← Übersicht

Stephen Hawking · die Physik der Schwarzen Löcher

Ereignishorizont

1942 – 2018 · der Mann, der mit dem Universum rechnete

Nichts, das je hineinfällt, kehrt zurück — und doch strahlt es. Hinter dem Schatten biegt sich das Licht ferner Sterne um eine Stelle, an der die Raumzeit selbst zusammenbricht.

01 Der Mann

Der Mann, der mit dem Universum rechnete.

Stephen Hawking kam am 8. Januar 1942 in Oxford zur Welt — auf den Tag 300 Jahre nach dem Tod Galileo Galileis. Er studierte Physik in Oxford und ging zur Promotion in Kosmologie nach Cambridge, wo er den Rest seines Lebens forschte.

Mit 21 Jahren erhielt er die Diagnose amyotrophe Lateralsklerose (ALS); die Ärzte gaben ihm wenige Jahre. Er lebte danach noch 55 Jahre — und arbeitete weiter, als die Krankheit ihm nach und nach jede Bewegung nahm. Nach einer Lungenentzündung 1985 verlor er die Sprache und kommunizierte fortan über einen Sprachsynthesizer: jene ruhige, computergenerierte Stimme, die zu seiner zweiten wurde. Sein Witz blieb bis zuletzt.

1988 erschien Eine kurze Geschichte der Zeit — ein Welt-Bestseller, der die Kosmologie in Millionen Wohnzimmer trug. Hawking starb am 14. März 2018 in Cambridge: am Geburtstag Albert Einsteins und am Pi-Tag.

1942geboren in Oxford — 300 Jahre nach Galilei
55 Jahremit ALS gelebt, weit über jede Prognose
237Wochen auf der Bestsellerliste
9 Mio.+verkaufte Exemplare seines Buches
1942

Geburt in Oxford

Die Familie war kriegsbedingt aus London ausgewichen. Studium der Physik in Oxford, danach Promotion in Kosmologie an der Universität Cambridge.

1963

Die Diagnose

Mit 21 erkrankt er an ALS. Die Prognose: wenige Jahre. Er beschließt, die ihm verbleibende Zeit der Physik zu widmen.

1965 – 1970

Singularitäten — mit Roger Penrose

Aus Penroses Theorem der „gefangenen Fläche“ entwickeln beide die Singularitäten-Theoreme. Im selben Jahr 1965 heiratet Hawking Jane Wilde.

1974

Hawking-Strahlung

Schwarze Löcher sind nicht völlig schwarz: Sie strahlen und können verdampfen. Mit 32 wird Hawking als einer der jüngsten Fellows in die Royal Society gewählt.

1979 – 2009

Lucasischer Professor

17. Inhaber des Cambridge-Lehrstuhls, den rund 310 Jahre zuvor Isaac Newton innehatte.

1985

Die Stimme

Eine Tracheotomie kostet ihn die Sprache. Über einen Sprachsynthesizer entsteht die ikonische Stimme, die untrennbar mit ihm verbunden bleibt.

1988

Eine kurze Geschichte der Zeit

Sein populärwissenschaftliches Hauptwerk macht ihn weltberühmt und die Kosmologie für alle lesbar.

2018

14. März

Hawking stirbt zu Hause in Cambridge — am Geburtstag Einsteins, am Pi-Tag.

02 Anatomie

Kein Loch — und nicht leer.

Ein Schwarzes Loch ist eine Region, in der die Raumzeit so stark gekrümmt ist, dass selbst Licht gefangen bleibt. Tippen Sie die Marker an, um seinen Aufbau zu erkunden.

Element 1 / 5

Ereignishorizont

die Grenze ohne Wiederkehr

Marker auf dem Bild oder die Knöpfe nutzen.

03 Gekrümmte Raumzeit

Masse sagt der Raumzeit, wie sie sich krümmen soll.

In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist Gravitation keine Kraft, sondern Geometrie: Masse dellt die Raumzeit ein, und alles — auch Licht — folgt diesen Krümmungen. Je näher an einem Schwarzen Loch, desto steiler der Trichter.

Deshalb wird das Licht ferner Sterne hinter einem Schwarzen Loch gebogen — eine Gravitationslinse. Es entsteht ein heller Photonenring um den dunklen Schatten. Genau dieses Verbiegen sehen Sie im Hintergrund dieser Seite — und hier als Membran, die sich unter dem Cursor eindellt.

Bewegen Sie den Cursor über das Gitter — die Senke folgt.

Raumzeit-Membran · schematisch
04 Singularitäten — mit Penrose

Wo die Beschreibung endet.

1965 zeigte Roger Penrose mit dem Begriff der gefangenen Fläche, dass der Gravitationskollaps zwangsläufig zu einer Singularität führt — ganz ohne die Annahme perfekter Symmetrie. Im Zentrum eines Schwarzen Lochs sagt die Relativitätstheorie einen Punkt voraus, an dem die Krümmung über alle Grenzen wächst und die klassische Physik aufhört.

Der Bogen zum Urknall

Hawking übertrug Penroses Logik auf das gesamte Universum: Rechnet man die Expansion zurück, muss am Anfang eine Singularität gestanden haben — der Urknall. 1970 gaben beide eine vereinheitlichte Behandlung der Theoreme.

Eine robuste Vorhersage

Singularitäten sind kein Rechenartefakt symmetrischer Modelle, sondern eine unausweichliche Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie, sobald genug Masse kollabiert.

✦ Physik-Nobelpreis 2020 — Roger Penrose

Der Nobelpreis 2020 ehrte Penroses Nachweis, dass die Entstehung Schwarzer Löcher eine robuste Vorhersage der Relativitätstheorie ist. Hawking, 2018 gestorben, konnte ihn nicht mehr teilen — der Preis wird nicht posthum verliehen.

05 Hawking-Strahlung · 1974

Schwarze Löcher sind nicht ganz schwarz.

Hawkings revolutionäre Erkenntnis von 1974: Durch Quanteneffekte am Ereignishorizont strahlt ein Schwarzes Loch wie ein glühender Körper — mit einer Temperatur, die umgekehrt proportional zu seiner Masse ist. Kleine Löcher sind heißer als große.

Die Folge ist atemberaubend: Schwarze Löcher verlieren langsam Masse und können über unvorstellbar lange Zeiträume vollständig verdampfen. Das Ergebnis verband erstmals drei große Theorien in einer Gleichung — Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorie und Thermodynamik. Aus ihr folgt das bis heute diskutierte Informationsparadoxon: Was geschieht mit der Information, die hineinfällt?

T ∝ 1 / M Entropie ∝ Fläche Relativität + Quanten + Wärme
Veranschaulichung — keine exakte Mechanik

Das Bild der „Teilchenpaare am Horizont“ ist eine starke Vereinfachung, die Hawking selbst zur Anschauung nutzte — der eigentliche Effekt ist subtiler und quantenfeldtheoretisch.

06 Spaghettisierung
weit entferntam Horizont

Zu einem langen Spaghetto gezogen.

Nähert sich ein Körper dem Schwarzen Loch, wirkt die Schwerkraft an den Füßen weit stärker als am Kopf. Dieser Unterschied — die Gezeitenkraft — dehnt ihn der Länge nach und staucht ihn seitlich.

Hawking selbst prägte das anschauliche Bild in Eine kurze Geschichte der Zeit: Man wird „zu einem langen Spaghetto gezogen“. Bei kleinen Schwarzen Löchern beginnt das schon weit außerhalb des Horizonts; bei riesigen, supermassereichen Löchern könnte man den Horizont sogar überschreiten, ehe es bemerkbar wird. Ziehen Sie den Regler.

07 Die ersten Bilder

Ein erdgroßes Auge.

Lange war ein Schwarzes Loch nur Mathematik. Dann schaltete die Event-Horizon-Telescope-Kollaboration acht Radio­observatorien rund um den Globus per Interferometrie zu einem virtuellen Teleskop von der Größe der Erde zusammen — und fotografierte den Schatten. Der leuchtende Photonenring ist genau das, was die Relativitätstheorie vorhergesagt hatte.

Erstes direktes Bild eines Schwarzen Lochs: der leuchtend orange Photonenring um den dunklen Schatten von M87*, veröffentlicht 2019 vom Event Horizon Telescope. EHT Collaboration · CC BY 4.0

M87*

10. April 2019 · ~6,5 Mrd. Sonnenmassen · ~55 Mio. Lj.

Das erste Bild eines Schwarzen Lochs überhaupt — im Zentrum der Galaxie Messier 87. Ein glühender Ring um eine Dunkelheit so groß wie unser Sonnensystem.

Erstes direktes Bild von Sagittarius A*, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße, veröffentlicht 2022 vom Event Horizon Telescope. EHT Collaboration · CC BY 4.0

Sagittarius A*

12. Mai 2022 · ~4 Mio. Sonnenmassen · ~27 000 Lj.

Unser eigenes zentrales Schwarzes Loch im Herzen der Milchstraße. Schwerer abzubilden als M87*, weil das Gas es in Minuten statt Tagen umrundet — das Muster ändert sich rasend.

Beide Aufnahmen © Event Horizon Telescope Collaboration, lizenziert unter CC BY 4.0 — hier unverändert wiedergegeben.

Schwarze Löcher sind nicht so schwarz, wie man sie malt — und keine ewigen Gefängnisse.
Stephen Hawking · sinngemäß aus öffentlichen Vorträgen, 2015 / 2016
09 Vermächtnis

Eine offene Frage, der Welt erklärt.

Hawking verband die Schwerkraft des Größten mit der Unschärfe des Kleinsten — und machte beides verständlich. Sein Werk ist Wissenschaft und Erzählung zugleich.

01 · DAS BUCH

Kosmologie für alle

Eine kurze Geschichte der Zeit stand 237 Wochen auf der Bestsellerliste und verkaufte sich über 9 Millionen Mal — eines der meistverkauften Wissenschaftsbücher überhaupt.

02 · DIE STIMME

Ein Klang, weltbekannt

Die computergenerierte Stimme seines Sprachsynthesizers wurde zu seinem Markenzeichen — er behielt sie bewusst bei, selbst als modernere möglich gewesen wären.

03 · DAS RÄTSEL

Das Informationsparadoxon

Verschwindet Information wirklich in einem Schwarzen Loch — oder kehrt sie mit der Strahlung zurück? Hawkings Frage treibt die Physik bis heute an.

Die Symmetrien seines Lebens — geboren 300 Jahre nach Galilei, gestorben an Einsteins Geburtstag und am Pi-Tag — sind belegt, aber bleiben schöne Zufälle, nicht mehr.