Historischer Überblick - Physik

Seminararbeit
Seminar: Gekrümmter Raum und gedehnte Zeit
Historischer Überblick zur Erforschung Schwarzer Löcher
Institut für Physik
Wintersemester 2015/2016
Universität Regensburg
Vorgelegt von:
Matrikelnummer:
E-Mail:
Paul M. E. Unger
1691694
[email protected]
Eingereicht bei:
Abgabetermin:
Prof. Dr. Wolfgang Gebhardt
15.10.2015
Inhaltsverzeichnis
1.
Die ersten Überlegungen im 18. Jhdt…………………………………………………….. 2
2.
Die Jagd nach der Feldgleichung und deren Lösung im frühen 20. Jhdt…. 3
3.
Die Untersuchung des Sternentodes ab dem Jahr 1930…………………..……. 5
4.
Erste Sichtungen Schwarzer Löcher von 1940 bis 1943…………………………. 8
5.
Ohne Schwarze Löcher geht’s nicht – Wheeler mitte des 20. Jhdts.………. 8
6.
Weitere Sichtungen extrem massereicher Objekte im Jahr 1962……….……9
7.
Die Beschreibung Schwarzer Löcher schreitet weiter ins 21. Jhdt. Fort…10
Anhang………………………………………………………………………………………………….……… 14
1
1 Die ersten Überlegungen im 18. Jhdt.
Bei der Thematik der Erforschung Schwarzer Löcher denkt man heutzutage sofort an Namen
wie Albert Einstein, John Wheeler, Stephen Hawkings und Roger Penrose. Doch die Reihe der
Wissenschaftler, die einen wichtigen Beitrag zur Erforschung Schwarzer Löcher beitrugen, ist
wesentlich länger und beginnt bereits Ende des 18ten Jahrhunderts.
Die ersten schriftlichen Überlegungen zu Objekten, deren Masse so groß ist, dass man eine
Fluchtgeschwindigkeit höher als die Lichtgeschwindigkeit benötigt, um ihrem
gravimetrischen Potential zu entkommen, lassen sich auf John Mitchell zurückführen. Er
wurde (vermutlich) 1724 in Nottingham geboren,1 studierte an der Universität Queens in
Cambridge, an welcher er später auch lehrte, und wurde schließlich Pfarrer in Thornhill. Er
befasste sich weiterhin stark mit naturwissenschaftlichen Themen wie Magnetismus und
Gravitation, sagte voraus, dass sich Erdbeben wellenartig ausbreiten, und befasste sich auch
mit Astronomie.2 1783 beschrieb er in einem Brief an Henry Cavendish folgende Überlegung:
„ […] if the semi-diameter of a sphere of the same density with the sun were to exceed the
sun in the proportion of 500 to 1, a body falling from an infinite height to it, would have
aquired at its surface a greater velocity than that of light, and consequently, supposing light
to be attracted by the same force in proportion to its vis inertiae, with other bodies, all light
emitted from such a body would be made to return towards it, by its own proper gravity.“3
Dies wird heute als erste schriftlich festgehaltene Überlegung zu Schwarzen Löchern
angesehen.
Einige Jahre danach kam Pierre-Simon Laplace, geboren am 28. März 1749 in Beaumont-enAuge in der Normandie und uns heute bekannt für seine Arbeiten in der
Wahrscheinlichkeitstheorie und mit Differentialgleichungen, zu ähnlichen Überlegungen.
Laplace begann 1769 auf Empfehlung von Jean-Baptiste le Rond d’Alembert in Paris zu
studieren, wurde 1773 mit 24 Jahren an der Académie française aufgenommen und 1785
ordentliches Mitglied der Académie des sciences. 1796 veröffentlichte er in seinem Buch
„Exposition du Système du Monde“ folgende Theorie. 4 Er betrachtete einen Stern, der die
1 Sir Archibald Geikie, „Memoir of John Michell, M.A., B.D., F.R.S., fellow of Queens' college, Cambridge, 1749,
Woodwardian professor of geology in the university 1762“, 1918, S.3, Veröffentlicht von: Cambridge, University press, URL:
https://archive.org/details/memoirofjohnmich00geikrich, Stand: 28.09.2015.
2 Alan Chodos, „1783: John Michell anticipates black holes“, 2009, Veröffentlicht von: American Physical Society NEWS, URL:
http://www.aps.org/publications/apsnews/200911/physicshistory.cfm, Stand: 28.09.2015.
3 John Michell, „On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars, in Consequence of the
Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them, and Such
Other Data Should be Procured from Observations, as Would be Farther Necessary for That Purpose. By the Rev. John
Michell, B. D. F. R. S. In a Letter to Henry Cavendish, Esq. F. R. S. and A. S.“, Philosophical Transactions of the Royal Society of
London, Vol. 74 (1784), S.42, Veröffentlicht von: The Royal Society, URL: http://www.jstor.org/stable/106576, (Stand:
28.09.2015.
4 Eintrag zu Pierre Simon Laplace (1749 - 1837), Marquis de Laplace im Archiv der Royal Society, URL:
https://collections.royalsociety.org/Dserve.exe?dsqIni=Dserve.ini&dsqApp=Archive&dsqDb=Persons&dsqSearch=Code==
%27NA5191%27&dsqCmd=Show.tcl, Stand: 28.09.2015.
2
gleiche Dichte wie die Erde aufweisen sollte, jedoch mit einem 250mal größeren
Durchmesser. Er folgerte, dass die Gravitation eines solchen Objektes nach Newton so groß
wäre, dass keine „Lichtpartikelchen“, wie sie damals im newtonschen Sinne betrachtet
wurden, mehr dessen Oberfläche entfliehen könnten und dieses Objekt folglich nicht
sichtbar zu erkennen wäre:
„Un astre lumineux du même densitè que la terre et dont diamètre serais deux cents
cinquante plus grand que celui du soleil, ne laisserait, en vertu de son attraction, parvenir
aucune de ses rayons jusqu’a nous; il est donc possible que le plus grands corps lumineux de
l’univers soient, par cela même, invisibles.“5
Durch Laplaces Beschreibung wurde zu dieser Zeit der Begriff „Schwarze Sterne“ für die
heute als „Schwarze Löcher“6 bekannten Objekte geprägt. Das Interesse an der näheren
Untersuchung Schwarzer Sterne schwand jedoch zunehmend im 19ten Jahrhundert. Der
Grund hierfür war, dass die Wellentheorie durch Augustin Jean Fresnel immer mehr
Anerkennung fand, während die Theorien von Laplace und Michell noch auf der von Newton
geprägten Teilchenvorstellung des Lichtes basierten.
2 Die Jagd nach der Feldgleichung und deren Lösung im frühen 20. Jhdt.
Erst mit Albert Einstein, geboren am 14. März 1879 in Ulm, gewann die Erforschung
Schwarzer Sterne wieder Aufwind. Einstein begann 1896 am Polytechnikum in Zürich ein
Studium zum Fachlehrer für Mathematik und Physik, welches er 1900 mit Diplom abschloss.
1905, im Alter von 26 Jahren, reichte er seine Ergebnisse zur Untersuchung des
Photoelektrischen Effekts und seine Abhandlung „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ bei
den „Annalen der Physik“, einer physikalischen Fachzeitschrift, ein. Letztere Abhandlung
enthält zusammen mit dem von Einstein hinzugefügten Nachtrag „Ist die Trägheit eines
Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?“ die berühmte Formel zur Äquivalenz von
Masse und Energie und wird heute als „spezielle Relativitätstheorie“ bezeichnet. 7 Durch die
Einführung von Raum-Zeit-Koordinaten und die Prämisse, dass Licht sich in allen
Bezugssystemen mit der selben Geschwindigkeit ausbreitet, Längen- und Zeitmaß jedoch
abhängig vom Bezugssystem des Beobachters sind, gelang ihm die Verknüpfung
mechanischer und elektrodynamischer Gesetze.
Nach seiner Habilitation 1907 und seiner Aufnahme in die „Preußische Akademie der
Wissenschaft“ 1913 fand Einstein die Zeit, sich intensiver mit den Folgen seiner Theorien für
die Gravitation, die er selbst unter dem Begriff „Gravitationsproblem“ zusammenfasste,
5 Pierre-Simon Laplace, „Exposition du Système du Monde“, 1808, Veröffentlicht von: Oxford University, URL:
https://archive.org/details/expositiondusys02laplgoog, Stand: 28.09.2015.
6 Der Begriff „Schwarze Löcher“ lässt sich auf John Wheeler zurückführen, der diesen bei einem öffentlichen Vortrag 1967
erstmals verwendete (siehe Seite 9).
7 Walther Lutz / Albrecht Kai-Britt, „Albert Einstein“, Veröffentlicht von: Lebendiges Museum Online / Deutsches
Historisches Museum, URL: https://www.dhm.de/lemo/biografie/albert-einstein, Stand: 28.09.2015.
3
auseinander zu setzten. Am 25. November 1915 veröffentlichte er seine Gravitationstheorie
vor der Preußischen Akademie. An dieser Stelle sei David Hilbert kurz erwähnt. Hilbert,
geboren am 23. Januar 1862 in Königsberg, studierte an der Albertus-Universität in
Heidelberg, an der er 1886 auch habilitierte. Er stellte 5 Tage vor Einstein, am 20. November
1915, der Göttinger Akademie der Wissenschaft ebenfalls eine richtige Lösung für das
Gravitationsproblem vor. Hilbert hat jedoch Einsteins Priorität nie öffentlich angefochten und
seine Arbeit ging als elegante Ableitung der heute bekannten Einsteinschen Gleichungen in
die Literatur ein.8
Durch die Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie ergaben sich gänzlich neue
Möglichkeiten zur Untersuchung Schwarzer Sterne. Karl Schwarzschild, am 09. Oktober 1873
in Frankfurt am Main geboren, reichte 19169 eine erste exakte Lösung der Einsteinschen
Feldgleichungen außerhalb kugel-symmetrischer Massen ein. Er studierte an der Universität
Straßburg Astronomie und promovierte 1896 an der Ludwig-Maximilians Universität in
München, an der er schließlich 1899 habilitierte. Er befasste sich trotz seines Einsatzes in
Belgien und Russland während des Ersten Weltkrieges weiterhin mit wissenschaftlichen
Problemen, unter anderem mit der Gravitationstheorie. Mit seiner Lösung ließen sich
statische, nicht-rotierende, ungeladene Schwarze Löcher erstmals genauer beschreiben.
1916 wurde er auf Grund einer Autoimmunerkrankung vom Kriegsdienst befreit und starb
am 11.05.1916 an den Folgen dieser Erkrankung.10
Eine weitere Lösung für die Feldgleichung wurde noch im selben Jahr von Hans Jacob
Reissner veröffentlicht. Reissner wurde am 18. Januar 1874 in Berlin geboren, studierte an
der Technischen Hochschule Charlottenburg Maschinenbau und promovierte 1902 an der
Technischen Hochschule Berlin. An dieser besuchte er zudem Seminare in theoretischer
Physik und Mathematik bei Max Planck. Er arbeitete Zeit seines Lebens hauptsächlich im
Bereich der Aeronautik und konstruierte 1912 das erste, flugtaugliche Ganzmetallflugzeug.
Er beschäftigte sich jedoch auch weiterhin mit der theoretischen Physik und veröffentlichte
1916 eine Abhandlung „Über die Eigengravität des elektrischen Feldes nach der
Einsteinschen Theorie“, in der er eine Lösung der Feldgleichung für elektrische
Punktladungen fand.11
Gunnar Nordström, geboren am 12. März 1881 in Helsinki, erweiterte 1918 Reissners Lösung
auf geladene, nichtrotierende, kugel-symmetrische Körper. Nordström promovierte 1908 an
8 Wolfgang Gebhardt, „Wie schwarz sind schwarze Löcher. Eine Einführung in die Physik und Astronomie schwarzer Löcher“,
Vorlesungsskript, Wintersemester 2000/2001, S.10.
9 Einige Quellen geben auch 1915 als Veröffentlichungsdatum dieser Lösung an. Siehe: Christine Geisler, „Karl
Schwarzschild - Leben und Werk“, 1998, Veröffentlicht von: Die AVG Internet-Redaktion, URL:
http://www.avgoe.de/Nachtschicht/1997/rb1s04.html, Stand: 01.10.2015.
10 Horst Kant, "Schwarzschild, Karl", 2010, Veröffentlicht von: Neue Deutsche Biographie 24, S. 33f. [Onlinefassung], URL:
http://www.deutsche-biographie.de/pnd119051524.html, Stand: 01.10.2015.
11 Irmtraud Eve Burianek, „Reißner, Hans Jacob“, 2003, Veröffentlicht von: Neue Deutsche Biographie 21, S. 396f.,
[Onlinefassung], URL: http://www.deutsche-biographie.de/pnd116431873.html, Stand: 02.10.2015.
4
der Universität Helsinki und habilitierte 10 Jahre darauf an der Technischen Universität
Helsinki. Er beschäftigte sich seit Einsteins Veröffentlichung der Speziellen Relativitätstheorie
eingehend mit dem Gravitationsproblem und versuchte dieses mit der Elektrodynamik nach
Minkowski zu lösen. Seine Theorien hierzu wurden 1912 in der Physikalischen Zeitschrift
veröffentlicht.12 Die Metrik nichtrotierender Ladungsverteilungen wird heute ReissnerNordtröm-Metrik genannt.
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie wurde im Jahr 1919 von Sir Arthur Stanley
Eddington experimentell überprüft. Eddington, geboren am 28. Dezember 1882 in Kendal,
war einer der ersten Physiker, die die Bedeutung und Folgen von Einsteins Theorien
erkannten. Auf einem Treffen der British Association for the Advancement of Science 1916
hielt er einen Vortrag über die Gravitationstheorie und schrieb eines der frühesten
Lehrbücher, Mathematical Theory of Relativity, darüber, wodurch Einsteins Überlegungen
auch im englischsprachigen Raum publik wurden. Doch durch die von ihm zusammen mit
Frank Dyson durchgeführte Sonnenfinsternis-Expedition auf die Vulkaninsel Príncipe im Golf
von Guinea in Westafrika verhalf er der Relativitätstheorie zu weltweiter Bekanntheit. 13 Dort
konnten Eddington und Dyson die durch die Gravitationstheorie vorhergesagte Ablenkung
des Lichtes mithilfe der dort totalen Sonnenfinsternis experimentell nachweisen.14
3 Untersuchung des Sternentodes ab dem Jahr 1930
Nachdem die ersten Lösungen der Einsteinschen Feldgleichung die Existenz Schwarzer
Löcher, bzw. Schwarzer Sterne, wie sie damals genannt wurden, in der Theorie in Aussicht
stellten, wurde nach einer möglichen Ursache für deren Entstehung geforscht. Es ist
naheliegend, diese im „Lebenszyklus“ der bis dahin massereichsten bekannten Objekten, den
Sternen, zu suchen. Zudem ist Einsteins Gravitationstheorie unabdingbar bei der näheren
Untersuchung von Objekten großer Masse. Chandrasekhar, Wilhelm Anderson und Stoner
befassten sich 1930 unabhängig voneinander mit der Erarbeitung der Dichte- und
Massenobergrenze eines Weißen Zwerges, die heute Chandrasekhar-Grenze genannt wird.
Subrahmanyan Chandrasekhar, geboren am 19. Oktober 1910 in Lahore, begann sein PhysikStudium an der Universität in Madras und setzte mittels eines Stipendiums seine Studien
1930 am Trinity College in Cambridge fort. Auf eben dieser Seefahrt von Indien nach
Cambridge berechnete er, dass Weiße Zwerge eine Grenzmasse besitzen müssen.
Chandrasekhar begann bereits zu dieser Zeit zu überlegen, was mit Sternen, die oberhalb der
von ihm berechneten Massengrenze liegen, nach dem Aussetzten der Kernfusion geschehen
würde:
12 Eva Isaksson, „Gunnar Nordström – On Gravitation and Relativity“, 1985, Veröffentlicht von: Univerity of Helsinki, URL:
http://www.helsinki.fi/~eisaksso/nordstrom/nordstrom.html , Stand: 02.10.2015.
13 J J O'Connor / E F Robertson, „Arthur Stanley Eddington“, 2003, Veröffentlicht von: University of St Andrews, Scotland,
URL: http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Eddington.html, Stand: 12.10.2015.
14 F. W. Dyson / A. S. Eddington / C. Davidson, „A Determination of the Deflection of Light by the Sun's Gravitational Field,
from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919.“, 1920, Veröffentlicht von: Philos. Trans. Royal Soc. London.
220A, S.291–333.
5
„[…] one is left speculating on other possibilities […].“15
In Cambridge baute er 1935 seine Theorien unter Berücksichtigung der Gravitationstheorie
weiter aus. Der damals berühmte und anerkannte Astrowissenschaftler Arthur Eddington
kritisierte Chandrasekhars Arbeit scharf, sowohl auf wissenschaftlicher als auch auf
persönlicher Ebene, da Chandrasekhars Theorien zu relativistischer Entartung im
Widerspruch zu seinen eigenen Bemühungen standen:
„[…] almost a reductio ad absurdum of the relativistic degeneracy formula. […] there is no
such thing as relativistic degeneracy!“16
Unabhängig von Chandrasekhar veröffentlichte 1930 Edmund Clifton Stoner, geboren am 02.
Oktober 1899 in Surrey, ebenfalls eine Berechnung der Massengrenze weißer Zwerge. 17
Stoner studierte in Cambridge und promovierte 1924 an der University of Leeds, an der er
sich eingehend mit der Astrophysik beschäftigte und seine Berechnungen zu Massengrenzen
weißer Zwerge begann. Ab 1938 widmete er sich wieder seinem Hauptforschungsgebiet,
dem Magnetismus, und erforschte bedeutende Aspekte des Ferromagnetismus. 18 Wilhelm
Anderson, am 28. Oktober 1880 in Minsk geboren, bestimmte 1929 in einer seiner Arbeiten,
die er in Tartu verfasste, ebenfalls die Grenzmasse weißer Zwerge. Dies baute er 1934 zu
seiner Habilitationsarbeit „Existiert eine obere Grenze für die Dichte der Materie und
Energie?“19 aus. Anderson wurde 1939 unter dem Regime des Nationalsozialismus aufgrund
eines „nervösen Leidens“ in eine Heil- und Pflegeanstalt nach Deutschland umgesiedelt, in
der er wenige Monate darauf 1940 verstarb.20
Nach der Entdeckung des Neutrons 1932 durch Sir James Chadwick ergab sich eine neue
Möglichkeit für den Massen- und Dichtezustand im Leben eines Sternes: Der
Neutronenstern. Nachdem von Walter Baade und Fritz Zwicky 1933 die Existenz solcher
Neutronensterne als mögliches Endprodukt der Sternenentwicklung vorausgesagt wurde,
befassten sich George Michael Volkoff und Robert Oppenheimer mit einer genauen
Beschreibung dieser Objekte.
Julius Robert Oppenheimer wurde am 22. April 1904 in New York geboren, begann 1922 an
der Havard-University zu studieren und absolvierte den Master of Science 1925 „summa cum
15 J J O'Connor / E F Robertson, „Subrahmanyan Chandrasekhar“, 2005, Veröffentlicht von: University of St Andrews,
Scotland, URL: http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Chandrasekhar.html, Stand: 02.10.2015.
16 Ebd.
17 Edmund Stoner, „The limiting density of white dwarf stars.“, 1929, Veröffentlicht von: Philosophical Magazine, Band 7, S.
63–70.
18 G.J. Morgan, „Edmund Clifton Stoner (1899-1968)“, 1999, Veröffentlicht von : University of Leeds, URL:
http://www.stoner.leeds.ac.uk/about/stoner, Stand: 02.10.2015.
19 Wilhelm Anderson, „Über die Grenzdichte der Materie und der Energie.“, 1929, Veröffentlicht von: Zeitschrift für Physik
56, S.851–856.
20 Gebhardt, 2000/2001, S.6.
6
laude“ in Chemie und Physik. Anschließend arbeitete er im Cavendish Laboratory in
Camebridge unter der Leitung von Ernest Rutherford, bekannt für die Entwicklung des
Rutherford-Atommodelles. Dort wurden Oppenheimer vorwiegend experimentelle Arbeiten
zugeteilt, an denen er jedoch wenig Gefallen fand. Nach einer persönlichen Krise, die so
schwerwiegend war, dass Oppenheimer sich in psychologische Betreuung begab, wandte er
sich der theoretischen Physik zu. Durch die Veröffentlichung mehrerer Arbeiten über
quantenmechanische Untersuchungen zur Atomstruktur 1926 wurde Max Born auf
Oppenheimer aufmerksam. Born ermöglichte Oppenheimer einen Platz als Doktorand an der
Universität in Göttingen, wodurch er auf viele Größen der Atomphysik traf, wie Werner
Heisenberg, Pascual Jordan, Niels Bohr, Wolfgang Pauli, Enrico Fermi, Paul Dirac und Edward
Teller. 1927 promovierte er „mit Auszeichnung“ über die theoretische Untersuchung von
Spektren. Nachdem Oppenheimers Vater starb, hinterließ dieser ihm ein beträchtliches Erbe,
mit welchem Oppenheimer in Kalifornien eine Schule theoretischer Physiker aufbauen
konnte. 1939 veröffentlichte er Arbeiten zur Astrophysik, genauer einer Beschreibung von
Neutronensternen. Zusammen mit George Michell Volkoff bestimmte er unter
Berücksichtigung der allgemeinen Relativitätstheorie und auf Basis der Arbeiten von Richard
Tolman die Grenzmasse für stabile Neutronensterne, die heute als „Tolman-OppenheimerVolkoff- Grenze“ bekannt ist.21 Zusammen mit seinem Doktoranden Hartland Sweet Snyder
zeigte er, dass es bei Sternen oberhalb dieser Grenzmasse bei deren „Erlöschen“ zu einem
Gravitationskollaps kommen muss, aus welchem sich unweigerlich ein Schwarzes Loch bilden
muss.22
Noch im selben Jahr veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit zu diesem Thema, in der er
Oppenheimer und Snyders Ergebnisse stark kritisierte und zu dem Schluss kam, dass
Schwarze Löcher im Universum nicht existieren können.
„ […] The essential result of this investigation is a clear understanding as to why the
'Schwarzschild singularities' do not exist in physical reality.“23
Er stützt seine Behauptungen mit folgender Begründung:
„ […] The 'Schwarzschild singularity' does not appear for the reason that matter cannot be
concentrated arbitrarily. And this is due to the fact that otherwise the contituting particles
would reach the velocity of light.“24
Hieran lässt sich wieder deutlich erkennen, wie umstritten die Existenz Schwarzer Löcher in
deren Erforschungsgeschichte war. Die theoretischen Grundlagen solcher Objekte waren
21 Robert Oppenheimer / Michael Volkoff, „On massive neutron cores“, 1939, Veröffentlicht von: Physical Review, Ausgabe
55.
22 Robert Oppenheimer / Hartland Snyder, „On continued gravitational contraction.“, 1939, Veröffentlicht von: Physical
Review, Ausgabe 56.
23 Albert Einstein, „On a Stationary System With Spherical Symmetry Consisting of Many Gravitating Masses“, 1939, S.936.
24 Ebd.
7
gezeigt. Nun galt es, daraus Erkennungsmerkmale für die Suche im Kosmos nach Schwarzen
Löchern abzuleiten und Instrumente zur Erkennung eben dieser Merkmale zu konstruieren.
4 Erste Sichtungen Schwarzer Löcher von 1940 bis 1943
Die wohl als Erstes gesichteten Schwarzen Löcher stellen die sogenannten Syfert Galaxien
dar. Carl Keenan Seyfert, geboren am 11. Februar 1911 in Cleveland, untersuchte
Emissionsspektren entfernter Spiralgalaxien, über welche er 1936 auch seine
Dissertationsarbeit „Studies of the External Galaxies“ schrieb. Von 1940 bis 1943 erforschte
er am Mount-Wilson-Observatorium Spiralgalaxien und untersuchte über deren
Spektrallienien ihre nukleare Emission. 1943 veröffentlichte er seine Ergebnisse in seiner
Arbeit über „Nuclear emission in Spiral nebulae“.25 Galaxien diesen Types werden heute noch
als Seyfert-Galaxien bezeichnet und man führt deren hell leuchtende Energiequelle heute auf
Materieströmungen, die von einem Schwarzes Loch im Zentrum dieser Galaxien verursacht
werden, zurück. Seyfert hat damit die ersten genaueren Beobachtungen an Schwarzen
Löchern durchgeführt.
5 Ohne Schwarze Löcher geht’s nicht – Wheeler mitte des 20. Jhdts.
John Archibald Wheeler, geboren am 09. Juli 1911 in Jacksnoville, studierte an der Johns
Hopkins University, an der er 1933 bei Karl Ferdinand Herzfeld promovierte. Er habilitierte
1938 an der Princton University, lehrte dort theoretische Physik und beschäftigte sich
intensiv mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Dass er unter anderem auch für seine
StudentenInnen im ersten Semester Besuche bei Albert Einstein am nahegelegenen Institute
for Advanced Study organisierte, spiegelt wider, wie wichtig ihm die Lehre war.
„If you would learn, teach!“26
Wheeler versuchte in den 1950er und 1960er Jahren mit der von ihm entwickelten
Quantengeometrodynamik Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie weiter zu entwickeln.
„ […] relativity is too important to leave to the mathematicians.“27
Er versuchte nicht nur die Gravitation, sondern auch andere Wechselwirkungen wie den
Elektromagnetismus mithilfe von „Geonen“ in der Geometrie gekrümmter Raum-Zeit zu
beschreiben. Dadurch wollte er vor allem die von Schwarzschild, Reissner und Nordström
25 Frommert Hartmut / Christine Kronberg, „Carl Keenan Seyfert“, Veröffentlicht von: unbekannt, URL:
http://messier.seds.org/xtra/Bios/seyfert.html, Stand: 05.10.215.
26 Charles W. Misner / Kip S. Thorne / Wojciech H. Zurek, „John Wheeler, relativity, and quantum information“, 2009,
Veröffentlicht von: Physics Today, [Onlineversion], URL:
http://authors.library.caltech.edu/15184/1/Misner2009p1638Phys_Today.pdf, Stand: 05.10.2015.
27 Ebd.
8
verwendete Beschreibung von Gravitations-Singularitäten umgehen, was ihm jedoch nicht
gelang.28 Er war zu dieser Zeit noch ein starker Gegner der Theorie Schwarzer Löcher, was
sich aber bald ändern sollte.
1957 untersuchte Wheeler zusammen mit B. K. Harrison, Kip Thorne und Masami Wakano
überdichte, „kalte“ Materie. Sie zeigten, dass es außer Weißen Zwergen und
Neutronensternen keinen stabilen Zustand für Sterne nach dem Aussetzten der Kernfusion
gibt. Ihre Untersuchungen untermauerten die von Oppenheimer und Snyder beschriebene
Theorie des Gravitationskollaps und die damit verbundene Entstehung Schwarzer Löcher.
1959 äußerte Wheeler die Vermutung, dass die Raum-Zeit-Singularität im Zentrum eines
schwarzen Lochs den Gesetzen der Quantengravitation unterliegt, und wird einer der
eifrigsten Verfechter des Konzepts der Schwarzen Löcher.29
Zur bekanntesten Errungenschaft Wheelers wurde die Bezeichnung "Schwarzes Loch". Bei
einem Vortrag im Herbst 1967 fragte er ins Publikum, ob jemand eine bessere Bezeichnung
für ein "gravitativ vollständig kollabiertes Objekt" wisse. "Wie wäre es mit Schwarzes Loch?",
fragte eine bis heute unbekannte Person aus dem Publikum, und Wheeler verwendete von
nun an diesen Terminus.30
6 Weitere Sichtungen extrem massereicher Objekte im Jahr 1962
Riccardo Giacconi, geboren am 06. Oktober 1931 in Genua, promovierte 1954 an der
Universität von Mailand, arbeitete dort als Assistenzprofessor für Physik und wechselte in
den 1960ern auf die Universität von Indiana und nach Princeton. Die Arbeiten von Giacconi
waren bis 1959 von Fehlschlägen geprägt, so dass er bei AS&E (American Science &
Engeneering Inc.), einer von Bruno Rossi gegründeten Firma zur Forschung und Entwicklung,
einen neuen Anlauf nahm. Er selbst bezeichnete die ersten Jahre bei AS&E als die
produktivsten seines Lebens, er war von 1959 bis 1962 an der Entwicklung der Nutzlast von
23 Forschungsraketen, 6 Satellitenmissionen und einer Flugzeugmission sowie an der
Entwicklung eines kompletten Satelliten beteiligt. 1962 starteten Riccardo Giacconi und
Bruno Rossi zusammen mit ihrem Team eine Aerobee-Höhenforschungsrakete, die mit einem
Röntgendetektor versehen war, um Röntgenaufnahmen des Mondes anzufertigen. Diese
konnten aufgrund der für die damaligen Instrumente zu schwachen Signale nicht
aufgenommen werden, jedoch wurde ein helles Objekt im Sternbild Skorpion von den
Messgeräten aufgezeichnet, der heute als Neutronenstern klassifizierten Stern Scorpius X-1.
Damit entdeckten sie die erste Röntgenquelle außerhalb des Sonnensystems, die nach der
Sonne die hellste Röntgenquelle am Erdhimmel ist. Was als Fehlschlag endete wurde zum
Grundstein einer der wichtigesten Messtechnicken und Forschungsgebiete der Astronomie,
28 Misner / Thorne / Zurek, 2009.
29 Gebhardt, 2000/2001, S.6.
30 Ebd.
9
der Röntgen- und Gammastrahlen-Astronomie. Für diese Entdeckung und seine Leistungen
um die Röntgenastronomie erhielt Giacconi im Jahr 2002 den Nobelpreis. 31
Maarten Schmidt, geboren am 28. Dezember 1929 in Groningen, entdeckte 1963 am
California Institute of Technology kosmische Radioquellen, die er nicht zu den Radiogalaxien
zuordnen konnte, da sie in der Beobachtung als „sternförmig“ erscheinen, und nicht flächig,
wie die bereits bekannten Spiralgalaxien. Genauer stellte Maarten Schmidt fest, dass die
Radioquelle 3C 273, die unter einer Rotverschiebung auftaucht, kein naher Stern sein kann,
sondern im Bereich ferner Galaxien liegen muss, also nur quasisternartig ist. In späteren
Himmelsdurchmusterungen entdeckte er weitere Exemplare, die fortan Quasare genannt
wurden.32 Wie wir heute wissen, sind Quasare sehr massereiche Schwarze Löcher in
Galaxiezentren und erschienen deshalb sternförmig, da die Galaxie selbst aufgrund der
großen Entfernung gegenüber den Emissionen des Quasars im Zentrum nur sehr schwach zu
erkennen sind.
Die Astrophysiker Fred Hoyle und William Fowler erkannten, dass ein Objekt, das aus solch
enormer Entfernung eine so große Leuchtkraft zustande bringt, diese ungeheure Energie nur
aus einem wie von Oppenheimer und Snyder beschriebenen Gravitationskollaps eines sehr
massereichen Objektes beziehen kann.33 Der erste Nachweis für die Existenz Schwarzer
Löcher im Universum war erbracht. Der russische Astronomen Yakov Borisovich Zel’dowich
erkannte zusammen mit Guseynov durch Beobachtungen an Röntgen- und
Gammastrahlenspektren von Doppelsternsystemen, dass als etwaige „unsichtbare“ Partner
solcher Systeme nur Neutronensterne oder Schwarze Löcher in Frage kommen können. 34
Dadurch wurde die Existenz Schwarzer Löcher weiter bekräftigt.
7 Die Beschreibung Schwarzer Löcher schreitet weiter ins 21. Jhdt. fort
Trotz der Entdeckung der Quasare hielten viele Astrophysiker und Mathematiker weiterhin
daran fest, dass Schwarze Löcher zwar als mathematische „Spielereien“, nicht aber in der
Realität existieren könnten. Wie schon Einstein stützten viele ihre Argumentationen darauf,
dass sich die Schwarzschild- und Reissner-Nordström Lösung auf ruhende Punkte beschränkt,
wo sich doch im Universum alles in Bewegung befindet. Mit den Arbeiten des
Neuseeländischen Mathematikers Kerr an der Gravitationstheorie wurde auch dieses
Argument hinfällig.
31 Joe Tenn, „Riccardo Giacconi“, 2014, Veröffentlicht von: Sonoma State University, URL: http://www.physastro.sonoma.edu/brucemedalists/giacconi/index.html, Stand: 05.10.2015.
32 Robert Antonucci, „Kein Verständnis für Quasare“, 2013, Veröffentlicht von: Spektrum der Wissenschaft, URL:
http://www.spektrum.de/news/kein-verstaendnis-fuer-quasare/1187922, Stand: 05.10.2015.
33 Antonucci, 2013.
34 Gebhardt, 2000/2001, S.6.
10
Roy Patrick Kerr, am 16. Mai 1934 in Kurow, Neuseeland, geboren, studierte am Canterbury
University College, an welchem er mit 19 Jahren seinen Abschluss als Master erwarb. 1960
pomovierte er in Havard in Cambridge über die Feldgleichungen der Allgemeinen
Relativitätstheorie, nachdem er zuerst bei Philip Hall, einem bekannten Algebraiker, und
danach bei Abdus Salam, einem Teilchenphysiker, seine Bemühungen zu einer Doktorarbeit
abbrach.35 Er wechselte 1962 als Post-Doktorant an die University of Texas in Austin und
arbeitete weiter an den Feldgleichungen.
„Everybody who tried to solve the problem was going at it from the front, but I was
trying to solve the equation from a different point of view - there were a number of
new mathematical methods coming into relativity at the time and Josh [Goldberg]
and I had had some success with these. I was trying to look at the whole structure – the
Bianchi identities, the Einstein equations and these Tetrads - to see how they fitted together
and it all seemed to be pretty nice and it looked like lots of solutions were going to come out.
[...] I kept working like mad and found the solution in a few weeks.“36
Bereits 1963 konnte er seine revolutionären Ergebnisse, die die Lösung der Feldgleichungen
ohne Näherungen enthielten und ein rotierendes, ungeladenes Schwarzes Loch beschrieben,
in einem zehnminütigen Vortrag auf dem Texas Symposium on Relativistic Astrophysics
präsentieren. Viele der anwesenden Astronphysiker schenkten dem Vortrag jedoch keine
Beachtung, da sie Kerrs Methodik für „esoterische Mathematik“ erachteten. Unter den
Hörern befand sich unter anderem Kip Thorne, der die Situation wie folgt beschrieb:
„The astronomers and astrophysicists had come to Dallas to discuss quasars and they were
not interested in Kerr's esoteric mathematical topic. So, as Kerr got up to speak, many
slipped out ... others, less polite, argued in whispers ... many of the rest catnapped. This was
more than Achilles Papapetrou, one of the world's leading relativists, could stand. As Kerr
finished, Papapetrou demanded the floor, stood up and with deep feeling explained the
importance of Kerr's feat. He, Papapetrou, had been trying for 30 years to find such a
solution to Einstein's equation and had failed, as had other relativists.“37
Bereits zwei Jahre später publizierte er zusammen mit Alfred Schild in einer Arbeit die heute
als Kerr-Schild-Raumzeit bekannte Metrik zur Beschreibung rotierender, geladener schwarzer
Löcher. Der kanadische Physiker Werner Israel, geboren a, 04. Oktober 1931, bewies 1967,
dass mit diesen drei Eigenschaften (Masse, Drehimpuls und elektrische Ladungen) Schwarze
Löcher bereits vollständig bestimmt sind.38 Dieser Eindeutigkeitssatz ist heute unter dem
35 John McCrone, „Bright sparks and black holes“, 2013, Veröffentlicht von: The Press, URL: http://www.stuff.co.nz/thepress/christchurch-life/8372542/Bright-sparks-and-black-holes, Stand: 07.10.2015.
36 J J O'Conner / E F Robertson, „Roy Patrick Kerr“, 2009, Veröffentlicht von: University of St Andrews, Scotland, URL:
http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Kerr_Roy.html, Stand: 07.10.2015.
Zitat aus: M. Head, „Man of mystery“, 2004, Veröffentlicht von: The New Zealand Listener.
37 Ebd.
Zitat aus: Kipp S. Thorne, „Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy“ , 1995, Veröffentlicht von: W W
Norton & Co.
38 Werner Israel, „Eventhorizons in static vacuum space-times“, 1967, Veröffentlicht von: Physical Review. Band 164, S.
1776–1779.
11
Namen „No Hair Theorem“ bekannt, der durch John Wheeler geprägt wurde, als dieser in
Bezug darauf meinte, dass Schwarze Löcher keine Haare hätten. 39 Das No-Hair-Theorem
wurde 1982 von G. Bunting und P. Mazur für geladene und rotierende schwarze Löcher
bewiesen.40
Die Notwendigkeit von Singularitäten in der allgemeinen Relativitätstheorie und die damit
verbundene Existenz Schwarzer Löcher wurde 1970 von Stephen William Hawking
zusammen mit Roger Penrose unter sehr allgemeinen Voraussetzungen gezeigt.
Hawking, geboren am 08. Januar 1942, absolvierte sein Grundstudium in Oxford und
wechselte 1962 zur Trinity Hall nach Cambridge. Dort promovierte er 1966 mit seiner Arbeit
„Properties of Expanding Universes“ in theoretischer Astronomie und Kosmologie. 1970
stellten er und Roger Penrose die sogenannten Singularitäten-Theoreme 41 auf, in welchem
sie aus wenigen globalen Annahmen über Raum-Zeit das Vorhandensein von Singularitäten
in der allgemeinen Relativitätstheorie bewiesen. Hawking arbeitete danach intensiv an einer
quantenmechanischen Interpretation Schwarzer Löscher. Nachdem 1973 der israelisch-USamerikanische Physiker Jacob David Bekenstein, geboren am 01. Mai 1947 in Helsinki,
gezeigt hat, dass die Oberfläche schwarzer Löcher ein Maß ihrer Entropie ist, 42 folgerte
Hawking zu seiner eigenen Überraschung 1975 aus quantenmechanischen Berechnungen,
dass Strahlung aus Schwarzen Löchern hervorgehen kann und diese somit auch an Masse
verlieren können.43 Mit der Bekenstein-Hawking-Entropie Schwarzer Löcher konnte erstmals
erfolgreich ein Zusammenhang zwischen Thermodynamik, Quantenmechanik und
Allgemeiner Relativitätstheorie geknüpft werden.
Zusammen mit dem No-Hair-Theorem folgerte Hawking daraus in der selben Arbeit 1975 das
sogenannte „Informationsparadoxon“, nach welchem anders als bei allen sonstigen durch die
Quantenmechanik oder die Relativitätstheorie beschriebenen Vorgängen es nicht möglich ist,
dass die Entstehung, das Wachstum und die Auflösung eines Schwarzen Loches in umgekehrter Reihenfolge passiert.44 Dies löste eine noch immer anhaltende Debatte unter den Wissenschaftlern aus, zum Beispiel haben Hawking und Kip Thorne mit John Preskill eine Wette abgeschlossen, ob nun, wie Hawking lange behauptete, wirklich neben der Hawking-Strahlung
keine Information aus Schwarzen Löchern mehr gewonnen werden kann oder nicht. Ein weiterer Gegner von Hawkings Theorie zum Informationsparadoxon war zum Beispiel Leonard
39 Misner / Thorne / Zurek, 2009.
40 Gebhardt, 2000/2001, S.6.
41 Stephen Hawking / Roger Penrose, „The singularities of gravitational collapse and cosmology.“, 1970, Veröffentlicht von:
Proceedings of the Royal Society, Bd 314, S. 529–548.
42 J. D. Bekenstein, „Black holes and entropy“, 1973, Veröffentlicht von: Physical Review, Band 7, S. 2333–2346.
43 Stephen Hawking, „Particle Creation by Black Holes“, 1975, Veröffentlicht von: Commun. Math. Phys. 43, S.199-220.
44 Hawking, 1975.
12
Susskind, der über seine Debatten mit Hawking 2003 sogar ein Buch veröffentlichte. 45
Hawking wechselte seinen Standpunkt in Bezug auf das Informationsparadoxon jedoch, wie
er 2004 auf der 17. „General Relativity Konferenz“ in Dublin bekannt gab. Zudem behauptete
er, das Paradoxon gelöst zu haben,46 was jedoch auf weitere Kritik stieß.
Jürgen Ehlers befasste sich zusammen mit Peter Schneider und Emitio Falco in den 1980er
Jahren mit der Grundlagenforschung der Gravitationslinsen, einem Effekt, der bereits 1919
zur Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie beitrug. 47 Sie entwickelten eine vollständige und durchgängige Beschreibung von Gravitationslinsen mit rein allgemein-relativistischen Mitteln. Dadurch ermöglichten sie, dass Galaxien in großer Entfernung und damit sehr
frühe Epochen der Entwicklung des Kosmos beobachtet werden konnten.48
In den 1990er Jahren gelang es Andrea Ghez am Keck-Observatorium auf Hawaii und Reinhard Genzel am La-Silla-Observatorium in Chile unabhängig voneinander durch langjährige
Beobachtung und Messungen der Radialgeschwindigkeit und Eigenbewegung von Sternen
nahe des galaktischen Zentrums der Milchstraße dieses als Schwarzes Loch zu identifizieren.49 Mithilfe von Sagittarius A*, was die genaue Bezeichnung für dieses Schwarze Loch ist,
wird nun versucht, das No-Hair-Theorem experimentell anhand der Präzession der Bahnellipsen zweier eng um Sagittarius A* umlaufender Sterne zu überprüfen. 50 Die Ergebnisse werden mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Diskussion über das Informationsparadoxon neu
aufleben lassen.
Die Diskussion über Schwarzer Löcher ist also noch lange nicht abgeschlossen. Seit dem 18.
Jhdt. versuchen Wissenschaftler, diese besser zu verstehen. Je weiter man sie erforscht, sei
es nun mit Teleskopen oder mathematischen Methoden, desto stärker wundert man sich
über deren Physik selbst. Der bekannte Physiker und Populärwissenschaftler Harald Lesch
formulierte dazu folgendes:
„Schwarze Löcher, meine Damen und Herren, sind das Merkwürdigste, was man sich eigentlich ausdenken kann“51
45 Leonard Susskind, „20 years of debate with Stephen.“, 2003, Veröffentlicht von: Gibbons, Shellard, Rankin: The future of
theoretical physics, Cambridge University Press.
46 Stephen Hawking, „Information loss in black holes“, 2005, Veröffentlicht von: Physical Review. Band 72.
47 Siehe Seite 5.
48 Peter Schneider / Jürgen Ehlers / Emilio Falco, „Gravitational Lenses.“, 1999, Veröffentlicht von: Springer
49 Gebhardt, 2000/2001, S.6f.
50 Will Clifford, „Testing the General Relativistic “No-Hair” Theorems Using the Galactic Center Black Hole Sagittarius A*“,
2008, Veröffentlicht von: Astrophysical Journal Letters. 674, S. L25–L28.
51 Harald Lesch, „Die Physik von Albert Einstein: Das Schwarze Loch“, 2005, Veröffentlicht von: Alpha Centauri
(Fernsehserie).
13
Anhang: Quellenverweise zu den verwendeten Bildmaterialien der Präsentation
Folie 2:
„Pierre-Simon Laplace“ von Sophie Feytaud (fl.1841) - This image appears identical to the cover
image used by Gillispie et al. They cite the portrait as an 1842 posthumous portrait by Madame
Feytaud, courtesy of the Académie des Sciences, Paris.. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia
Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pierre-Simon_Laplace.jpg#/media/File:PierreSimon_Laplace.jpg
Folie3:
„Einstein 1921 portrait2“ von Ferdinand Schmutzer - http://www.bhm.ch/de/news_04a.cfm?
bid=4&jahr=2006. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Einstein_1921_portrait2.jpg#/media/File:Einstein_1921_p
ortrait2.jpg
„Hilbert“. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hilbert.jpg#/media/File:Hilbert.jpg
„Schwarzschild“. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schwarzschild.jpg#/media/File:Schwarzschild.jpg
„Reissner“ von Unbekannt - http://reissner-guben.org/doc/hans_reissner/. Lizenziert unter
Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reissner.jpg#/media/File:Reissner.jpg
„Gunnar Nordström“ von Author is unknown - Eva Isakssons homepage. Lizenziert unter Gemeinfrei
über Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gunnar_Nordstr
%C3%B6m.jpg#/media/File:Gunnar_Nordstr%C3%B6m.jpg
"Arthur Stanley Eddington" by George Grantham Bain Collection (Library of Congress) - This image is
available from the United States Library of Congress's Prints and Photographs division under the
digital ID ggbain.38064.This tag does not indicate the copyright status of the attached work. A normal
copyright tag is still required. See Commons:Licensing for more information Licensed under Public
Domain via Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arthur_Stanley_Eddington.jpg#/media/File:Arthur_Stanley
_Eddington.jpg
„1919 eclipse negative“ von F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson - F. W. Dyson, A. S.
Eddington, and C. Davidson, "A Determination of the Deflection of Light by the Sun's Gravitational
Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919" Philosophical Transactions of the
Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character (1920):
291-333, on 332.. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1919_eclipse_negative.jpg#/media/File:1919_eclipse_nega
tive.jpg
14
Folie 4:
„Chandrasekhar“ von Unbekannt, aus Wolfgang Gebhardt, „Wie schwarz sind schwarze Löcher. Eine
Einführung in die Physik und Astronomie schwarzer Löcher“, Vorlesungsskript, Wintersemester
2000/2001, S.7.
„Stoner“ von Condensed Matter Physics Group – G.J. Morgan – 1999. Lizenziert unter „Copyrights
Leeds 2010“- University of Leeds - http://www.stoner.leeds.ac.uk/about/stoner
„Wilhelm Anderson“ von Eike Anderson - Eigenes Werk. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia
Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wilhelm_Anderson.jpg#/media/File:Wilhelm_Anderson.jpg
"Fritz Zwicky" by Source. Licensed under Fair use via Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/File:Fritz_Zwicky.png#/media/File:Fritz_Zwicky.png
Folie 5:
„George Michael Volkoff“ von Linfoxman - Foxman. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia
Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:George_Michael_Volkoff.jpg#/media/File:George_Michael
_Volkoff.jpg
„Snyder_hartland“ by Kendra Snyder at ScienceBlogs, 2010, URL:
http://scienceblogs.com/brookhaven/2010/06/25/finding-focus-for-the-worlds-a/
„JROppenheimer-LosAlamos“ von Department of Energy, Office of Public Affairs - Taken from a Los
Alamos publication (Los Alamos: Beginning of an era, 1943-1945, Los Alamos Scientific Laboratory,
1986.).. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:JROppenheimerLosAlamos.jpg#/media/File:JROppenheimer-LosAlamos.jpg
„Einstein oppenheimer“ von Image courtesy of US Govt. Defense Threat Reduction Agency http://www.dtra.mil/press_resources/photo_library/CS/CS-1.cfm [dead link]. Lizenziert unter
Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Einstein_oppenheimer.jpg#/media/File:Einstein_oppenhei
mer.jpg
Folie 6:
„Dr Seyfert“ von Dyer Observatory, Vanderbilt University, Website, URL:
https://dyer.vanderbilt.edu/about-us/history/
"Minkowski,Rudolph 1934 London" by GFHund - Own work. Licensed under CC BY 3.0 via Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Minkowski,Rudolph_1934_London.jpg#/media/File:Minko
wski,Rudolph_1934_London.jpg
15
„Baade“ von SAO/NASA Astrophysics Data System (ADS) - Bibcode: 1955PASP...67...57W - Copyright:
Astronomical Society of the Pacific - http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?
bibcode=1955PASP...67...57W&db_key=AST&page_ind=1&data_type=GIF&type=SCREEN_VIEW&class
ic=YES
Folie 7:
„Wheeler“ von Blackstone Shelburn, New York City, 1954, aus: Wolfgang Gebhardt, „Wie schwarz sind
schwarze Löcher. Eine Einführung in die Physik und Astronomie schwarzer Löcher“, Vorlesungsskript,
Wintersemester 2000/2001, S.8.
"Kip S. Thorne, 1972" by A. T. Service - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kip_S._Thorne,_1972.jpg#/media/File:Kip_S._Thorne,_197
2.jpg
Folie 8:
„Riccardo Giacconi“ - von Unbekannt; „Riccardo Giacconi: A High-Energy Visionary Wins Nobel Prize“,
2002, veröffentlicht von: Chandra X-ray Center, Operated for NASA by
the Smithsonian Astrophysical Observatory , URL: http://chandra.harvard.edu/chronicle/0402/nobel/
"Bruno B Rossi" by Massachusetts Institute of Technology - Wikipedia:Contact us/Photo submission.
Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bruno_B_Rossi.jpg#/media/File:Bruno_B_Rossi.jpg
„Aerobee170“ von http://www.wsmr-history.org/ - Aerobee 170 on http://www.wsmr-history.org/.
Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aerobee170.jpg#/media/File:Aerobee170.jpg
Folie9:
„Roy Kerr“ von School of Mathematics and Statistics, University of St Andrews, Scotland, URL:
http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Kerr_Roy.html
„Werner Israel“ von Unbekannt; „Les trous noirs“, URL: http://tpe-trous-noirs.emonsite.com/album/les-inventeurs/
„Stephen Hawking.StarChild“ von NASA - Original. Source (StarChild Learning Center). Directory
listing.. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stephen_Hawking.StarChild.jpg#/media/File:Stephen_Haw
king.StarChild.jpg
„Roger Penrose“ - von Unbekannt, vermutlich von: World of Escher, 1995-2012, URL:
http://www.worldofescher.com/misc/penrose.html
„JacobBekenstein240“ von Lumidek in der Wikipedia auf Englisch - Eigenes Werk des ursprünglichen
Hochladers. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:JacobBekenstein240.JPG#/media/File:JacobBekenstein240.
JPG
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"John Preskill 2" by Randomaccount136631 - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:John_Preskill_2.jpg#/media/File:John_Preskill_2.jpg
Folie 10:
„Juergen Ehlers“ von Unbekannt, veröffentlicht von: Max Planck Campus Potsdam-Golm: History and
Foundations of Quantum Physics, 2010, URL: http://quantum-history.mpiwgberlin.mpg.de/news/documents/ehlers.html
„Gravitational lens-full“. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gravitational_lens-full.jpg#/media/File:Gravitational_lensfull.jpg
Folie 11:
„Reinhard Genzel“ von MPE - Eigenes Werk. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reinhard_Genzel.jpg#/media/File:Reinhard_Genzel.jpg
"Ghez andrea download 2" by Courtesy of the John D. and Catherine T. MacArthur Foundation.
Licensed under CC BY 4.0 via Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ghez_andrea_download_2.JPG#/media/File:Ghez_andr
ea_download_2.JPG
Ich erkläre hiermit, dass ich vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und alle
Formulierungen, die wörtlich oder dem Sinn nach aus anderen Quellen entnommen wurden,
kenntlich gemacht habe.
17
Ideengeschichte in Stichworten1
1783 Erste schriftlich festgehaltene Überlegung zu Schwarzen Löchern durch J. Mitchell. Er
schließt aus Newtons Theorie der Gravitation und dessen Korpuskular-Theorie des Lichts,
dass Lichtteilchen aus dem Gravitationsfeld genügend großer Massen nicht mehr
entweichen können.
1796 Laplace veröffentlicht ähnliche Überlegungen wie Mitchell und folgert, dass solche Objekte
nicht sichtbar sein können.
1915 Einstein (und unabhängig von ihm David Hilbert) formuliert die Feldgleichungen der
allgemeinen Relativitätstheorie. Sie beschreiben die lokale Krümmung der Raumzeit bei
Anwesenheit von Masse.
1916 Karl Schwarzschild entwickelt eine Lösung der Feldgleichung außerhalb kugelsymmetrischer Massen. Sie beschreibt die Metrik statischer Schwarzer Löcher.
1918 Reissner und Nordström entdecken eine Lösung der Feldgleichung, die nichtrotierende,
geladene Löcher beschreibt.
1919 Eddington und Dyson weisen die von Einstein vorhergesagte Ablenkung des Lichtes
während einer totalen Sonnenfinsternis experimentell nach.
1935 Chandrasekhar zeigt unter Einschluss relativistischer Entartung, dass es für die Masse
weißer Zwerge eine Obergrenze gibt. Eddington greift Chandrasekhar scharf an.
1939 Oppenheimer und Volkoff zeigen, dass es für Neutronensterne eine
Massenobergrenze gibt.
Oppenheimer und Snyder zeigen, dass ein kollabierender Stern ein Schwarzes Loch bildet.
1957 Wheeler, Harrison und Wakano zeigen, dass außer weißen Zwergen nur noch
Neutronensterne stabil sind. Ihr Diagramm Masse gegen Dichte bestärkt die Vermutung,
dass bei Kollaps großer Massen Schwarze Löcher entstehen.
1959 J.A. Wheeler äußert die Vermutung, dass die Raum- Zeit-Singularität im Zentrum eines
Schwarzen Lochs den Gesetzen der Quantengravitation unterliegt.
1963 Entdeckung der Quasare und Messung ihrer Rotverschiebung durch M. Schmidt.
R. Kerr entdeckt eine Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen, die rotierende, geladene
Schwarze Löcher beschreibt. Es ist die allgemeinste Lösung für stationäre Schwarze Löcher.
1967 Wheeler prägt in einem öffentlichen Vortrag den Begriff „Black Hole“.
W. Israel stellt die "No-Hair"-These auf.
1970 S. Hawking und R. Penrose weisen die Notwendigkeit von Singularitäten in der ART und
damit die Existenz Schwarzer Löcher unter sehr allgemeinen Voraussetzungen nach.
1973 J.D. Bekenstein vermutet, dass die Oberfläche Schwarzer Löcher ein Maß ihrer Entropie ist.
1975 S. Hawking zeigt durch quantenmechanische Berechnungen, dass Schwarze Löcher
strahlen können.
1982 G. Bunting und P. Mazur beweisen die „No-Hair“-Vermutung für geladene und rotierende
Schwarze Löcher.
1996 A. Ghez und R. Genzel finden 2,6 ·106 Sonnenmassen nicht leuchtender Materie innerhalb
eines Radius von 0,04 parsec. Im Zentrum unserer Galaxie. Sie folgern die Anwesenheit
eines Schwarzen Loches.
1999 P. Schneider, J. Ehlers und E. Falco entwickeln eine vollständige und durchgängige
Beschreibung von Gravitationslinsen mit rein allgemein-relativistischen Mitteln.
2002 A. Ashtekar und B. Krishnaneine veröffentlichen eine Lösung für die Beschreibung
wachsender Schwarzer Löcher, ohne dabei eine Näherung verwenden zu müssen.
1Siehe auch: Wolfgang Gebhardt, „Wie schwarz sind schwarze Löcher. Eine Einführung in die Physik und Astronomie
schwarzer Löcher“, Vorlesungsskript, Wintersemester 2000/2001, S.4ff.