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Physik-Nobelpreis 2020 : Die Grenzorte des Verstehens

Auf dem Boden der Tatsachen staunt es sich immer noch am großartigsten: Die Astrophysik spekuliert von erstaunlichen Fundamenten aus. Ungetrübter Blick auf das Zentrum der Milchstraße im Nationalpark Grasslands in der kanadischen Provinz Saskatchewan. Bild: Imago

Der diesjährige Nobelpreis für Physik würdigt die theoretische Erforschung Schwarzer Löcher und den Nachweis eines solchen Giganten im Zentrum der Milchstraße.

          5 Min.

          Das Universum ist voll von merkwürdigen, wunderschönen, gewaltigen und atemraubenden Phänomenen. Und doch gibt es darunter wohl keines, das die menschliche Phantasie so anzuregen und herauszufordern vermag wie Schwarze Löcher – diese unseren Geist in seine Schranken weisenden irrwitzigen Raumzeitobjekte, deren theoretischer Ursprung in Einsteins 1915 veröffentlichter Allgemeiner Relativitätstheorie liegt. Wir nähern uns ihnen mit Sätzen wie „so kompakt, dass der von ihnen erzeugten Raumkrümmung nicht einmal Licht entkommt“ oder „je näher wir ihnen kommen, desto langsamer vergeht die Zeit“ oder „unsere Erde wäre eines, wenn wir sie auf eine Kugel zusammenpressten, deren Radius etwa dem einer Zwei-Cent-Münze entspricht“. Und doch bleibt unsere Anschauung höchst unvollständig, werfen Schwarze Löcher weit mehr Fragen auf, als wir derzeit zu beantworten in der Lage sind.

          Sibylle Anderl
          Redakteurin im Feuilleton, zuständig für das Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Das Stockholmer Nobelpreiskomitee würdigt die Erforschung dieser extremen kosmischen Objekte in diesem Jahr mit dem Physik-Nobelpreis. Zur einen Hälfte geht er an den britischen Theoretiker Roger Penrose von der Universität Oxford, zur anderen Hälfte an den deutschen Astrophysiker Reinhard Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik in Garching und Professor an der Universität Berkeley, sowie die amerikanische Astrophysikerin Andrea Ghez von der University of California. Die Auszeichnung lenkt damit wie bereits im vergangenen Jahr, als es um die Entwicklung des Kosmos und die Entdeckung ferner Planeten ging, den Blick auf die ganz großen kosmischen Fragen – Fragen also, die sich weniger durch unmittelbaren Alltagsnutzen auszeichnen, als vielmehr zu philosophischen Grundsatzüberlegungen und einer Rückbesinnung auf die Erfolge und auch mögliche Grenzen menschlicher Neugier und Erkenntnisfreude einladen.

          Reinhard Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching bei München.
          Reinhard Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching bei München. : Bild: dpa

          Die gekrümmte Raumzeit

          Die Geschichte der Erforschung Schwarzer Löcher liefert dabei eine wunderbare wissenschaftstheoretische Illustration dessen, wie der Mensch es schaffen kann, im Zuge wissenschaftlicher Forschung die Grenzen seiner Vorstellungskraft weit hinter sich zu lassen. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie bereitete dafür vor mehr als hundert Jahren den theoretischen Rahmen. Mit seinen Feldgleichungen erschütterte Einstein die Vorstellung, Raum und Zeit seien so etwas wie die unbeeinflussbare Bühne, auf der sich alles in der Welt abspielt – eine Vorstellung, die Immanuel Kant noch dazu veranlasst hatte, in seiner Kritik der reinen Vernunft Raum und Zeit den Status von Formen menschlicher Anschauung zu geben, da unser anschauungsgeleitetes Denken sich ihnen in ihrer klassischen Form so unvermeidlich zu fügen scheint. Einstein beschrieb nun, wie Raum und Zeit einerseits untrennbar als vierdimensionale Raumzeit zusammengehören und andererseits durch das beeinflusst werden, was sich in ihnen abspielt. Massen und auch Energien krümmen die Raumzeit. Gravitation heißt, dass andere Massen dieser Krümmung folgen. Illustriert wird dieses Phänomen oftmals durch ein zweidimensionales Gummituch, auf dem Kugeln liegen. Die offenbaren Grenzen dieser niederdimensionalen Veranschaulichung einer vierdimensionalen Raumzeit verdeutlichen, dass unsere Anschauung hier tatsächlich nicht recht weiter kommt, und letztlich nur mathematische Anschauung im Rechnen mit den zehn gekoppelten partiellen Differentialgleichungen der Feldgleichungen weiterhilft.

          Die mathematische Erkundung der Konsequenzen der Einstein’schen Theorie war entsprechend zunächst vor allem mit der Frage konfrontiert, welche ihrer Eigenschaften tatsächlich die Merkwürdigkeiten der Raumzeit wiedergeben und welche auf notwendige Annahmen und Vereinfachungen im menschlichen Umgang mit ihr zurückzuführen sind. Das prominenteste Beispiel für dieses Problem ist die Lösung der Feldgleichungen, die der deutsche Astronom Karl Schwarzschild 1916 kurz nach der Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlichte. Diese Lösung beschreibt eine Raumzeitstruktur, die gemäß Einsteins Theorie von einer kugelsymmetrischen, nicht rotierenden Masse erzeugt wird. Diese Lösung zeigt aber eine mathematische Merkwürdigkeit: Bei einem bestimmten Radius divergiert sie, wird unendlich. Im Bild des Gummituchs würde es an dieser Stelle zerreißen. Normalerweise ist solch ein Verhalten, beschrieben als das Auftreten von Singularitäten, Anzeichen dafür, dass etwas mit der mathematischen Beschreibung nicht stimmt. Heute wissen wir, dass der Radius, an dem diese mathematische Ungeheuerlichkeit auftaucht, wenn die beschriebene Masse nur kompakt genug ist, den Horizont eines Schwarzen Lochs beschreibt: den sogenannten Schwarzschildradius, ab dem sich nichts mehr der Gravitation der extrem kompakten Masse entgegensetzen, ab dem also nichts mehr von innen nach außen dringen kann.

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