Eine kurze Geschichte der Zeit - Zusammenfassung | Stephen Hawking

Vom Urknall zu Schwarzen Löchern

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Synopse

Eine kurze Geschichte der Zeit ist eine prägnante Zusammenfassung der Ursprünge und der Natur unseres Universums. Stephen Hawking führt die Leser durch die Entwicklung unseres wissenschaftlichen Verständnisses. Er beginnt mit Newtons Gravitationsgesetz in den 1600er Jahren bis hin zu den modernen Theorien über den Beginn des Universums. Dieses Buch ist ein klarer und verständlicher Führer durch das Universum. Von schwarzen Löchern bis hin zu Zeitreisen erklärt Stephen Hawking einige der wichtigsten Rätsel unseres Universums. 

Stephen Hawkings Sichtweise

Stephen Hawking galt als einer der brillantesten theoretischen Physiker der Geschichte. Seine Arbeiten über den Ursprung und die Struktur des Universums, vom Urknall bis zu schwarzen Löchern, revolutionierten das Fachgebiet. Hawking wurde in Oxford in eine Familie von Ärzten geboren. Im Oktober 1959 begann Hawking seine Universitätsausbildung am University College in Oxford. Er erhielt einen erstklassigen BA-Abschluss (Hons.) in Physik. Anschließend begann Hawking im Oktober 1962 sein Studium an der Trinity Hall in Cambridge. Im März 1966 promovierte er in angewandter Mathematik und theoretischer Physik mit den Schwerpunkten allgemeine Relativitätstheorie und Kosmologie. Von 1979 bis 2009 war er Lucasian Professor of Mathematics an der Universität Cambridge. Im Alter von 21 Jahren, während seines Studiums der Kosmologie an der Universität Cambridge, wurde bei ihm amyotrophe Lateralsklerose (ALS) diagnostiziert. Ein Teil seiner Lebensgeschichte wurde 2014 in dem Film The Theory of Everything dargestellt.

Theorien aus der Vergangenheit können die Zukunft vorhersagen

Stephen Hawking erklärt den Lesern, dass eine Theorie ein Modell ist, das Beobachtungen in unserer Umwelt genau erklärt. Die am meisten akzeptierten Theorien werden durch übereinstimmende Ergebnisse mehrerer Experimente gestützt. Diese Theorien erklären dann, wie und warum Dinge in unserer Umwelt geschehen. 

Hawking nennt zwei Vorteile, die mit der Entwicklung von Theorien verbunden sind:

1. Theorien bieten Wissenschaftlern eine Grundlage, um Vorhersagen über zukünftige Ereignisse zu treffen. Hawking nennt als Beispiel die Newtonsche Theorie der Schwerkraft. Diese Theorie ermöglichte es den Wissenschaftlern, die künftigen Bewegungen der Planeten vorherzusagen.
2. Theorien sind nie vollständig gefestigt. Das bedeutet, dass sie ständig verbessert werden können, wenn mehr Beweise auftauchen. Diese Widerlegbarkeit ist für die Entwicklung unseres Wissens von entscheidender Bedeutung.

Wissenschaftliche Theorien ermöglichen es uns, Rückschlüsse auf die Natur unseres zukünftigen Universums zu ziehen. Sie entwickeln sich jedoch ständig weiter und werden immer präziser bei der Vorhersage der Zukunft.

Newtons Theorie der Schwerkraft hat unser Verständnis entscheidend weiterentwickelt

Newtons Theorie der Schwerkraft war revolutionär. In den 1600er Jahren glaubten die Menschen, dass sich Objekte natürlich in absoluter Ruhe befinden. Folglich würde das Objekt ohne jede Aktion stationär bleiben. Newton stellte diese Vorstellung auf den Kopf, indem er behauptete, dass alle Objekte im Universum in ständiger Bewegung sind. Diese Theorie wurde von Newton durch die Beobachtung gestützt, dass sich die Planeten ständig zueinander bewegen.

Die drei Newtonschen Gesetze

Auf der Grundlage der Erkenntnisse Newtons entwickelte er drei Gesetze:

1. Alle Objekte bewegen sich in einer geraden Linie weiter, wenn keine andere Kraft auf sie einwirkt.
2. Ein Objekt beschleunigt sich proportional zu der auf es wirkenden Kraft. Außerdem gilt: Je größer die Masse eines Objekts ist, desto weniger wirkt eine Kraft auf seine Bewegung.
3. Alle Körper im Universum ziehen andere Körper mit einer Kraft an, die proportional zur Masse des jeweiligen Objekts ist.

Die Lichtgeschwindigkeit stellt die Newtonsche Theorie in Frage

Da wir uns in ständiger Bewegung relativ zu anderen Objekten befinden, beschrieb Newton die Geschwindigkeit als relativ zu anderen Objekten. Hawking erklärt jedoch, dass unser Verständnis der Lichtgeschwindigkeit diesen Teil der Newtonschen Theorie in Frage stellt. Die Lichtgeschwindigkeit muss immer eine Konstante sein und darf nicht relativ sein. Sie beträgt immer 186.000 Meilen pro Sekunde. Die Lösung für diese Lücke in der Newtonschen Theorie wurde im frühen zwanzigsten Jahrhundert von Albert Einstein gefunden. Genauer gesagt, mit Einsteins Relativitätstheorie.

Die Zeit ist nicht festgelegt

Die Relativitätstheorie baute auf Newtons Gravitationstheorie auf, indem sie die Lichtgeschwindigkeit als eine Konstante berücksichtigte. Einstein schlug vor, dass die Gesetze der Wissenschaft für alle frei beweglichen Beobachter gleich sind. Daraus ergibt sich die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Unabhängig von der Geschwindigkeit eines sich frei bewegenden Beobachters bleibt die Lichtgeschwindigkeit gleich. Diesem Prinzip liegt die Überlegung zugrunde, dass die Zeit relativ und nicht fest ist.

Hawking verwendet eine Analogie, um diesen Punkt zu erklären. Stellen Sie sich vor, ein Lichtblitz wird für zwei Beobachter ausgestrahlt. Einer dieser Beobachter bewegt sich in Richtung des Lichts, während der andere schneller in die entgegengesetzte Richtung reist. Die Geschwindigkeit des Lichts bleibt für jeden Beobachter gleich, da sie konstant ist. Die Zeit wird jedoch durch die zurückgelegte Strecke geteilt durch die Geschwindigkeit bestimmt. Daher würden die beiden Beobachter das ausgestrahlte Licht zu unterschiedlichen Zeitpunkten wahrnehmen. Das bedeutet vor allem, dass keiner der beiden Beobachter den Zeitpunkt der Lichtemission falsch einschätzen würde. Stattdessen ist die Zeit relativ und für jeden der beiden Beobachter einzigartig.

Quantenzustand hilft uns bei der Messung von Teilchen

Alle Materie besteht aus Teilchen. Um das Universum besser zu verstehen, müssen wir daher die Teilchen verstehen, einschließlich ihres Verhaltens und ihrer Geschwindigkeit. Hawking erklärt jedoch, dass Teilchen besonders schwer zu messen sind. Je genauer man versucht, die Position eines Teilchens zu messen, desto unsicherer wird seine Geschwindigkeit. Und je genauer man versucht, die Geschwindigkeit zu messen, desto unsicherer wird die Position des Teilchens. Dieses Phänomen wurde in den 1920er Jahren entdeckt und wird als Unschärfeprinzip bezeichnet.

Um die Einschränkungen bei der Messung von Teilchen zu überwinden, begannen Wissenschaftler, den Quantenzustand der Teilchen zu messen. Der Quantenzustand fasst viele mögliche Positionen und Geschwindigkeiten eines Teilchens zusammen. Daher ist es für einen Wissenschaftler derzeit unmöglich, die genaue Position und Geschwindigkeit eines Teilchens zu beobachten. Stattdessen müssen die Wissenschaftler alle wahrscheinlichen Orte verfolgen, an denen sich das Teilchen befinden könnte, und feststellen, welcher davon am wahrscheinlichsten ist. Dazu müssen die Wissenschaftler die Teilchen wie Wellen beobachten.

Die Vielfalt der Positionen, die ein Teilchen einnehmen kann, lässt sich wie eine kontinuierliche, oszillierende Welle aufzeichnen. Die wahrscheinlichsten Positionen des Teilchens ergeben sich dort, wo Bögen und Senken einander entsprechen.

Massive Objekte, die die Raum-Zeit krümmen, verursachen die Schwerkraft

Hawking erklärt, dass die Schwerkraft massereicher Objekte eine Krümmung der Raumzeit verursacht. Außerdem verändern riesige Massen wie unsere Sonne die Raumzeit. Stellen Sie sich die Raumzeit in Analogie zu einer Decke vor, die ausgebreitet und in die Luft gehalten wird. Wenn man ein Objekt in der Mitte der Decke platziert, krümmt sich die Decke und das Objekt sinkt. Sobald diese Krümmung entstanden ist, folgen andere Objekte diesen Krümmungen in der Raumzeit. Hawking erklärt dies damit, dass ein Objekt immer den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten zurücklegt. Bei größeren Objekten ist dies eine kreisförmige Umlaufbahn.

Die Raumzeit ist die vierte Dimension in unserer Welt. Physiker verwenden die Raumzeit, um Ereignisse im Universum zu beschreiben. Für diese Wissenschaftler findet ein Ereignis an einer bestimmten Stelle in Raum und Zeit statt. Wissenschaftler müssen die Zeit berücksichtigen, weil die Relativitätstheorie besagt, dass Zeit relativ ist. Folglich ist sie ein wesentlicher Faktor bei der Beschreibung der Natur eines Ereignisses. Unser Verständnis von Raum und Zeit hat es uns ermöglicht, die Theorie der Schwerkraft zu entwickeln.

Kollabierte Sterne können Schwarze Löcher erzeugen

Sterne verbrauchen enorme Mengen an Energie, um Wärme und Licht zu erzeugen. Und da sie oft eine lange Lebensdauer haben, sammelt sich diese Menge an. Wenn diese Energie aufgebraucht ist, stirbt der Stern. Die Größe des Sterns bestimmt dann das Produkt des Sterntods. Massereiche Sterne erzeugen zum Beispiel schwarze Löcher. 

Hawking erläutert, warum der Tod von Riesensternen schwarze Löcher hervorbringen kann. Schwarze Löcher entstehen bei diesen Ereignissen, weil die Anziehungskraft massereicher Sterne so stark ist. Die Sterne verwenden ihre Energie, um zu verhindern, dass sie aufgrund der starken Anziehungskraft kollabieren. Sobald der Stern jedoch keine Energie mehr hat, beginnt er, in sich selbst zu kollabieren. Die gesamte umgebende Materie wird nach innen zu einem unendlich dichten, kugelförmigen Punkt gezogen, der als Singularität bezeichnet wird. Diese Singularität ist das, was wir als Schwarzes Loch bezeichnen.

Die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs ist so stark, dass sich das Licht an ihm entlang biegt. Außerdem verhindert die starke Anziehungskraft, dass alles, was eine bestimmte Grenze um das Schwarze Loch herum überschreitet, wieder entkommt. Dieser Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt, wird laut Hawking als Ereignishorizont bezeichnet. Licht ist das sich am schnellsten bewegende Objekt im Universum. Aber auch Licht kann schwarzen Löchern nicht entkommen. Da Licht nicht aus schwarzen Löchern entkommen kann, stellt dies ein Dilemma für die Beobachtung dieser Löcher dar. Wissenschaftler suchen jedoch nach den Gravitationswirkungen auf das Universum und den Röntgenstrahlen, die entstehen, wenn das Schwarze Loch Materie ansaugt und zerreißt.

Die Zeit kann nur vorwärts gehen

Hawking erklärt in Eine kurze Geschichte der Zeit, dass die Expansion des Universums die Zeit vorwärts laufen lässt. Einige Wissenschaftler haben jedoch die Möglichkeit nicht aufgegeben, dass das Universum beginnt, sich zusammenzuziehen, und die Zeit beginnt, rückwärts zu laufen. Trotzdem gibt es laut Hawking mehrere starke Indizien, die darauf hindeuten, dass sich die Zeit nur vorwärts bewegen kann. 

Die Pfeile der Zeit

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird als Entropie bezeichnet. Entropie bedeutet, dass die Unordnung mit der Zeit zunimmt. Unordnung lässt sich im Allgemeinen nicht spontan wiederherstellen, was darauf hindeutet, dass sich die Zeit nur vorwärts bewegen kann. Eine zerbrochene Tasse zum Beispiel wird sich nicht spontan wieder ordnen. Dies ist der thermodynamische Pfeil der Zeit. In ähnlicher Weise werden Sie eine Erinnerung daran entwickeln, dass diese Tasse zerbrochen ist. Vor diesem Ereignis wären Sie jedoch nicht in der Lage, sich an ihre zukünftige Position auf dem Boden zu erinnern. Dies ist der psychologische Pfeil der Zeit. Der kosmologische Zeitpfeil schließlich bezieht sich auf die Expansion des Universums. Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die Entropie zu. 

Angenommen, die Unordnung im Universum erreicht ihren Höhepunkt. In diesem Fall könnte das Universum beginnen, sich zusammenzuziehen und den kosmologischen Zeitpfeil umzukehren. Wir würden davon jedoch nichts mitbekommen, weil intelligente Wesen nur bei zunehmender Unordnung existieren können. Das liegt daran, dass wir auf den Prozess der Entropie angewiesen sind, um unsere Nahrung in Energie umzuwandeln. In der Folge könnte sich die Zeit eines Tages rückwärts bewegen. Wir werden jedoch nicht dabei sein, um es zu sehen.

Die vier grundlegenden Kräfte

Die Schwerkraft ist eine der fundamentalen Kräfte des Universums. Hawking beschreibt jedoch drei weitere fundamentale Kräfte des Universums. 

Elektromagnetische Kraft

Elektromagnetische Kräfte können an allen Teilchen mit elektrischen Ladungen beobachtet werden. Dazu gehören Elektronen und Quarks. Außerdem verursachen diese Kräfte Ereignisse wie das Anhaften eines Magneten an einem Kühlschrank. Diese Kräfte können anziehend oder abstoßend sein. Anziehung findet zwischen positiv und negativ geladenen Teilchen statt. Umgekehrt kommt es zur Abstoßung, wenn sich zwei gleich geladene Teilchen treffen. Hawking betont, dass diese Kraft viel stärker ist als die Schwerkraft und selbst auf die kleinsten Atome wirkt.

Schwache Kernkraft

Die schwache Kernkraft wirkt auf alle Teilchen, aus denen die Materie besteht. Diese Kraft wird als schwach bezeichnet, da sie nur über kurze Entfernungen wirken kann. Kernkräfte erzeugen Radioaktivität. Bei höheren Energien nimmt die Stärke der schwachen Kernkraft zu, bis sie mit der elektromagnetischen Kraft gleichzieht.

Starke Kernkraft

Diese Kernkraft kann Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms binden. Ebenso kann sie kleine Quarks innerhalb von Protonen und Neutronen binden. Die starke Kernkraft unterscheidet sich von der schwachen, da sie bei höheren Energien schwächer wird. 

Große Vereinigungsenergie

Es gibt einen Zustand hoher Energie, die große Vereinigungsenergie. Dieser Zustand tritt ein, wenn alle drei Kräfte die gleiche Stärke erreichen. Dabei werden sie zu verschiedenen Aspekten einer einzigen Kraft. Hawking vermutet, dass diese einheitliche Kraft bei der Entstehung unseres Universums eine wichtige Rolle gespielt haben könnte. 

Wie kam es zum Urknall?

Die Wissenschaftler sind sich fast alle einig, dass der Urknall stattgefunden hat. Allerdings sind sich viele Wissenschaftler nicht einig, wie der Urknall zustande kam. Es gibt jedoch zwei prominente Theorien, wie der Urknall stattgefunden haben könnte.

Das Modell des heißen Urknalls

• Das Universum begann mit einer Größe von Null und war unendlich heiß und dicht.
• Der Urknall führte zu einer Ausdehnung, durch die sich die Temperatur des Universums abkühlte. Der Grund für diese Abkühlung ist, dass sich die Temperatur nun weiter ausbreitet.
• In den ersten Stunden dieser Expansion wurden die meisten der heutigen Elemente des Universums geschaffen.
• Die größeren Körper im Universum begannen aufgrund der Schwerkraft zu rotieren, wodurch Galaxien entstanden.
• Wolken aus Wasserstoff- und Heliumgasen begannen dann innerhalb dieser Galaxien zu kollabieren. Dieser Zusammenbruch, der mit einer Kollision von Atomen einherging, führte zu Kernfusionsreaktionen. Diese Reaktionen waren der Ursprung der Sterne.
• Der Tod und der Kollaps dieser Sterne führte zu gewaltigen Sternexplosionen, die weitere Elemente ins Universum schleuderten. Diese Elemente trugen zur Entstehung weiterer Sterne und Planeten bei.

Das Inflationsmodell

• Die Energie des frühen Universums war so hoch, dass die Stärken der drei oben genannten Kräfte gleich waren.
• Mit der Expansion des Universums entwickelten diese drei Kräfte unterschiedliche Stärken. Dies geschah rasch.
• Durch die Aufspaltung der Kräfte wurde eine enorme Menge an Energie freigesetzt.
• Durch die Freisetzung von Energie entstand ein Antigravitationseffekt.
• Der Antigravitationseffekt führte zu einer noch schnelleren Ausdehnung des Universums.

Abschließendes Zitat

"Wenn es wirklich eine vollständige, einheitliche Theorie gibt, die alles regelt, bestimmt sie vermutlich auch Ihr Handeln. Aber sie tut dies auf eine Art und Weise, die für einen Organismus, der so kompliziert ist wie ein Mensch, unmöglich zu berechnen ist. Der Grund, warum wir sagen, dass Menschen einen freien Willen haben, ist, dass wir nicht vorhersagen können, was sie tun werden."

- Stephen Hawking

Bewertung

StoryShots Bewertung: 4.4/5

Eine kurze Geschichte der Zeit PDF, kostenloses Hörbuch und animierte Buchzusammenfassung

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