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Schwarze Löcher existieren! {Physik Nobelpreis 2020}

Gestern hatte ich euch ja bereits über die Entdeckung des Hepatitis C Virus‘ berichtet, die dieses Jahr mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurde. Heute dreht sich hier alles um meinen persönlichen Lieblingsnobelpreis: Physik! Und weil der Preis dieses Jahr wieder in zwei Teile geteilt wurde, mache ich es genauso: Heute berichte ich euch über die erste Hälfte, morgen über die zweite!

Dieses Jahr erhält (endlich!) Sir Roger Penrose die eine Hälfte des Nobelpreises “for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity”. Was heißt das konkret und was ist daran so interessant? Darum geht es in diesem Artikel! (Und natürlich darf unser Kater Penrose ebenfalls nicht fehlen!)

Roger Penrose ist von Haus aus Mathematiker, der sich aber schon früh mit Astrophysik und konkret Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beschäftigt hat. In der Begründung für seine Auszeichnung steht, dass er „geniale mathematische Methoden entwickelte„, um beweisen zu können, dass Schwarze Löcher eine direkte Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie sein müssen! Einstein hatte die Theorie zwar aufgestellt, selbst aber nicht an die Existenz von Schwarzen Löchern geglaubt. Erst Penrose konnte in seinem 1965 veröffentlichten Paper zeigen, dass es sie tatsächlich geben muss. Von einer direkten Beobachtung war man zu diesem Zeitpunkt noch weit entfernt.

Penrose konnte allerdings noch einen deutlichen Schritt weiter gehen, indem er nicht nur bewies, dass Schwarze Löcher existieren können. Er beschrieb sie auch noch zusätzlich im Detail, beispielsweise die Singularität im Innern des Schwarzen Loches, in der all unsere bekannten physikalischen Gesetze nicht mehr gelten. Dieser Artikel von Penrose gilt noch immer als der bedeutendste Beitrag zur Allgemeinen Relativitätstheorie seit Einsteins eigenem Aufsatz!

Ein massereicher Stern kollabiert zu einem Schwarzen Loch gezeichnet von Penrose / Quelle: „Cycles of Time von R. Penrose

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ist seit ihrer Vorstellung 1915 die Grundlage für die Erforschung des Universums, sie beschreibt anschaulich, wie alles im Universum von Gravitation bestimmt wird. Gravitation ist nicht nur dafür verantwortlich, dass wir nicht einfach von der Erde fliegen, sondern auch dafür, dass die Planeten in ihren Bahnen bleiben oder für das Kreisen unseres Sonnensystems um das Zentrum der Milchstraße. Betrachtet man nun extrem massereiche Objekte, sieht man mit der Relativitätstheorie, dass diese Objekte den Raum dehnen und sogar Zeit abbremsen können. Treibt man diese Idee ins Extrem, bekommt man ein Schwarzes Loch, das nicht nur den Raum dehnt, sondern ein Stück des Weltraums einschließt. Die erste theoretische Betrachung eines Schwarzen Lochs stammt von Karl Schwarzschild (wenige Wochen nach Einsteins Veröffentlichtung), der in seiner Arbeit beschrieb, wie Zeit und Raum genau gedehnt werden können. Später fand man heraus, dass es einen sogenannten Ereignishorizont geben muss, hinter dem das Innere eines Schwarzen Lochs für immer verborgen blieb. Je nach Masse variiert auch die Größe des Schwarzen Lochs und des Ereignishorizonts.
Zu Schwarzen Löchern im Allgemeinen muss ich wohl noch einmal einen eigenen Artikel schreiben, denn diese Objekte sind unheimlich spannend und bieten noch jede Menge offene Fragen! Wichtig zu wissen ist, dass schon im 18. Jahrhundert John Mitchell und Pierre Simon de Laplace über massereiche Körper nachdachten, die so dicht seien, dass sie unsichtbar würden, weil nicht einmal Licht schnell genug wäre zu entkommen! Dann kam Einsteins Relativitätstheorie, in der genau solche „dunklen Sterne“ beschrieben wurden. Trotzdem glaubten viele Physiker nicht wirklich an ihre Existenz und hielten sie für rein theoretische Überlegungen. Bis Penrose kam und das Gegenteil bewies…

Eine Vorstellung davon, wie es aussehen würde, wenn man von oben auf ein Schwarzes Loch schauen könnte (li) und wie eine Seitenansicht aussähe (re). Besonders spannend ist auch der Pfeil rechts, wo aus Raum innerhalb des Schwarzen Lochs auf einmal Zeit wird.

Roger Penrose sagt von sich selbst, dass er ein sehr visueller Mensch sei, er denkt nicht so sehr in komplizierten Formelwelten, sondern eher in geometrischen Bildern. So wundert es nicht, dass auch das Singularitäten-Theorem von ihm mit topologischen Methoden bewiesen wurde. Er beschreibt, wie er nach längerer Arbeit zu dem Thema den letzten Durchbruch hatte, nachdem er einen Spaziergang mit einem Kollegen unternommen hatte und sie an einer Kreuzung stehen blieben und das Gespräch unterbrachen. Erst als sie auf der anderen Straßenseite waren, unterhielten sie sich weiter. Genau dieses Erlebnis gab ihm den letzten Impuls für die Entwicklung seiner „trapped surfaces“ (also eingeschlossener Oberflächen). Diese trapped surfaces zwingen alle Lichtstrahlen immer in Richtung des Mittelpunkts zurückzufallen – innerhalb des Schwarzen Lochs. Mit diesem Werkzeug lässt sich die Raumzeit jenseits des Ereignishorizonts beschreiben und insbesondere beweisen, dass sich im Innern jedes Schwarzen Lochs eine Singularität verbirgt!
Schwarze Löcher sind eigenartige Objekte, die Astrophysiker noch nicht ansatzweise vollständig verstanden haben. So kann Materie nur in ein Schwarzes Loch fallen, aber nie wieder herauskommen. Im Innern wird der Raum durch Zeit ersetzt und so entspricht eine Reise in ein Schwarzes Loch einer Zeitreise, aber keiner räumlichen. Ulf Danielsson – der auf der Pressekonferenz wie schon letztes Jahr für die physikalischen Erklärungen zuständig war – stellte dazu passend fest, dass man eine Reise in die Vergangenheit machen müsste, um aus dem Schwarzen Loch wieder entkommen zu können.

Ein Selfie von Roger Penrose, aufgenommen direkt nachdem er mit Stockholm telefoniert hatte. Übrigens war es auch hier mal wieder nicht leicht, ihn ans Telefon zu bekommen – erst hörte niemand das Telefon, dann ging seine PA im Büro dran, ihr wurde aber nichts verraten, dann war Penrose nicht zu finden, schließlich hatten sie ihn am Telefon (wofür er erstmal seine Dusche verlassen musste…), woraufhin der Akku aufgab und sie ihn noch ein weiteres Mal anrufen mussten…

Wofür hat Roger Penrose konkret seinen Nobelpreis bekommen?
Er konnte beweisen, dass aus der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt, dass es Schwarze Löcher geben muss – etwas, woran selbst Einstein zweifelte. Zusätzlich konnte er sie noch sehr viel genauer beschreiben, als irgendjemand vor ihm.

Was spannend bleibt, ist die Frage, wie Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik vereinbart werden können. Denn genau im Innern von Schwarzen Löchern treffen diese beiden physikalischen Theorien aufeinander und bis jetzt weiß niemand, was dabei passiert!

Penrose liest in Roger Penroses Buch „Cycles of time“

Wer mir bei Instagram folgt oder auch, wer meinen kurzen Artikel nach der Bekanntgabe gelesen hat, weiß, dass ich unfassbar glücklich darüber war und bin, dass Roger Penrose den diesjährigen Nobelpreis bekommt! Er hat ihn sehr verdient, seine Arbeit ist seit Jahrzehnten großartig und bei all seinen Vorträgen / Auftritten finde ich ihn persönlich extrem sympathisch. Nicht zufällig trägt ja auch unser Kater den gleichen Namen. Als wir herausfanden, dass Penrose den Nobelpreis tatsächlich bekommt, haben das Forschermädchen und ich erstmal einen Freudentanz aufgeführt, woraufhin sich unser Kater Penrose kurzzeitig in seine Denkhöhle verzog – später hat er seine Beglückwünschungen huldvoll entgegen genommen und hat sich die zusätzlichen Leckerlis schmecken lassen. Was ich ebenfalls großartig fand, waren die zahlreichen Glückwünsche, die mich erreicht haben. Viele schrieben, dass sie direkt an uns denken mussten. Vielen Dank also auch einfach noch einmal an dieser Stelle dafür!

 

Save the date: Am Dienstag, den 8.12., werden die Nobel Lectures zu Physik online ab 9 Uhr CET übertragen!

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Über Roger Penrose habe ich selbt schon ein paar Artikel geschrieben, wenn ihr gern mehr über sein Leben, seine Forschung (die weit über diesen wichtigen Beweis hinaus geht) oder konkret das Penrose Dreieck erfahren möchtet, dann klickt einfach auf die entsprechenden Links. Mit einem Klick HIER kommt ihr zu einer Sammlung aller Artikel, in den Roger Penrose eine Rolle spielt!

Quellen & weitere Informationen:
Das Paper, was Penrose den Nobelpreis brachte: Gravitational Collapse and Space-Time Singularities, Roger Penrose, Phys. Rev. Lett. 14, 57 – Published 18 January 1965
Press release, nobelprize.org
Popular Science background, nobelprize.org
Scientific background, nobelprize.org
Am Ende der Zeit, spektrum.de
Aus Stephen Hawkings Schatten, tagesspiegel.de (Dieser Artikel spiegelt sehr gut wider, wie ich mich bei der Bekanntgabe fühlte: Endlich bekommt Penrose die Anerkennung, die er verdient hat!)
Sir Roger Penrose: The man who proved black holes weren’t impossible, bbc.com
Nobel Prize in Physics winner Roger Penrose answers questions, youtube.com

3 Gedanken zu „Schwarze Löcher existieren! {Physik Nobelpreis 2020}“

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