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Zum Nobelpreis für Physik 2020

Mittwoch, 14.10.2020

Vorhersage und Entdeckung Schwarzer Löcher

Der Nobelpreis für Physik 2020 wird verliehen an Prof. Sir Roger Penrose für die Entdeckung, dass Schwarze Löcher eine robuste Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie sind, und an Profs. Reinhard Genzel und Andrea Ghez für die Entdeckung eines supermassiven kompakten Objekts im Zentrum unserer Galaxie.

Galten noch vor nicht einmal vierzig Jahren Schwarze Löcher als obskure mathematische Artefakte der Allgemeinen Relativitätstheorie wird deren Existenz in unserem Universum heute als gesichert angesehen. Mittlerweile ist man aufgrund der Arbeit von beobachtenden Astronomen und von theoretischen Physikern überzeugt, dass diese immer noch sehr rätselhaften Objekte in grosser Zahl in jeder der Galaxien in unserem Universum existieren. Die größten unter ihnen sind die gewaltigsten überhaupt existierenden "Energiemaschinen".

Die Vorhersage und die Entdeckung von Schwarzen Löchern ist herausragendes Beispiel dafür, wie sich aus der präzisen Formulierung einer Grundlage für die Physik (hier: das Prinzip der Relativität), der daraus folgenden mathematischen exakten Formulierung einer Theorie (hier: die Einstein'sche Allgemeine Relativitätstheorie als geometrische Theorie der Gravitation) und deren mathematischer Konsequenzen (hier: die von Penrose gefundenen Singularitätentheoreme) zu einer erstaunlichen, weit jenseits der alltäglichen Anschauungswelt liegenden Vorhersage verdichten (hier: Schwarze Löcher), die dann darauf hin in Experiment und / oder Beobachtung (hier: die Entdeckung eines supermassiven kompakten Objekts im Zentrum unserer Galaxie) bestätigt werden.

Zuerst einmal zur Grundlage, zum Prinzip der Relativität: Geprägt wurde dieser Begriff in der heute verwendeten Form vom österreichischen Physiker und Philosophen Ernst Mach. Es war nicht zuletzt in seiner Zeit in Graz (1864 - 1867), in der Mach begann, eine fundamentale Kritik am Newton'schen Gedankengebäude zu formulieren. Hierbei bezweifelte Mach nicht etwa die Gültigkeit der Newton'schen Gleichungen, er setzte viel mehr bei der Begründung Newtons für seine Axiome an. In der Einleitung zu seinem 1883 erschienenen Buch zur Theoretischen Mechanik erläuterte er überzeugend, dass es nicht notwendig ist, das Newton'sche Trägheitsprinzip auf einen besonderen absoluten Raum zu beziehen, und dass jegliche beobachtbare Physik sich mittels der relativen Bewegungen von physikalischen Objekten  - Mach nannte hierbei gerne in seiner Argumentation die "Körper im Weltraum" - und nur dieser beschreiben lässt. 

Die Mach'sche Argumentation hatte grossen Einfluss auf den jungen Einstein. Und exakt diese Sichtweise erlaubte es ihm, in seinem 1905 publizierten Artikel "Zur Bewegung geladener Körper" die kurz zuvor von Lorentz und Poincaré veröffentlichen diesbezüglichen Ansätze dahingehend zu verändern, dass seine Theorie mittels relativ zueinander bewegter Bezugssysteme das negative Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments erklären konnte. Dieser Artikel war die Geburtsstunde dessen, was wir heute (und Einstein selbst dann einige Jahre nach dem Erscheinen dieses Artikels) Spezielle Relativitätstheorie nennen. Für Einstein folgten dann zehn rastlose Jahre, in denen er die Allgemeine Relativitätstheorie entwickelte, auf nichts Weiteres aufbauend als auf eine kritische Analyse der vorhandenen experimentellen Fakten und der Forderung, dass das Relativitätsprinzip allgemein gültig sein soll. Diese Bestrebungen wurden gekrönt von der Publikation der nach Einstein benannten Feldgleichung im November 1915, also vor knapp 105 Jahren. Seit dieser Zeit wurde die Gültigkeit der Einstein'schen Feldgleichungen in sehr vielen und sehr präzisen Experimenten getestet und bestätigt. 

Bereits im Jahre 1916 veröffentlichte Schwarzschild eine Lösung der Einstein'schen Feldgleichung, die einige unvermutete Aspekte enthielt. Zuerst einmal enthielt diese Lösung eine Singularität, und für Abstände zu dieser Singularität, die kleiner als ein bestimmter Radius sind (und den wir heute Schwarzschild-Radius nennen), war diese Lösung völlig unverständlich. 

Im Jahr 1939 gelang es dann Oppenheimer und Snyder durch Analyse des Kollaps einer interstellaren Wolke bzw. eines Sterns die Bedeutung des Schwarzschild-Radius zu erhellen: Sobald alle Materie auf einen Raumbereich innerhalb des Schwarzschild-Radius konzentriert ist, wird jegliche Kommunikation des Sterns mit einem entfernten Beobachter unmöglich, nur das Gravitationsfeld des Sterns bleibt bestehen. Damit wurde klar, dass die Einstein'schen Feldgleichungen Lösungen mit einem sogenannten Ereignishorizont zulassen: Nichts kann dem Bereich hinter dem Ereignishorizont entkommen, nicht einmal Licht. 

Erst Jahrzehnte später prägte sich für diese Art Objekte mit einem Ereignishorizont der Begriff "Schwarzes Loch". Es war Wheeler, der auf einer Konferenz 1967 das Auditorium fragte, ob es den nicht etwas Einprägsameres als "gravitationally completely collapsed object" für diese Objekte gäbe. Ein bis heute unbekannter Teilnehmer dieser Konferenz griff den einige wenige Jahre zuvor von der Wissenschaftsjournalistin Ewing erstmals benutzten Begriff "Black Hole" auf und rief ihn Wheeler zu.

Einige Jahre zuvor, im Jahr 1964, wandte sich Penrose der Frage der komplett kollabierten Objekte zu. Insbesondere wollte er klären, ob die Betrachtungen von Oppenheimer und Snyder nur ein und vielleicht sogar irrelevantes Beispiel für eine Lösung der Einstein'schen Gleichungen sind, oder ob es unausweichlich in bestimmten Sternkollaps-Szenarien zu solchen Lösungen kommt. Das Schlüsselkonzept waren hierbei die eingeschlossenen Flächen, deren Eigenschaften es Penrose erlaubten, das erste der Singularitäten-Theorem zu beweisen. Die physikalischen Konsequenzen waren völlig unanschaulich: Jegliche Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, stürzt auch unausweichlich in eine Singularität, in der dann für diese Materie die Zeit endet. Penrose fand die Konsequenzen seines eigenen Beweises so dramatisch, dass er die Existenz dieser singulären Lösungen der Einstein'schen Gleichungen die größte Krise der Theoretischen Physik im 20. Jahrhundert nannte. Und tatsächlich sind viele Ansätze für eine Vereinigung von Allgemeiner Relativitäts- und Quantentheorie von der Forderung inspiriert, solche Singularitäten zu vermeiden.

Aber es gilt festzuhalten: Penrose' Beweis machte es unausweichlich klar, dass Schwarze Löcher Lösungen der Einstein'schen Gleichungen sind.

Trotzdem waren noch in den sechziger und siebziger Jahren die meisten Astrophysiker und Astronomen überzeugt, dass Schwarze Löcher, sollten sie überhaupt vorkommen, sehr exotische Objekte seien.

Techniken mit adaptiver Optik wurden um das Jahr 2000 im Keck Observatory und im Very Large Telescope der ESA installiert, und dies erlaubte dann den Forschungsgruppen von Profs. Ghez und Genzel (die selbst auch noch viele technische Verbesserungen vornahmen), die Umgebung des Zentrums unserer Galaxie präzise zu vermessen. Die Orbits der Sterne, die dem Zentrum der Galaxie am nächsten kommen, lassen keinen Zweifel zu: Es befindet sich dort ein sehr kompaktes Objekt mit einer Masse von mehr als vier Millionen Sonnenmassen. Und insbesondere stimmen alle gemachten Beobachtungen damit überein, dass dieses Objekt ein Schwarzes Loch ist.

Es gilt festzuhalten, dass Penrose durch seinen mathematischen Beweis und Ghez und Genzel durch ihre Beobachtungen unser Bild des Universums für immer verändert haben. Wir gratulieren ihnen zum Nobelpreis! 

Am 9. Dezember 2020 wird der Autor in der Reihe "Facetten der Physik" einen Vortrag zum Nobelpreis 2020 halten.

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