Stephen Hawking

Stephen William Hawking, CH, CBE, FRS (* 8. Januar 1942 in Oxford, Oxfordshire, England; † 14. März2018 in Cambridge, Cambridgeshire, England), war ein britischer theoretischer Physiker und Astrophysiker. Von 1979 bis 2009 war er Inhaber des renommierten Lucasischen Lehrstuhls für Mathematik an der Universität Cambridge.

Stephen Hawking lieferte bedeutende Arbeiten zur Kosmologie, Allgemeinen Relativitätstheorie und der Physik der Schwarzen Löcher. Durch populärwissenschaftliche Bücher über moderne Physik ist er auch einem breiten Publikum außerhalb der Fachwelt bekannt geworden.

1963 wurde bei Hawking Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) diagnostiziert, eine degenerative Erkrankung des motorischen Nervensystems. Mediziner prophezeiten ihm, nur noch wenige Jahre zu leben.[5]Allerdings handelte es sich vermutlich um eine chronisch juvenile ALS, die durch einen extrem langen Krankheitsverlauf gekennzeichnet war. Seit 1968 war er auf einen Rollstuhl angewiesen. Im Rahmen der Grunderkrankung (konsekutive progressive Bulbärparalyse) und der Behandlung einer schweren Lungenentzündung verlor er 1985 die Fähigkeit zu sprechen. Für die verbale Kommunikation nutzte er seitdem einen Sprachcomputer, den er alleine durch Bewegungen seines Wangenmuskels steuerte, und als das nicht mehr ging, mit Augenbewegungen.

Leben und Werdegang

Ausbildung und Studium

Stephen Hawking wurde als Sohn des Tropenmediziners Frank Hawking und der Wirtschaftswissenschaftlerin Isobel Hawking geboren. Frank Hawking entstammte einer Familie von Großbauern in Yorkshire, sein Großvater John Hawking verlor jedoch den Großteil seines Vermögens im Rahmen einer landwirtschaftlichen Wirtschaftskrise zum Beginn des 20. Jahrhunderts. Robert Hawking, der Vater von Frank, und dessen Frau konnten sein Medizinstudium nur mit Hilfe der Einnahmen einer kleinen Schule in Boroughbridge finanzieren und er selbst bekam einige Stipendien und Preise, mit denen er sich finanzierte und auch seinen Eltern etwas Geld zurückgeben konnte. 1937 befand er sich auf einer Forschungsreise in Afrika am Kongo. Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs kehrte er nach England zurück, um sich dem Militär anzuschließen. Seine spätere Frau war die Tochter eines praktischen Arztes und eines von acht Kindern der Familie, sie durfte trotz der finanziellen Engpässe der Familie studieren und arbeitete nach dem Studium als Finanzinspektorin und später als Sekretärin. Vor der Geburt ihres Sohnes zogen Frank und Isobel vorübergehend aus dem Londoner Stadtgebiet (Stadtteil Highgate) nach Oxford, um so der Bedrohung durch die deutsche Bombardierung der Hauptstadt im Zweiten Weltkrieg zu entgehen. 18 Monate nach Stephen wurde seine Schwester Mary geboren, seine zweite Schwester Phillippa kam auf die Welt, als er fünf Jahre alt war. Stephen Hawking wuchs im Norden Londons auf. 1950 zog die Familie erneut um, diesmal nach St Albans nördlich von London, wo Stephen Hawking ab 1953 die St Albans School besuchte.

Der Wunsch des Vaters war es, dass sein Sohn Medizin studieren sollte, um in seine Fußstapfen als Arzt zu treten. Hawking konzentrierte sich daher in Leistungskursen auf Drängen seines Vaters auf Chemie und belegte Mathematik nur als Nebenfach. Noch vor dem Schulabschluss nahm er probeweise an einer Aufnahmeprüfung für die Universität Oxford teil, die er mit Auszeichnung bestand und die ihm überraschenderweise ein Studien-Stipendium gewährte.

Wissenschaftliche Arbeit

Stephen Hawking erwarb 1962 seinen Bachelor-Abschluss an der Universität Oxford. Wenig später wechselte er zu Trinity Hall an der Universität Cambridge, wo er seine Promotion über theoretische Astronomie und Kosmologie begann und 1966 bei Dennis Sciamapromovierte (Ph.D.) mit der Dissertation Properties of expanding universes. Da ihm die für die Aufnahme in Cambridge notwendige Examensnote fehlte, trat er zu einer mündlichen Prüfung an, die er mit Bestnote bestand. Nach seiner Doktorarbeit wurde er Research Fellow und später Professorial Fellow am Gonville and Caius College der Universität Cambridge.

Berühmt wurde er in den 1960er Jahren durch den Beweis der notwendigen Existenz von Singularitäten in der allgemeinen Relativitätstheorie unter sehr allgemeinen Voraussetzungen (gemeinsam mit Roger Penrose, siehe Singularitäten-Theorem). Für diese Arbeit erhielt er 1966 den angesehenen Adams Prize der Universität Cambridge. Er wechselte an das Institut für Theoretische Astronomie in Cambridge, an welchem er bis 1973 blieb. Danach arbeitete er am Institut für angewandte Mathematik und Theoretische Physik und begann mit seiner quantenmechanischen Interpretation der Schwarzen Löcher.

1974 entwickelte er das Konzept der „Hawking-Strahlung“, nach der schwarze Löcher in der Quantenfeldtheorie (je nach der Masse des schwarzen Lochs mehr oder weniger schnell) zerstrahlen.

In den 1980er Jahren entwickelte Hawking mit James Hartle einen Zugang zur Quantengravitation und deren Kosmologie über eine euklidische Pfadintegralformulierung. Dabei wird in der mathematischen Pfadintegralformulierung, ursprünglich von Richard Feynman für die Quantenfeldtheorie entwickelt, über alle möglichen Konfigurationen von Raum-Zeiten („Pfade“) summiert, was durch Integrale über die Metrik-Tensorfelder, die nach der allgemeinen Relativitätstheorie die Raum-Zeiten festlegen, dargestellt wird. Um die Integrale mathematisch behandeln zu können, wird ein auch in der Quantenfeldtheorie üblicher Trick angewandt, die Wick-Rotation: Das Pfadintegral wird zu imaginären Werten der Zeit fortgesetzt, so dass die Metriken, über die summiert wird, eine Signatur wie bei der Metrik eines euklidischen Raumes statt des Vorzeichens des Minkowski-Raums wie in der allgemeinen Relativitätstheorie bekommen. Hartle und Hawking schlugen vor, in den Pfadintegralen nur geschlossene Raumzeiten ohne dreidimensionale Ränder zu berücksichtigen (kompakte euklidische Metriken), da diese die dominanten Beiträge liefern würden. Sie nannten dies ihren no boundary proposal („ohne Grenzen“ oder „ohne Rand“) und sahen darin eine natürliche Formulierung für Probleme der Quantenkosmologie („Die Randbedingung des Universums besteht darin, dass es keinen Rand hat“). Neben dem Vorschlag von Hawking und Hartle sind auch andere Möglichkeiten diskutiert worden, insbesondere die Tunnellösung von Alexander Vilenkin (1982), der Entstehung eines Universums aus dem Nichts. Ursprünglich favorisierte Hawking aufgrund seiner Theorie geschlossene Universen, in den 1990er Jahren zeigte er aber mit Neil Turok, dass auch offene inflationäre Universen als Lösung im no boundary proposal möglich sind. Der euklidische Pfadintegral-Zugang zur Quantenkosmologie ist wegen des Übergangs von Minkowski-Metriken, wie sie eigentlich in der Natur realisiert sind, zu euklidischen Metriken außerhalb der Hawking-Schule, die konsequent daran festgehalten hat, umstritten.

Hawking war Mitglied auf Lebenszeit bei der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften.

„The Black Hole Information Loss Problem“

Auf der 17. „General Relativity“ Konferenz in Dublin 2004 kündigte Hawking an, das Problem des Informationsverlusts Schwarzer Löchergelöst zu haben, dies stieß aber auf Kritik. Das Problem besteht darin, dass Schwarze Löcher, die nur durch wenige Quantenzahlen beschrieben werden, aber Materie (Informationen) „verschlucken“ und nur, wie Hawking gezeigt hatte, thermisch strahlen (die einzige „Information“ dabei ist ihre Temperatur und Entropie, die proportional zu ihrer Oberfläche ist), Informationen vernichten, oder anders ausgedrückt in der Quantenmechanik zu einer „nicht unitären“, die Wahrscheinlichkeiten nicht erhaltenden Zeitentwicklung führen. Die Frage ist dann, ob es nicht doch einen Ausweg gibt, der die Informationen erhält. John Preskill hatte mit Hawking 1997 eine Wette abgeschlossen (die neben Hawking auch Kip Thorne hielt), dass es in der Quantengravitation einen solchen Ausweg gibt, Hawking hatte dagegen gehalten. In seiner Rede auf dem Kongress wechselte Hawking seinen Standpunkt und meinte, dass Informationen doch erhalten bleiben, was er mit einer Pfadintegral-Formulierung der Quantengravitation in nicht-trivialen Topologien bewiesen zu haben glaubte.

Das Problem spielt eine wichtige Rolle in der Quantengravitation und war dort seit der Formulierung des Problems durch Hawking 1975 Gegenstand kontroverser Debatten. Gegner von Hawking waren zum Beispiel Leonard Susskind und Gerardus ’t Hooft, die im Gegensatz zu Hawking für eine Gültigkeit der Quantenmechanik auch im Bereich Schwarzer Löcher eintraten. Susskind veröffentlichte darüber sogar ein Buch (The Black Hole War: My battle with Stephen Hawking to make the world safe for quantum mechanics, 2008). Es besteht nach wie vor kein Konsens über die Lösung des Problems. Der bekannte Gravitationstheoretiker Kip Thorne beispielsweise weigerte sich im Gegensatz zu Hawking, den Verlust der Wette anzuerkennen.

Privatleben und Tod

Während seines Studiums in Oxford begannen die ersten Anzeichen für seine Erkrankung, die sich während seiner Studienzeit 1963 bis 1965 in Cambridge verstärkten. Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) begann sein Nervensystem zu zerstören. Seine geistigen Fähigkeiten waren davon allerdings nicht betroffen. Die Diagnose veränderte sein Leben und bewirkte einen Motivationsschub. Hawking begann 1965 seine Doktorarbeit bei Dennis Sciama und heiratete Jane Wilde, mit der er drei Kinder bekam, darunter die Tochter Lucy Hawking. Weil seine Hand zu dieser Zeit schon Lähmungserscheinungen zeigte, wurde seine Dissertation von unterschiedlichen Helfern geschrieben. Seit 1968 war er zur Fortbewegung auf den Rollstuhl angewiesen.

Bei einem Besuch des Forschungszentrums CERN in Genf erlitt Hawking 1985 eine Lungenentzündung, die in seinem Zustand lebensbedrohlich war. Es kam zu einer Atemnot, die nur durch einen Luftröhrenschnitt überwunden werden konnte. Seitdem hatte Hawking infolge seiner Grunderkrankung auch seine Sprechfähigkeit verloren. 1990 erfolgte die Scheidung von seiner Ehefrau Jane. Danach lebte Hawking mit seiner Pflegerin Elaine Mason zusammen, die er 1995 heiratete. Sie begleitete ihn während seiner Lehr- und Forschungstätigkeit sowie auf Forschungsreisen. 2006 ließen sie sich scheiden. Im Oktober 2008 empfing ihn Papst Benedikt XVI. im Vatikan.

Stephen Hawking starb am 14. März 2018 im Alter von 76 Jahren in seinem Haus in Cambridge.