Schwarze Löcher : "Ich wusste sofort: Das ist fantastisch!"

Der Mathematiker Roy Kerr erkannte, dass es rotierende Schwarze Löcher geben könnte, lange bevor sie entdeckt wurden. Christoph Drösser traf den Neuseeländer in Potsdam.
Cygnus X-1 im Sternbild Schwan ist nach der Überzeugung der Astronomen ein rotierendes Schwarzes Loch, das von seinem hell leuchtenden Begleitstern ständig große Mengen Materie absaugt (künstlerische Darstellung). © Esa/Hubble

ZEIT ONLINE: Sie haben vor genau 50 Jahren eine spezielle Lösung der Einsteinschen Gleichungen gefunden, die später als die erste Beschreibung eines rotierenden Schwarzen Lochs bekannt wurde. War das damals Mathematik oder Physik?

Roy Kerr: Zunächst mal war es Mathematik. Aber ich habe mich damals schon mehr für physikalische Phänomene interessiert.

ZEIT ONLINE: In Ihrem deutschen Wikipedia-Eintrag ist derzeit zu lesen, dass Ihnen jahrelang nicht klar gewesen sei, wie bedeutend Ihre Entdeckung war.

Kerr: Das ist völliger Unsinn. Wahrscheinlich kommt das von Physikern, die sagten: Er war ja nur ein Mathematiker und konnte gar nicht beurteilen, was er tat. Dabei hatte ich mich schon mit rotierenden Systemen beschäftigt, als die noch in die Windeln machten. Ich wusste sofort: Das ist fantastisch! Und alle anderen wussten es auch.

Roy Patrick Kerr

Der 1934 geborene neuseeländische Mathematiker entdeckte 1963 eine Lösung für die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, das "Kerr-Vakuum". Er ist Preisträger der Albert-Einstein-Medaille 2013.

ZEIT ONLINE: In den mehr als fünf Jahrzehnten davor hatte man diese exotischen Lösungen von Einsteins Gleichungen vor allem als rein theoretische Spekulation angesehen – Objekte mit unendlich konzentrierter Masse, die sogar Lichtstrahlen gefangen hielten. Konnten Sie sich damals vorstellen, dass es tatsächlich Himmelskörper mit diesen Eigenschaften geben könnte?

Kerr: Ja! Denn kurz davor waren die Quasare entdeckt worden. Mit Radioteleskopen hatte man Objekte in fernen Galaxien gefunden, die unglaubliche Mengen von Energie abstrahlten. Wo kam diese Energie her? Keiner konnte das erklären.

ZEIT ONLINE: Und waren die Astrophysiker dann von Ihrer Lösung elektrisiert?

Kerr: Überhaupt nicht. Es gab im selben Jahr eine Konferenz über Quasare in Dallas. Dort habe ich einen Vortrag über meine Entdeckung gehalten. Die Relativitätstheoretiker waren begeistert, aber die Astrophysiker schliefen im Hörsaal, sie hörten überhaupt nicht zu. Ein bekannter Relativist stand auf, schüttelte die Faust und rief: Wir haben 30 Jahre an dieser Sache gearbeitet, ihr hört besser mal zu. Aber erst im Lauf des nächsten Jahres haben sie eingesehen, dass die Akkretionsscheibe rund um ein rotierendes Schwarzes Loch tatsächlich solche riesigen Energiemengen abstrahlen könnte. Ich sagte damals schon voraus: In der Zukunft wird immer dann, wenn man ein unverstandenes Phänomen im All entdeckt, jemand aufstehen und rufen: "Das ist ein Schwarzes Loch, gebt mir den Nobelpreis!"

ZEIT ONLINE: Und heute gelten Schwarze Löcher als bestätigt, oder?

Kerr: Der erste Kandidat für ein Schwarzes Loch war der Stern Cygnus X-1, der 1965 entdeckt wurde. Ein Schwarzes Loch ist ja zunächst einmal unsichtbar, aber dieser Stern hat einen Begleiter, von dem er ständig Materie absaugt und sich einverleibt. Das war schon früh der heißeste Kandidat, auch wenn wir im strengen Sinne bis heute kein Schwarzes Loch an ihm beobachten können.

ZEIT ONLINE: Aber der Name "Schwarzes Loch" kam erst lange nach Ihrer Entdeckung, oder?

Kerr: Ja, der Begriff wird oft John Wheeler zugeschrieben, aber der hat nur einmal in einer Vorlesung gefragt: "Fällt einem ein guter Name dafür ein?" Und jemand im Publikum rief: "Schwarzes Loch!"

ZEIT ONLINE: Es heißt, Ihre Schwarzen Löcher seien "haarlos". Was heißt das?

Kerr: Tatsächlich braucht man – neben der elektrischen Ladung – nur zwei Parameter, um ein rotierendes Schwarzes Loch zu beschreiben: seine Masse und seine Rotationsgeschwindigkeit. Es gibt keine weiteren Größen oder "Haare", die da entscheidend sind.

ZEIT ONLINE: Es heißt, Sie seien an einem "bizarren Antigravitationsprojekt" der Navy beteiligt gewesen. Was hat es damit auf sich?

Kerr: Die Navy hatte eine Relativitätsgruppe in Dayton im Staat Ohio. Wir haben da unsere abstrakten Forschungen gemacht, aber ab und zu bekam die Navy Vorschläge von irgendwelchen Irren, die sehr exotische Antriebe für Raumfahrzeuge entworfen hatten. Die hatten viele Schalter und Knöpfe, pulsierende elektrische und magnetische Felder, aber alle verletzten irgendwie Newtons Energieerhaltungssatz. Wir wurden dann gefragt: Sollen wir dem Kerl ein paar Millionen Dollar geben, um die Sache weiter zu erforschen? Und unser Job war es dann, zu zeigen, dass das alles Unsinn war.

Die Entdeckung von Roy Kerr vor genau 50 Jahren war der Startschuss für die Erforschung der Schwarzen Löcher. Das Albert-Einstein-Institut in Golm bei Potsdam hat den Pionier mit einem zweitägigen Symposium geehrt.

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Kommentare

34 Kommentare Seite 1 von 3 Kommentieren

Es geht auch anders!

Scheinbar hatte der hochintelligente Kerr
nicht den richtigen Draht zu Relativitätstheoretikern,
sonst hätte seine Lösung für die Feldgleichungen
der Allgemeinen Relativitätstheorie sofort Begeisterung
hervorgerufen. Als ich mit einem Professor der theoretischen
Physik ein einheitliche Lösung des Einsteinschen
Welle/Teilchen-Paradoxons erörtern wollte, nahm er sich
10 Minuten für meine Darstellung des Problems , obwohl
er eigentlich keine Sekunde Zeit hatte weil er mindestens
15 Physik-Doktoranden an der Universität betreuen musste.

@2 - Vasudeva "Was sind dann die Mikrozustände?"

Ich denke, dass es dabei darauf ankommt, ob es sich bei einem Schwarzen Loch um eine - im Wortsinn - echte Singularität handelt, oder ob es so etwas tatsächlich gar nicht geben kann (auch keine "nackten").

Es gibt im Rahmen des Versuchs einer Vereinheitlichung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik ("Weltformel") ja schon verschiedene Modelle, die eine solche Singularität verneinen und stattdessen z. B. einerseits "Gravastars", andererseits "Schwarze Sterne" mit einer echten Oberfläche und ohne Ereignishorizont postulieren. Die Loop- oder Schleifen-Quantengravitation z. B. postuliert eine "körnige" Raumzeit, bei der Materie niemals zu einem Punkt unendlicher Dichte, einer Singularität, zusammenschrumpfen kann, sondern durch die Struktur der Raumzeit daran gehindert wird. In diesen Fällen könnte man eher schon von möglichen verschiedenen Mikrozuständen sprechen, weil es sich ja dann tatsächlich noch um Materie, wenn auch um extrem entartete, handeln würde.

Wenn Sie tatsächlich Mikrozustände und deren Entropie bei Schwarzen Löchern bestimmen wollen, so können Sie meiner Meinung nach aber nicht von einer Singularität ausgehen, zumal diese ja aus "nichts" zusammengesetzt wäre und somit keine Mikrozustände aufweisen könnte. Die Singularität wäre das, was ihr Name schon sagt: singulär.

Die Hawking-Strahlung bezieht zwar auch die Quantenmechanik mit ein. Diese Teilchen werden aber doch meines Wissens nach am Ereignishorizont erzeugt und teilweise emittiert?

Gruß
Janna

@20 - Vasudeva

Ich zitiere Sie: "Es ist ja so, dass die Entropie eines Schwarzen Loches nach Hawking proportional zu dessen "Oberfläche" ist. Daher könnten diese Mikrozustände ja wirklich auf dieser Oberfläche verteilt sein. Wheeler, glaube ich, schlug vor, hier quantisierte Parzellen der Raumzeit anzunehmen (Planck-Längen und Zeiten), die "irgendwelche" Zustände annehmen könnten, ohne dass das für uns gesehen "Innere" des schwarzen Loches davon betroffen wäre. So als wäre das Schwarze Loch auf eine Dimension weniger projiziert worden, auf dessen "Rand" quasi." Zitat Ende

Sie schreiben vom "holographischen Prinzip", das Leonard Susskind und Gerard `t Hooft Mitte der 90er Jahre entwarfen und demzufolge sich Ereignisse in einem bestimmten Raumzeitvolumen durch Vorgänge an seiner Oberfläche erklären lassen.

Ein interessantes Modell, das tatsächlich sehr vielversprechend ist, wie ich finde. Man kann trefflich darüber sinnieren, welches nun die wahre Realität wäre: die Ereignisse im Inneren, jene auf der zweidimensionalen Grenzfläche - oder gar beide? Die Physik gibt darauf keine Antwort.

Vielen Dank auch für den Link.

Einen schönen Abend noch für heute und Gruß

Janna

schönes Thema :-)

"Da der max. Entropie-/ Informationsgehalt eines Gebietes nicht von seinem Volumen, sondern seiner Oberfläche, beim Schw. Loch von der des Raumgebietes vor dem Kollaps abhängt, wäre nicht die gesamte Grenzfläche, sondern weniger als ein Viertel in Planck-Einheiten äquivalent zur Entropie des Schw. Lochs."

Bekenstein-Hawking-Formel: S = A/4 in Planckschen Einheiten. Das ist schon seit 1974 veröffentlicht...

"Denn auf der 4-D-Grenze der A-d-S-Raumzeit wäre die Entropie des Schw. Lochs ja schon exakt als heiße Strahlung abgebildet."

Liegt das denn nicht im "Unendlichen"? (Hyperbolische Geometrie)

Frei nach Penrose gilt vielleicht, dass jemand letztendlich eine Lösung findet, wenn er/sie einen neuen Zweig der Mathematik eröffnet, so wie Newton mit seinem Calculus...

@29 - Vasudeva

"Liegt das denn nicht im "Unendlichen"? (Hyperbolische Geometrie)"

______

Leider kann uns unser Vorstellungsvermögen im Hinblick auf Räume und Objekte gerade einmal ein max. dreidimensionales Bild innerhalb einer euklidischen Geometrie vermitteln. :-)

Gut, dass es uns dennoch gelingen kann, mit Hilfe mathematischer Konstruktionen höherdimensionale Räume und/oder Räume unterschiedlicher Geometrie zu berechnen. Und Escher gelang mit seinen Projektionen die zweidimensionale Darstellung hyperbolischer Räume tatsächlich recht gut...

Und man fragt sich, welche Vorstellung wohl schwieriger ist: die des Unendlichen oder die des Endlichen. Und dennoch... Liefert eine Berechnung ein unendliches Ergebnis, wie z. B. unendliche Dichten, so bedeutet das in der Regel: Nochmal nachrechen!

Gruß
Janna

@29 - Teil 1 - Abgesehen von den verschiedenen Modellen,

stellen sich mir persönlich einige grundlegende Fragen, die sich in Bezug auf das holographische Modell aus der Quantenmechanik ergeben.

Weshalb erscheint uns die Welt als lokal, wenn sie doch tatsächlich eigentlich nichtlokal ist - was das Phänomen der Verschränkung von Teilchen ja suggeriert (Einsteins "spukhafte Fernwirkung", die er ablehnte)? Im Prinzip ist dies ja keine Wirkung oder Akion/Reaktion, sondern erfolgt instantan, da eine Informationsübertragung/ein Informationsaustausch zwischen den Teilchen nicht stattfindet. Handelt es sich bei der Erzeugung verschränkter Teilchen um eine nur von uns "wahrgenommene" räumliche Trennung, die eigentlich gar nicht existiert, sondern nur von unserer Vorstellung einer räumlich dreidimensionalen Welt herrührt? Oder, wie ich weiter unten noch ausführen werde, handelt es sich bei dem Phänomen um eine dreidimensionale Projektion nichtlokaler Ereignisse in zwei Dimensionen?

Wenn das holographische Prinzip zutrifft - was betrachten wir dann eigentlich, wenn wir uns mit dem Allerkleinsten befassen? Schauen wir dort auf eine Art Matrix, die mit einer räumlich zweidimensionalen Grenzfläche identisch wäre, ausgestattet mit punktförmigen, nulldimensionalen Elementarteilchen und zusammengesetzt aus eindimensionalen Teil-Grenzen von Teilchenverbünden? (Wodurch grenzen sich dann eigentlich einzelne Elementarteilchen voneinander ab? Raum? Die können ja keine eindimensionale Grenze haben.)

Forts. Teil 2

@29 - Teil 2 - Dagegen unsere makroskopische Wahrnehmung einer

räumlich dreidimensionalen, lokalen Welt. Die dritte Raumdimension und unsere Wahrnehmung von Lokalität wäre vielleicht nur Ausdruck dessen, was auf zweidimensionaler, nichtlokaler Ebene geschieht: Eine Projektion nichtlokaler Ereignisse in eine womöglich bloß illusionierte oder sich durch Nichtlokalität in zwei Dimensionen ergebende, um nicht zu sagen "erhebende" dritte Raumdimension hinein. Das könnte womöglich unser Unvermögen erklären, besagte Nichtlokalität im dreidimensionalen, makroskopischen Raum zu erkennen: Diese wäre integraler Bestandteil in zwei Dimensionen, in dreien nicht erkennbar und sich dort lokal äußernd. Die es uns ermöglichte, "hinüberzugreifen" und Gegenstände, die ohne Nichtlokalität in zwei Dimensionen außerhalb unserer Reichweite lägen, mit Hilfe derselben dennoch zu erreichen. Unsere Existenz und die der Welt, wie wir sie kennen, hätten wir dann schlicht einzig der Nichtlokalität zu verdanken. Sonst wäre es so wie mit den Königskindern, die niemals zueinander finden, weil das "Wasser" viel zu tief ist, respektive es sonst in zwei Dimensionen nicht möglich wäre, auch nur die Hand zu heben und zum Mund zu führen.

Boussos modifiziertes Modell des holograhischen Prinzips geht m. W. n. übrigens auch von zweidimensionalen Grenzflächen aus. (Muss ich mir, wie gesagt, nochmal genauer anschauen.) Allerdings - wenn man es sich überlegt, sind wir ja auch in der dreidimensional-makroskopischen Betrachtung von lauter Grenzflächen umgeben...

Gruß
Janna

nun...

"Weshalb erscheint uns die Welt als lokal, wenn sie doch tatsächlich eigentlich nichtlokal ist "

Tut sie doch nicht (mehr). Früher dachte man, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist (ist sie ja "eigentlich" noch für biologisch-menschliche Wahrnehmungen), heute treibt man Teilchenphysik unter Berücksichtigung der speziellen Relativitätstheorie. Mit den heutigen Messmethoden "erscheint" uns die Welt und ihre Wechselwirkungen wirklich nicht mehr lokal.

"was das Phänomen der Verschränkung von Teilchen ja suggeriert "

Das ist ja nach heutigem Verständnis kein Paradoxon mehr. Verschränkte Teilchen wechselwirken ja nicht, sondern sind eigentlich EIN Teilchen, welches "an sich" sich wiederum ganz "normal" relativistisch verhält. Bsp. Cooper-Paare bei der Supraleitung: Zwei Elektronen verhalten sich wie EIN Boson, welches für sich genommen wiederum der "normalen" Dynamik unterliegt.

Und diese ganzen topologischen, geometrischen Betrachtungen des "Ursprungs aller Dinge" sind doch bis jetzt nur, wenn auch hochinteressante, mathematische Modelle. Für mich hat das (noch) nichts mit Physik zu tun, solange selbst potenziell noch nichts messbares herauskommt.

Wenn Sie diesbezüglich kein Profi sind, arbeiten Sie das mal durch:

http://www.amazon.de/Road...

Viel Spass dabei :-)

Ja, verschränkte Teilchen verhalten sich wie EIN Teilchen.

Wenn ich mich nicht irre, spricht man in der Quantenoptik dabei von einer "Entität".

Einem Absatz in meinem Beitrag hatte ich aber auch vorangestellt: "Wenn das holographische Prinzip zutrifft,..." (und meinte: es verallgemeinern kann).

Immer ist es doch auch eine Frage der Einordnung von Theorien und Erkenntnissen in das Gesamtbild und ihre Folgen und Bedeutung für alle anderen Theorien und Erkenntnisse. Messbares zu messen ist selbstverständlich richtig und sinnvoll. Gerade in Bezug auf Quantenmechanik oder Teilchenphysik geht in der Regel ja nichts ohne theoretische Verhersagen, auf die erst Messungen erfolgen (s. z. B. das "Higgs"), auch wenn dies erst Jahrzehnte nach den Vorhersagen technisch möglich ist. Erst auf Basis vorheriger Forschung, deren Ergebnisse und ggf. folgender Interpretationen, kann man hier (mangels sonstiger Anschauung) wissen oder nur erahnen, was man überhaupt vorhersagen und wonach man eigentlich wie und wo suchen soll. Mitunter stößt man gerade bei den Interpretationen auf Schwierigkeiten (s. Kopenhagener Interpretation > Viele-Welten-Theorie > Dekohärenz). Manchmal baut einfach die eine Interpretation auf der anderen auf oder man führt sie zusammen und vereint sie zu einer neuen.

Das Gemessene (z. B. Verschränkung) oder das Fehlen einer Evidenz erfordert ja seine Einordnung und seine Bedeutung auch für andere Bereiche und was daraus für unser Verständnis der Welt folgen mag.

Danke auch für den Link und einen schönen Abend noch.

Gruß
Janna

falsche Annahme

Ihre Annahme, Mathematik sei nur eine Sprache zur Beschreibung der Natur, ist grundlegend falsch und leider weit verbreitet. Das gemeinsame Ziel von Mathematikern und Physikern ist der Versuch die Struktur des Universums zu verstehen. Historisch betrachtet entstammt die Mathematik ebenso aus den Versuchen uns umgebende Strukturen zu verstehen (Raum, Muster, Zahlen, etc). Die künstliche Trennung von Mathematik und Physik ist das eigentliche Problem. Diese hat zu diesen falschen Annahmen wie den ihrigen geführt und raubt leider den allermeisten Menschen den unendlichen Genuss an der Erkenntnis, dass die grundlegenden Strukturen, welchen die Elementarteilchen einerseits und den Zahlen andererseits innewohnen, ein und dieselben sind...

alles andere als verwunderlich

Symmetrie ist vermutlich das fundamentalste Konzept, welches sich nach tausenden von Jahren der Menschheitsgeschichte in unserem aktuellen Verständnis des Seins herauskristallisiert hat. Gruppentheorie ist ein (erster) Zugang zu einer Theorie der Symmetrie und spielt in der gesamten Physik eine fundamentale Bedeutung - und das, ausser für den Laien, alles andere als überraschend...

@6 - einszwo

Da gibt es sicher noch viel, viel mehr Beispiele.

Dabei sind die "Oktonionen" ein weiteres interessantes Beispiel, ein kurioses, exotisches Zahlensystem, das im 19. Jahrhundert (genauer: im Jahr 1843) entdeckt wurde und heute als zentrales Hilfsmittel für Berechnungen der Stringtheorie verwendet wird.

Dieses Zahlensystem hält - Zitat - "vielleicht die einfachste Erklärung dafür bereit, dass unser Universum zehndimensional sein könnte", so aus einem Artikel in der Printausgabe 1/13 in "Spektrum der Wissenschaft Spezial - Physik-Mathematik-Technik".

Gruß
Janna