hat, gehen Informationen verloren und brechen eine Grundregel der Quantenmechanik. „Die inbrünstige Kontroverse um Hawkings Paradoxon spiegelt die Einsätze wider, die seine Arbeit ausgelöst hat: Was gibt es bei der Quantisierung der Schwerkraft? Und wie viel?“sagt Raphael Bousso von der University of California, Berkeley., Die Antwort erwartet uns in der Theorie von allem. Amanda Gefter

Artikel geändert am 14. März 2018

Wir haben korrigiert die Namen und die Anzahl der Hawking-Kinder

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