Stephen Hawking

Bedeutung und Lebensweg

Stephen William Hawking (8. Januar 1942 in Oxford; † 14. März 2018 in Cambridge) war ein britischer theoretischer Physiker und Astrophysiker. Bedeutend wurde er vor allem durch Arbeiten zur Kosmologie, zur allgemeinen Relativitätstheorie und zu Schwarzen Löchern. Von 1979 bis 2009 hatte er den Lucasischen Lehrstuhl für Mathematik an der Universität Cambridge inne. Durch seine populärwissenschaftlichen Bücher und die umfangreiche Berichterstattung über sein Leben wurde er auch außerhalb der Fachwelt bekannt.

Hawking war der Sohn des Tropenmediziners Frank Hawking und der Wirtschaftswissenschaftlerin Isobel Hawking. Er wuchs zunächst im Norden Londons und ab 1950 in St Albans auf. Ab 1953 besuchte er die St Albans School. Gegen den Wunsch seines Vaters, Medizin zu studieren, interessierte er sich besonders für Naturwissenschaften. Eine Aufnahmeprüfung für Oxford bestand er mit Auszeichnung und erhielt dadurch ein Studien-Stipendium.

Ausbildung, Karriere und Anerkennung

1962 erwarb Hawking an der Universität Oxford den Bachelor-Abschluss. Danach wechselte er zu Trinity Hall an der Universität Cambridge. Weil ihm zunächst die erforderliche Examensnote für die Aufnahme fehlte, legte er eine mündliche Prüfung ab, die er mit Bestnote bestand. Er begann seine Promotion über theoretische Astronomie und Kosmologie und promovierte 1966 bei Dennis Sciama mit der Dissertation Properties of expanding universes.

Anschließend arbeitete Hawking als Research Fellow und Professorial Fellow am Gonville and Caius College. Seine Forschung führte ihn zunächst an das Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, 1968 an das Institut für Astronomie und 1973 wieder an das Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics. 1974 war er Sherman Fairchild Scholar am Caltech und arbeitete dort mit Kip Thorne zusammen. 1975 wurde er Reader, 1977 Professor für Gravitationsphysik und 1979 Lucasian Professor. Ab 2009 war er Dennis Stanton Avery and Sally Tsui Wong-Avery Director of Research am Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics.

Hawking wurde 1974 Fellow der Royal Society, 1982 Commander of the British Empire und 1989 Companion of Honour. Zu seinen weiteren wichtigen Auszeichnungen gehören die Wolf Prize in Physics (1988), der Prinz-von-Asturien-Preis (1989), die Copley Medal (2006), die Presidential Medal of Freedom (2009) und der Special Fundamental Physics Prize (2013). Er war Mitglied mehrerer wissenschaftlicher Akademien, darunter seit 1986 der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften, und erhielt dreizehn Ehrendoktorwürden.

Wissenschaftliche Beiträge

In den 1960er Jahren bewies Hawking gemeinsam mit Roger Penrose unter sehr allgemeinen Voraussetzungen die Notwendigkeit von Singularitäten in der allgemeinen Relativitätstheorie. Eine Singularität ist dabei ein Bereich, in dem die bekannten physikalischen Beschreibungen, etwa die Raumzeitkrümmung, Grenzwerte erreichen oder nicht mehr anwendbar sind. Für diese Arbeit erhielt Hawking 1966 den Adams Prize der Universität Cambridge.

1971 formulierte er den zweiten Hauptsatz der Schwarzkörper-Thermodynamik: Die Oberfläche eines Schwarzen Lochs kann bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher, beim Sturz eines Teilchens in ein Schwarzes Loch und bei anderen Prozessen nicht abnehmen. Dies legt eine Verbindung zwischen der Oberfläche eines Schwarzen Lochs und seiner Entropie nahe; daraus entstand das Konzept der Bekenstein-Hawking-Entropie.

1974 entwickelte Hawking das Konzept der Hawking-Strahlung. Nach der Quantenfeldtheorie können Schwarze Löcher Strahlung aussenden und dadurch, abhängig von ihrer Masse, mehr oder weniger schnell zerstrahlen. Diese Entdeckung war für Hawking selbst überraschend, weil sie Schwarzen Löchern eine thermische Strahlung zuordnet.

1982 entwickelten Hawking und James Hartle den „ohne Rand“-Ansatz zur Quantengravitation und Quantenkosmologie. Dabei wird in einer Pfadintegralformulierung über mögliche Raumzeiten summiert. Mithilfe einer Wick-Rotation werden Zeitwerte zu imaginären Werten fortgesetzt, sodass euklidische statt Minkowski-Metriken verwendet werden. Hawking und Hartle schlugen vor, nur geschlossene Raumzeiten ohne dreidimensionale Ränder zu berücksichtigen. Der Ansatz ist umstritten, weil die tatsächlich in der Natur verwendeten Minkowski-Metriken in euklidische Metriken überführt werden.

Ein zentrales Problem der Quantengravitation ist der Informationsverlust Schwarzer Löcher. Schwarze Löcher nehmen Materie und damit möglicherweise Informationen auf, während sie nach der klassischen Relativitätstheorie nur durch wenige Parameter beschrieben werden. Ihre Hawking-Strahlung enthält scheinbar nur Angaben wie Temperatur und Entropie. Dadurch könnte Information vernichtet werden, was einer nicht unitären, also die Wahrscheinlichkeiten nicht erhaltenden Zeitentwicklung widerspräche. Hawking kündigte 2004 an, das Problem gelöst zu haben, doch seine Auffassung stieß auf Kritik. Bis heute besteht kein Konsens über die Lösung.

Hawkings letzter Fachartikel mit Andrew Strominger, Malcolm J. Perry und Sasha Haco wurde wenige Tage vor seinem Tod fertiggestellt und im Oktober 2018 postum veröffentlicht. Er beschreibt eine mögliche Variante zur Lösung des Informationsproblems, bei der Informationsreste in Photonen nahe dem Ereignishorizont liegen. Eine weitere späte Arbeit mit Thomas Hertog behandelte den „ohne Rand“-Ansatz, die Inflation und das Multiversum. Das Modell reduziert die Zahl möglicher Universen auf eine endliche Anzahl und macht Vorhersagen zu ursprünglichen Gravitationswellen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, die das Modell möglicherweise widerlegen könnten. Die Formel für die Hawking-Temperatur eines Schwarzen Lochs lautet im Artikel: T = ℏc³/(8πGMk).

Krankheit, Privatleben und Kommunikation

1963 wurde bei Hawking Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) diagnostiziert. Diese degenerative Erkrankung zerstört das motorische Nervensystem. Die Ärzte sagten ihm nur noch wenige Lebensjahre voraus. Wahrscheinlich handelte es sich jedoch um eine chronisch juvenile ALS (JALS), die durch einen ungewöhnlich langen Krankheitsverlauf gekennzeichnet ist. Hawkings geistige Fähigkeiten blieben erhalten. Seit 1968 war er auf einen Rollstuhl angewiesen.

1965 begann er seine Doktorarbeit bei Dennis Sciama und heiratete Jane Wilde. Das Paar bekam drei Kinder, darunter Lucy Hawking. Wegen der Lähmungserscheinungen musste seine Dissertation von mehreren Helfern niedergeschrieben werden. 1990 verließ Hawking seine Ehefrau Jane. 1995 heiratete er seine Pflegerin Elaine Mason; die Ehe wurde 2006 geschieden.

1985 erlitt Hawking bei einem Besuch des CERN in Genf eine schwere Lungenentzündung. Wegen Atemnot wurde ein Luftröhrenschnitt notwendig. Im Zusammenhang mit seiner Grunderkrankung, einer progressiven Bulbärparalyse, verlor er dadurch die Fähigkeit zu sprechen. Zunächst verständigte er sich, indem er eine Augenbraue bewegte, wenn auf einer Tafel der richtige Buchstabe angezeigt wurde. Danach benutzte er einen Sprachcomputer.

Mit einem Taster konnte Hawking Begriffe auf einem Bildschirm auswählen, die anschließend von einem Sprachgenerator ausgesprochen wurden. Damit erreichte er bis zu fünfzehn Wörter pro Minute, bis seine Finger zu schwach wurden. Später steuerte ein Infrarotsensor an seiner Brille den Computer. Der Sensor reagierte darauf, ob Hawking seinen rechten Wangenmuskel anspannte, und löste dadurch die Auswahl auf dem Bildschirm aus.

Populärwissenschaft, Tod und Nachwirkung

1988 veröffentlichte Hawking Eine kurze Geschichte der Zeit. Das Buch erklärt Theorien über die Entstehung des Universums, die Quantenmechanik und Schwarze Löcher und wurde weltweit millionenfach verkauft. Weitere erfolgreiche Bücher folgten, darunter Das Universum in der Nussschale, Der große Entwurf mit Leonard Mlodinow sowie Kurze Antworten auf große Fragen. Gemeinsam mit seiner Tochter Lucy schrieb Hawking außerdem Kinderbücher über das Universum.

Hawking vertrat in einem Vortrag von 1981 die Auffassung, ein Universum ohne Grenze und Rand brauche keinen Schöpfergott. 2010 erklärte er ebenfalls, für die Entstehung des Universums sei Gott nicht notwendig. In den Jahren 2010 und 2016 warnte er vor möglichen Gefahren durch die Suche nach außerirdischem Leben, gentechnisch veränderte Viren, Atomkriege, künstliche Intelligenz und die globale Erwärmung. Die Menschheit müsse deshalb langfristig andere Himmelskörper besiedeln; unabhängige Kolonien könnten jedoch frühestens in einem Jahrhundert bestehen.

Stephen Hawking starb am 14. März 2018 im Alter von 76 Jahren in seinem Haus in Cambridge. Am 31. März fand in der Kirche St. Mary the Great eine private Trauerfeier mit etwa 500 Gästen statt. Am 15. Juni 2018 wurde seine Asche in der Westminster Abbey in London beigesetzt, zwischen den Gräbern Isaac Newtons und Charles Darwins. Nach Angaben des Artikels war er mit seinem Tod, 55 Jahre nach der Diagnose, bis dahin der am längsten überlebende ALS-Patient.

2021 übergab Hawkings Familie sein privates Archiv nach dem britischen Verfahren der acceptance in lieu der Allgemeinheit. Nach Erschließung und Katalogisierung steht es seit Juli 2024 in der Bibliothek der Universität Cambridge für die Wissenschaft zur Verfügung.