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. von 

Das Schwarze Loch Cygnus X-1

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.

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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
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.

Einsteins krumme Raumzeit

Im Jahr 1915 revolutionierte Albert Einstein die Physik mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Demnach krümmen und verbiegen schwere Objekte die Raumzeit. Mit Hilfe der Theorie ließen sich einige kleine Abweichungen der Planetenbahnen erklären, ansonsten hatte sie in den nächsten 50 Jahren kaum praktische Auswirkungen.

Exotisches Gedankenspiel

Aber schon einen Monat, nachdem Einstein seine Gleichungen veröffentlicht hatte, fand der Astronom Karl Schwarzschild heraus, dass man unter extremen Annahmen eine verblüffende Lösung dieser Gleichungen Einsteins finden konnte: Konzentriert man eine große Masse auf einen Punkt, dann krümmt sie den Raum so stark, dass innerhalb eines gewissen Radius weder Materie noch Lichtstrahlen sein Schwerefeld verlassen können.

Für die Physiker war das zunächst eine interessante theoretische Spielerei, nicht einmal Einstein glaubte, dass solche hoch konzentrierten Massen im All tatsächlich existieren könnten.

Anfang der Schwarzen Löcher

Im Jahr 1963 fand dann Roy Kerr, ein 29-jährigen Mathematiker aus Neuseeland, der an der University of Texas in Austin (USA) arbeitete, eine weitere Lösung für Einsteins Gleichungen. Seine Erklärung: Es könnte rotierende Schwarze Löcher geben. Ihr tatsächlicher Nachweis ist schwer – eben weil sie schwarz sind, also kein Licht aussenden. Man kann nur ihre Wirkungen auf andere Objekte beobachten. Heute glaubt man, dass im Kern fast jeder Galaxie ein Schwarzes Loch sitzt.

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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Leserkommentare
  1. das größte Hindernis für neue Entdeckungen oder Erfindungen ist ... die Ignoranz der bis dahin tonangebenden Fachleute.

    6 Leserempfehlungen
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    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. ...im Nachhineingesehen, war es ja klar, dass ein schwarzes Loch mehrere Kennzahlen besitzen muss, außer seiner Masse (Energie). 4 allergrundlegenste Erhaltungssätze bestimmen ja die Physik. Energie, Impuls, Drehimpuls, sowie die elektrische Ladung. Und von denen kann wirklich nichts "verschwinden". Also muss es ja eine Beschreibung eines "rotierenden" schwarzen Loches geben, welche Herr Kerr meisterlich geschaffen hat. Und dann gibt es noch die elektrisch geladenen, rotierend oder nicht. Auf jeden Fall ist ein Schwarzes Loch durch diese 4 Kennzahlen makroskopisch vollständig bestimmt, wenn man jetzt von der möglichen Entropie (Hawking) noch absieht, allerdings ist dies dann die wirklich spannende Frage: Wenn es die makroskopische Zustandsgröße "Entropie" gibt, was sind dann die entsprechenden Mikrozustände???

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    • IPJ
    • 06. Juli 2013 14:30 Uhr

    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

  3. In Anbetracht dessen, dass Mathematik im Grunde nur eine Sprache zur Beschreibung der Natur bzw. Realität ist, ist es alles andere als selbstverständlich, dass eine mathematische Lösung auch in der Realität existiert.

    Ich bin verblüfft, wie oft die theoretischen Physiker mit ihren aus der Mathematik resultierenden Vorhersagen ins Schwarze treffen. Schwarze Löcher sind ein Beispiel, die Vorhersage der sechs Quarks ein anderes.

    Kannte der liebe Gott dieselbe Mathematik? Wie auch immer - faszinierend!

    8 Leserempfehlungen
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    Da kann ich Ihnen nur zustimmen.

    Dass die Mathematik zur Beschreibung naturwissenschaftlicher Vorgänge geeignet ist, verwundert nicht. Dass aber ganze Bereiche der Mathematik, die fernab jeglicher "physikalischer" Bezüge entwickelt wurden, zu einem späteren Zeitpunkt die Realität exakt wiedergeben (und Vorhersagen erlauben), setzt mich immer wieder in freudiges Erstaunen. :)
    Ein Beispiel ist die Gruppentheorie und ihre Anwendung in der Teilchenphysik / Standardmodel.

    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...

  4. Es sei erwähnt, dass die Lösung von Kerr nicht nur für schwarze Löcher gilt, sondern allgemein die Raumzeit in der Umgebung rotierender Körper beschreibt. Allerdings gibt es da noch ein offenes Problem: Man hat bisher keine anerkannte Lösung für die Raumzeit im Inneren eines rotierenden Körpers gefunden:

    http://en.wikipedia.org/w...

    Für die Nachfolger Kerrs gibt es also noch einiges zu tun.

    3 Leserempfehlungen
  5. "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 großer Masse, die sogar Lichtstrahlen gefangen hielten."

    Der Satz impliziert, dass Schwarze Löcher eine unendlich große Masse besitzen, was nicht korrekt ist.

    MfG

    Satonka

    4 Leserempfehlungen
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    Redaktion

    Lieber Leser, vielen Dank. Sie haben Recht - wir haben die Stelle jetzt umformuliert. So ist es genauer.

  6. Da kann ich Ihnen nur zustimmen.

    Dass die Mathematik zur Beschreibung naturwissenschaftlicher Vorgänge geeignet ist, verwundert nicht. Dass aber ganze Bereiche der Mathematik, die fernab jeglicher "physikalischer" Bezüge entwickelt wurden, zu einem späteren Zeitpunkt die Realität exakt wiedergeben (und Vorhersagen erlauben), setzt mich immer wieder in freudiges Erstaunen. :)
    Ein Beispiel ist die Gruppentheorie und ihre Anwendung in der Teilchenphysik / Standardmodel.

    4 Leserempfehlungen
    Antwort auf "Mathematik und Natur"
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    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...

    • IPJ
    • 06. Juli 2013 15:23 Uhr

    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

  7. Ein Filmvorschlag zum Thema.
    Nassim Haramein nähert sich der Beschaffenheit des Vakuum mittels der geometrischen Methode.

    Der Trailer zum Film:
    http://www.youtube.com/wa...

    An alle die nie auslernen wollen ... viel Vergnügen

  8. "Objekte mit unendlich großer Masse, die sogar Lichtstrahlen gefangen hielten. Konnten Sie sich damals vorstellen, dass es tatsächlich Himmelskörper mit diesen Eigenschaften geben könnte?"

    Ich hoffe das wurde nicht wirklich so gefragt? Wenn ein Objekt unendlich große Masse hätte, dann hätte es mehr Energie in sich gespeicher als das Universum insgesamt enthält. Das wäre gelinde gesagt Schwachsinn.

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    • 2b
    • 06. Juli 2013 20:32 Uhr

    eine Frage des Bezugsystems und unserer Wahrnehmung???

    ... also wenn die Ausgangshypothese "theorethisch maximale Masseansammlung mit Gravitationswirkung" wäre _ für unendliche Materieansammlung bräuchten Wir ein erweitertes Grenzverständnis???
    Welche Mächtigkeit hat die Menge der schwarzen Löcher???

    ... oder eine klärende Definiton für Unendlich (in diesem Zusammenhang?)

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  • Quelle ZEIT ONLINE
  • Schlagworte Energie | Materie | Mathematik | Physik | Stern | Potsdam
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