Stephen Hawking verließ uns Mitte März 2018 im Alter von 76 Jahren. Es wurden bereits viele Artikel über ihn geschrieben, ohne meine jüngste Arbeit auszuschließen:
Als ich anfing, die genannten Artikel zu schreiben, stieß ich auf das folgende Material, das ich vor einigen Jahren geschrieben hatte und das das wissenschaftliche Erbe von Stephen Hawking beschreibt. Eine Zeitschrift fragte sie, wann Hawking krank wurde, und alle dachten, dass er sterben würde - dies war nicht das erste Mal und jedes Mal, wenn sich alle irrten. Ich bin mir sicher, dass dieser Artikel nie veröffentlicht wurde, also hier ist er!
Stephen Hawkings wissenschaftliches Erbe
Stephen Hawking ist ein seltenes Beispiel für einen Wissenschaftler, der sowohl eine Berühmtheit als auch ein kulturelles Phänomen ist. Er ist jedoch auch ein seltenes Beispiel für ein kulturelles Phänomen mit wohlverdientem Ruhm. Seine Beiträge lassen sich sehr einfach beschreiben: Hawking hat mehr Beiträge zu unserem Verständnis der Schwerkraft geleistet als jeder Physiker seit Albert Einstein.
Und das Wort "Schwerkraft" ist hier sehr wichtig. Während eines Großteils von Hawkings Karriere interessierten sich theoretische Physiker im Allgemeinen mehr für Teilchenphysik und andere Naturkräfte - Elektromagnetismus und starke und schwache nukleare Wechselwirkungen. Die „klassische“ Schwerkraft, die die Komplexität der Quantenmechanik ignorierte, wurde von Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vollständig beschrieben, und die „Quantengravitation“ (die Quantenversion der allgemeinen Relativitätstheorie) schien zu kompliziert. Hawking wandte seinen erstaunlichen Intellekt auf die bekannteste Naturgewalt an und konnte mehrere Ergebnisse erzielen, die die gesamte Gemeinschaft sehr überraschten.
Ohne Zweifel war das wichtigste Ergebnis von Hawkings Arbeit das Verständnis, dass Schwarze Löcher nicht vollständig schwarz sind - sie emittieren wie gewöhnliche Objekte. Vor dieser Arbeit bewies er wichtige Theoreme über BH und Singularitäten und studierte danach das Universum als Ganzes. In jeder Phase seiner Karriere leistete er den einen oder anderen wichtigen Beitrag zur Wissenschaft.
Klassische Zeit
Während seiner Doktorarbeit in Cambridge Mitte der 1960er Jahre interessierte sich Hawking für Fragen nach dem Ursprung und dem endgültigen Schicksal des Universums. Ein geeignetes Werkzeug zur Untersuchung dieses Problems war GR, Einsteins Theorie von Raum, Zeit und Schwerkraft. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie spiegeln wir als Schwerkraft die Krümmung der Raumzeit wider. Wenn wir verstehen, wie Krümmung durch Materie und Energie erzeugt wird, können wir die Entwicklung des Universums vorhersagen. Dies kann als "klassische" Periode von Hawking bezeichnet werden, um die klassische allgemeine Relativitätstheorie und seine späteren Studien auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorie und der Quantengravitation gegenüberzustellen.
Etwa zur gleichen Zeit führte Roger Penrose aus Oxford einen bemerkenswerten Beweis: Laut GTR werden Raum und Zeit unter einer Vielzahl von Bedingungen nach innen zusammenbrechen und eine Singularität bilden. Wenn die Schwerkraft die Krümmung der Raumzeit ist, dann ist die Singularität ein solcher Zeitpunkt, zu dem diese Krümmung unendlich groß wird. Der Satz zeigte, dass die Singularitäten nicht nur einige Wunder waren; Sie sind eine wichtige Eigenschaft von GR.
Das Ergebnis von Penrose wurde auf Schwarze Löcher angewendet - Abschnitte der Raumzeit, in denen sich das Gravitationsfeld als so stark herausstellt, dass selbst Licht von dort nicht entweichen kann. Im Schwarzen Loch lauert in Zukunft eine Singularität. Hawking nahm Penrose 'Idee auf, drehte sie um und schickte sie in die Vergangenheit des Universums. Er zeigte, dass unter den gleichen allgemeinen Bedingungen der Raum aus einer Singularität hervorgehen sollte: dem Urknall. Moderne Kosmologen sagen (und verwirren alle) sowohl über das Urknallmodell, das eine sehr erfolgreiche Theorie ist, die die Entwicklung eines expandierenden Universums über Milliarden von Jahren beschreibt, als auch über die Urknall-Singularität, deren Verständnis wir uns noch nicht rühmen können.
Dann wandte Hawking seine Aufmerksamkeit schwarzen Löchern zu. Ein weiteres interessantes Ergebnis von Penrose 'Berechnungen war, dass Energie aus einem rotierenden Schwarzen Loch extrahiert werden kann, wobei im Wesentlichen Energie aus seiner Rotation extrahiert wird, bis es stoppt. Hawking konnte zeigen, dass, obwohl es möglich ist, Energie zu gewinnen, der Bereich des Ereignishorizonts, der das BH umgibt, bei allen physikalischen Prozessen zunimmt. Dieser „Flächensatz“ war sowohl an sich als auch in Bezug auf ein völlig anderes Gebiet der Physik wichtig: die Thermodynamik zur Untersuchung der Wärmeübertragung.
Die Thermodynamik folgt einer Reihe berühmter Gesetze. Zum Beispiel besagt das erste Gesetz, dass Energie erhalten bleibt, und das zweite, dass die Entropie - ein Maß für die Störung des Universums - in einem geschlossenen System niemals abnimmt. In Zusammenarbeit mit
James Bardin und
Brandon Carter schlug Hawking eine Reihe von Gesetzen der "Schwarzlochmechanik" vor, die der Thermodynamik ähneln. Wie in der Thermodynamik garantiert der erste Hauptsatz der BH-Mechanik Energieeinsparung. Das zweite Gesetz, der Satz vom Hawking Square, legt nahe, dass die Fläche des Ereignishorizonts niemals abnimmt. Mit anderen Worten, die Fläche des BH-Ereignishorizonts ist der Entropie eines thermodynamischen Systems sehr ähnlich - sie nimmt mit der Zeit zu.
Verdunstung des Schwarzen Lochs
Hawking und seine Kollegen waren zu Recht stolz auf die Gesetze der BH-Mechanik, aber sie betrachteten sie nur als formale Analogie und nicht als wörtliche Verbindung zwischen Schwerkraft und Thermodynamik. 1972 schlug der Absolvent der Princeton University,
Jacob Beckenstein , vor, dass mehr dahinter
steckt . Basierend auf brillanten Gedankenexperimenten schlug er vor, dass das BH-Verhalten nicht nur der Thermodynamik, sondern auch der Thermodynamik ähnelt. Insbesondere hat BH Entropie.
Wie viele mutige Ideen stieß diese Idee auf Widerstand von Experten - und in diesem Moment war Stephen Hawking der Weltexperte für BH. Hawking war ihr aus gutem Grund skeptisch gegenüber. Wenn sich die BH-Mechanik als eine Form der Thermodynamik herausstellen würde, würde dies bedeuten, dass BH eine Temperatur hat. Und Objekte mit Temperatur emittieren - die berühmte "Schwarzkörperstrahlung", die eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der Quantenmechanik spielte. Wenn Bekenshtein Recht hätte, würde dies bedeuten, dass das Schwarze Loch nicht wirklich schwarz ist (obwohl Bekenshtein selbst in seinen Aussagen nicht so weit gegangen ist).
Um dieses Problem ernsthaft anzugehen, ist es notwendig, die Aufmerksamkeit über die Grenzen der allgemeinen Relativitätstheorie hinaus zu erweitern, da Einsteins Theorie rein "klassisch" ist - sie enthält nicht die Ideen der Quantenmechanik. Hawking wusste, dass die russischen Physiker
Alexei Starobinsky und
Yakov Zeldovich Quanteneffekte in der Nähe von Schwarzen Löchern untersuchten und einen solchen Effekt wie "Superradiation" vorhersagten. So wie Penrose zeigte, dass einem rotierenden Schwarzen Loch Energie entzogen werden kann, zeigten Starobinsky und Zeldovich, dass rotierende Schwarze Löcher aufgrund der Auswirkungen der Quantenmechanik spontan Strahlung emittieren können. Hawking war kein Experte für die Techniken der Quantenfeldtheorie, da zu dieser Zeit Experten für Teilchenphysik und nicht für allgemeine Relativitätstheorie dieses Gebiet verstanden. Aber er lernte schnell und stürzte sich auf die schwierige Aufgabe, die Quantenaspekte von BH zu verstehen, um einen Fehler von Bekenstein zu finden.
Stattdessen überraschte er sich selbst und stellte dabei die theoretische Physik auf den Kopf. Er fand, dass Bekenstein Recht hatte - BH hat Entropie - und dass die unglaublichen Konsequenzen dieser Idee auch wahr waren - Schwarze Löcher sind nicht vollständig schwarz. Heute nennen wir diese BH-Eigenschaft "Beckenstein-Hawking-Entropie" und sie emittieren "Hawking-Strahlung" bei ihrer "Hawking-Temperatur".
"An den Fingern" können wir Hawking-Strahlung wie folgt verstehen. Die Quantenmechanik sagt (unter anderem), dass ein System nicht zwangsweise in einen bestimmten klassischen Zustand gebracht werden kann; Es gibt immer eine interne Unsicherheit in dem, was Sie sehen, wenn Sie es betrachten. Dies gilt auch für den leeren Raum - wenn Sie genau hinschauen, wird der scheinbar leere Raum mit "virtuellen Partikeln" gefüllt, die ständig erscheinen und verschwinden. Hawking zeigte, dass sich in der Nähe des BH ein Paar virtueller Partikel trennen kann und eines davon in das BH fällt und das andere als Strahlung davonläuft. Es ist überraschend, dass aus der Sicht eines externen Beobachters ein nach innen fallendes Teilchen eine negative Energie hat. Infolgedessen nimmt die Strahlung dem BH allmählich die Masse ab - und sie verdampft.
Das Ergebnis von Hawking hatte einen offensichtlichen und herausragenden Einfluss auf unser Verständnis von BH. Anstatt eine kosmische Sackgasse zu werden, in der Materie und Energie für immer verschwinden, erwiesen sie sich als dynamische Objekte, die früher oder später vollständig verschwinden. Wichtiger für die theoretische Physik: Diese Entdeckung warf eine Frage auf, auf die wir noch keine Antwort haben: Wenn Materie in das Schwarze Loch fällt und das Schwarze Loch dann vollständig verschwindet, wohin gehen die Informationen?
Wenn Sie die Enzyklopädie nehmen und ins Feuer werfen, können Sie davon ausgehen, dass die darin enthaltenen Informationen für immer verschwunden sind. Aber nach den Gesetzen der Quantenmechanik verschwand es nirgendwo; Wenn Sie im Prinzip alle aus dem Feuer austretenden Licht- und Ascheteilchen auffangen könnten, könnten Sie alles, was ins Feuer gefallen ist, genau nachbilden - sogar die Seiten des Buches. Aber BH, wenn Sie das Ergebnis von Hawking so wie es ist akzeptieren, zerstören Sie Informationen vollständig - zumindest aus Sicht der Außenwelt. Dieses Rätsel wird als „Informationsparadoxon“ bezeichnet und quält seit Jahrzehnten die Physiker.
In den letzten Jahren haben Fortschritte beim Verständnis der Quantengravitation (auf der Ebene von Gedankenexperimenten) eine zunehmende Anzahl von Menschen davon überzeugt, dass Informationen gespeichert werden. 1997 diskutierte Hawking mit den amerikanischen Physikern Kip Thorne und John Preskil; Hawking und Thorne sagten, dass Informationen zerstört werden, Presquil sagte, dass Informationen gespeichert werden. Im Jahr 2007 erlag Hawking und gab zu, dass BHs Informationen nicht wirklich zerstören. Thorne gab jedoch nicht auf und Preskill selbst glaubt, dass diese Schlussfolgerung verfrüht war. BH-Strahlung und Entropie bleiben zentral für das Streben nach einem besseren Verständnis der Quantengravitation.
Quantenkosmologie
Hawkings Arbeit zur BH-Strahlung basierte auf einer Mischung aus Quanten- und klassischen Ideen. In seinem Modell wird BH unter klassischen Gesichtspunkten nach den Regeln der allgemeinen Relativitätstheorie bewertet. In diesem Fall werden virtuelle Teilchen in der Nähe des BH nach den Regeln der Quantenmechanik geschätzt. Das ultimative Ziel vieler theoretischer Physiker ist es, eine echte Theorie der Quantengravitation zu entwickeln, in der die Raumzeit selbst Teil eines Quantensystems wäre.
Und wenn es einen Ort gibt, an dem Quantenmechanik und Schwerkraft eine entscheidende Rolle spielen, dann ist dies der Beginn des Universums. Und genau diese Frage, die nicht verwunderlich ist, widmete Hawking den letzten Teil seiner Karriere. Und damit genehmigte er einen Arbeitsplan für ein ehrgeiziges physisches Projekt zum Verständnis der Ursprünge des Universums.
In der Quantenmechanik hat ein System keinen Ort oder keine Geschwindigkeit; Sein Zustand wird durch die „Wellenfunktion“ beschrieben, die uns die Wahrscheinlichkeit angibt, dass wir bei der Messung des Systems einen bestimmten Ort oder eine bestimmte Geschwindigkeit erhalten. 1983 veröffentlichten Hawking und James Hartle eine Arbeit unter dem einfachen Titel: "The Wave Function of the Universe". Sie schlugen ein einfaches Verfahren vor, auf dessen Grundlage - im Prinzip! - Es wäre möglich, den Zustand des gesamten Universums zu berechnen. Wir wissen nicht, ob die Hartle-Hawking-Wellenfunktion tatsächlich eine korrekte Beschreibung des Universums ist. Da wir keine vollständige Theorie der Quantengravitation haben, wissen wir nicht einmal, ob ein solches Verfahren sinnvoll ist. Ihre Arbeit hat jedoch gezeigt, dass wir wissenschaftlich über den Beginn der Existenz des Universums sprechen können.
Das Studium der Ursprünge des Universums bietet die Möglichkeit, die Quantengravitation mit beobachtbaren Merkmalen des Universums zu kombinieren. Kosmologen glauben, dass winzige Veränderungen in der Dichte der Materie seit frühester Zeit in der Verteilung der Sterne und Galaxien, die wir heute beobachten, allmählich zugenommen haben. Eine vollständige Theorie des Ursprungs des Universums könnte diese Veränderungen vorhersagen, und die Umsetzung dieses Programms ist eine der Hauptbeschäftigungen moderner Physiker. Hawking leistete mehrere Beiträge zu diesem Programm, sowohl von der Seite seiner Wellenfunktion des Universums als auch im Kontext des von Alan Gut vorgeschlagenen Modells des „inflationären Universums“.
Nur über den Ursprung des Universums zu sprechen, ist eine provokative Handlung. Es gibt Anlass zur Hoffnung, dass die Wissenschaft eine vollständige und autarke Beschreibung der Realität liefern kann - und eine solche Hoffnung geht über den Rahmen der Wissenschaft hinaus und befindet sich auf dem Gebiet der Philosophie und Theologie. Hawking, der Provokationen immer liebte, war über solche Konsequenzen nie schüchtern. Er erinnerte gern an die im Vatikan abgehaltene Konferenz über Kosmologie, auf der Papst Johannes Paul II. Angeblich die versammelten Gelehrten aufforderte, sich nicht mit dem Ursprung des Universums zu befassen, "da es sich um einen Moment der Schöpfung und damit um das Werk der Hände Gottes handelte". Aber solche Warnungen haben Hawking nie aufgehalten; Er lebte sein Leben in einer unermüdlichen Suche nach Antworten auf die grundlegendsten wissenschaftlichen Fragen.