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Die Wissenschaft der schwarzen Löcher

Der Physiknobelpreis 2020 wurde für wissenschaftliche Entdeckungen rund um schwarze Löcher vergeben – eine Einordnung des TU-Physikers Herbert Balasin.

Sir Roger Penrose

Sir Roger Penrose

Ill. Niklas Elmehed. © Nobel Media.

Ill. Niklas Elmehed. © Nobel Media.

Der diesjährige Nobelpreis für Physik steht ganz im Zeichen schwarzer Löcher: Eine Hälfte geht an den berühmten britischen Physiker Sir Roger Penrose, die andere Hälfte an Reinhard Genzel und Andrea Ghez für die Entdeckung eines supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie.

Auch an der TU Wien wird an schwarzen Löchern geforscht – unter anderem vom Gravitationsphysiker Herbert Balasin vom Institut für Theoretische Physik. Er verfolgt die Arbeit von Roger Penrose bereits seit vielen Jahren und ordnet sie hier kurz ein:

Theorie, die mit dem Experiment zusammenspielt

„Roger Penrose hat sich um die mathematische Struktur der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie besonders verdient gemacht: Die Vergabe des Nobelpreises ist ein wunderschönes Beispiel für das Zusammenspiel von Experiment und Theorie.

Penrose gelang es, ganz im Gegensatz zur damalig vorherrschenden Meinung, welche schwarze Löcher als Artefakt hoher Symmetrie der Raumzeit ansah, deren Generizität nachzuweisen. Die sein ganzes Schaffen prägende Innovativität ließ ihn topologische Methoden auf die allgemeine Relativitätstheorie anwenden. Der dabei geprägte Begriff der “gefangenen Fläche” (im Englischen “trapped surface”) gestattete es ohne Verwendung von Symmetrieannahmen die Existenz von Singularitäten nachzuweisen. Damit wurden schwarze Löcher von mathematischen Ausnahmefällen zu durchaus häufig vorkommenden Lösungen “befördert”.

Roger Penrose ist einer der innovativsten Relativisten. So gelang es ihm, durch Analyse von Lichtstrahlen, die von einem Punkt emanieren, die vierdimensionale Raum-Zeit mit der Hermann Minkowski 1908 Einsteins Relativitätstheorie geometrisierte auf einen einfacheren, zweidimensionalen Raum rückzuführen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in einer zweibändigen Monographie „Spinoren und Raumzeit“, welche er mit dem jüngst verstorbenen, österreichischen Relativisten Wolgang Rindler herausgab, niedergelegt. Durch Einführung asymptotischer Ränder für Raumzeiten wurden einfache Einblicke in die Kausalstruktur von Lösungen der allgemeinen Relativitätstheorie ermöglicht.  Um nur einige der auf ihn zurückgehenden Konzepte zu nennen.

Den quasi spielerischen Zugang mit dem Roger Penrose seine Konzepte findet, kann man an dem Begriff der Penrose-tilings erahnen – das sind sich nichtperiodisch, aber dennoch die Ebene lückenlos überdeckende „Kachelungen“, die in der Festkörperphysik eine Rolle spielen. In dieser Hinsicht wurde wohl einer der genialsten und intuivsten Physiker verdienterweise mit dem prestigeträchtigsten Wissenschftspreis ausgezeichnet. Congratulations Roger!

Abschließend möchte ich noch eine kleine Verbindung zur TU-Wien anmerken. Am Institut für Theoretische Physik werden Konzepte wie 2-Spinoren und Schwarze Löcher in Vorlesungen von Kollegen Grumiller und meiner Wenigkeit behandelt, was die ungemeine Fruchtbarkeit und Kreativität von Penroses Schaffens unter Beweis stellen soll.“

Herbert Balasin, 
Institut für Theoretische Physik,
TU Wien