Ein genialer, israelischer und religiös observanter Physiker, der den Gegnern seiner Auffassung, allen voran dem Astrophysiker Prof. Stephen Hawking, standhaft entgegentrat und bewies, dass seine Idee zu Schwarzen Löchern richtig und fundiert war.

Entropie, die Zeit und das expandierende Universum

Jacob David Bekenstein schlug in einer Reihe bahnbrechender Arbeiten eine direkte, tiefgreifende und unerwartete Verbindung zwischen der Geometrie des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs und dem Begriff der thermodynamischen Entropie sowie der Informationstheorie vor. Wenn Sie an dieser Stelle nach einer Erklärung auf Hebräisch fragen oder nach einem Fluchtweg suchen, gehören Sie zu den 99,9 % der Weltbevölkerung. Meine Herausforderung ist es, diese rätselhaften Zeilen bis zum Ende des Artikels so verständlich zu machen, dass Sie sagen: „Aha!“

Beginnen wir mit dem Begriff, der uns auf unserem Weg begleiten wird: „Entropie“, oder einfacher gesagt: „natürliches Durcheinander“. In der Natur gibt es ein ungeschriebenes Gesetz: Alles strebt stets nach maximalem Durcheinander. Denken Sie an Ihr Zimmer: Wenn Sie es nicht aktiv aufräumen, wird es völlig unordentlich. In der Physik nennt man dieses Durcheinander Entropie. Wenn das Zimmer völlig unordentlich ist und nicht noch unordentlicher werden kann, hat es den „Höchstgrad des Durcheinanders“ erreicht. Diesen Zustand nennen Wissenschaftler „thermodynamisches Gleichgewicht“.

Der Theorie des „Urknalls“ zufolge begann das Universum in einem dichten, heißen Zustand, in dem sich alle Materie sofort vermischte und schon in der ersten Sekunde des Urknalls den Höchstgrad des Durcheinanders erreichte. Hier entstand das Problem (das Paradoxon): Wenn das Universum bereits im Zustand maximalen Durcheinanders begann, wie konnte es sich dann weiterentwickeln? Schließlich bewegt sich die Zeit nach den Naturgesetzen nur dann vorwärts, wenn das Durcheinander zunimmt. Wenn der Höchstgrad schon am Anfang erreicht war, hätte die Zeit also „stillstehen“ müssen, und es hätte keinerlei Ordnung entstehen dürfen: keine Sterne, keine Galaxien und auch wir nicht.

Die Antwort auf das Paradoxon, die Jacob Bekenstein vorschlug, lautete, dass sich das Universum ausdehnt. Das unordentliche Zimmer, das zu einer riesigen Halle geworden ist, befindet sich nicht mehr im Zustand des „Höchstgrads des Durcheinanders“, denn es ist Raum entstanden, der es der Materie ermöglicht, sich neu zu ordnen und Sterne und ganze Systeme zu bilden. Je weiter das Universum wächst, desto größer wird also auch das Potenzial für Durcheinander. Das ermöglicht dem Universum, sich weiterzuentwickeln, und erzeugt den „Zeitpfeil“: unser klares Gefühl, dass es eine Vergangenheit gibt (in der das Universum kleiner und dichter war) und eine Zukunft (in der es sich weiter ausdehnt). Für uns scheint die Zeit ganz selbstverständlich aus der Vergangenheit in Richtung Zukunft zu verlaufen; wir erinnern uns an die Vergangenheit und sorgen uns um die Zukunft. Bei jener seltsamen Gruppe, den Physikern, ist das anders. Aus ihrer Sicht lässt sich die Zeitrichtung umkehren, und es gibt keinen Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft. Man könnte sagen, dass Jacob Bekensteins Lösung sogar den Physikern ermöglicht, sich über den Faktor Zeit Sorgen zu machen.

Der Ereignishorizont und die Schwarzen Löcher

Jacob beschäftigte sich auch mit einem weiteren Gebiet, in dem es eine klare Zeitrichtung gab: dem Gebiet der Schwarzen Löcher. Ein Schwarzes Loch ist ein Ort im Weltraum, an dem die Anziehungskraft so stark ist, dass nichts entkommen kann, nicht einmal Licht. Stellen Sie sich ein Boot vor, das auf einem Fluss auf einen gewaltigen Wasserfall zutreibt. Je näher es kommt, desto stärker wird die Strömung. Ab einem bestimmten Punkt ist die Strömung selbst dann zu stark, wenn der Motor des Bootes mit voller Kraft läuft, und das Boot wird in die Tiefe gerissen. In einem Schwarzen Loch gibt es einen ähnlichen „Punkt ohne Wiederkehr“. Selbst Licht (das schnellste, was es im Universum gibt) kann von dort nicht entkommen.

Dieser Punkt ohne Wiederkehr heißt „Ereignishorizont“ (Event Horizon). Der Horizont ist jene unsichtbare Linie am Meer, über die wir nicht hinaussehen können, weil die Erde rund ist; Ereignisse sind alles, was geschieht: etwa das Einschalten einer Taschenlampe, die Bewegung eines Raumschiffs oder einfach herabfallende Materie. Der Ereignishorizont ist die Grenze, an der das für uns zugängliche Universum schlicht endet. Dieser Ort erscheint uns völlig dunkel - ein Schwarzes Loch. Solche Löcher entstehen, wenn ein riesiger Stern (viel größer als unsere Sonne) sein Leben beendet und in sich zusammenfällt. Die gesamte Materie des Sterns wird auf einen winzigen Punkt zusammengepresst, und dadurch entsteht diese ungeheure Anziehungskraft. Im Grunde ist es der stärkste Staubsauger des Universums, der von völliger Dunkelheit umgeben ist, weil er nicht einmal Licht nach außen entkommen lässt, das uns verraten könnte, was sich im Inneren befindet. Diese Schwarzen Löcher galten in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu Beginn der siebziger Jahre als völlig einfache und kalte Objekte und wurden sogar „Frozen Stars“ („gefrorene Sterne“) genannt. Die vorherrschende Annahme war, dass Entropie (Unordnung) für diese Gravitationsobjekte keine Bedeutung habe, da drei beobachtbare geometrische Parameter ausreichten, um sie vollständig zu beschreiben.

Zunächst stieß Bekenstein auf den entschiedenen Widerstand der Größen seiner Generation, allen voran des Rockstars unter den Physikern, Stephen Hawking. Doch er bewies, dass Schwarze Löcher einen Zeitpfeil definieren, denn ihre Zukunft liegt in der Richtung, in der die Schwarzen Löcher größer werden.

Bekensteins akademischer Werdegang

Jacob David Bekenstein wurde im Mai 1947 in Mexiko-Stadt geboren. Seine Eltern, Josef und Esther (geb. Wladislawetzky), waren polnisch-jüdische Flüchtlinge, die am Vorabend des Zweiten Weltkriegs aus dem brennenden Europa flohen und in Lateinamerika Zuflucht fanden. Anfang der sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts zog die Familie in die Vereinigten Staaten. Ihre erste Station war Texas, danach zogen sie nach New York, wo Bekenstein eine strenge Ausbildung in den exakten Wissenschaften erhielt. Sein Grundstudium begann Bekenstein am Polytechnic Institute of Brooklyn, und 1969 erwarb er einen Master of Science (M.Sc.) in Physik. Seinen Doktorgrad machte er an der Princeton University unter der Betreuung des berühmten Physikers John Archibald Wheeler, der für seine unkonventionelle Denkweise und die Prägung wissenschaftlicher Begriffe bekannt war, die zum festen Bestandteil des Fachwortschatzes wurden (darunter „Schwarzes Loch“). Wheeler erkannte das Talent des jungen Studenten sofort und lenkte ihn auf die Erforschung der theoretischen Grundlagen extremer Gravitationsphysik. 1972 schloss Bekenstein seine Doktorarbeit über die Entropie Schwarzer Löcher ab und stellte der Welt die drei einflussreichsten Arbeiten vor, die er in dieser Zeit verfasst hatte.

Nach seiner Promotion wechselte Bekenstein an die University of Texas at Austin, wo er von 1972 bis 1974 als Postdoktorand am Center for Relativity tätig war. In diesen Jahren vertiefte er seine Untersuchungen zur Gravitationsphysik und erforschte das Zusammenspiel zwischen Quantenfeldern und gekrümmter Raumzeit. 1974 beschloss Bekenstein aus einem Gefühl nationaler Verbundenheit und tiefen zionistischen Motiven, seinen Traum zu verwirklichen und nach Israel auszuwandern. Er wurde unmittelbar Mitglied des Lehrkörpers der Physikabteilung der Ben-Gurion-Universität im Negev in Be’er Scheva. Seine Einwanderung und seine Arbeit im Negev trugen maßgeblich dazu bei, die Forschung zur allgemeinen Relativitätstheorie und Astrophysik in Israel zu etablieren, zu einer Zeit, als diese Fachgebiete im Land noch in den Anfängen steckten. 1978 wurde er im Alter von nur 31 Jahren zum ordentlichen Professor ernannt. 1983 wurde er Leiter der Abteilung für Astrophysik an der Universität und hatte bis 1990 den renommierten Robert-und-Jean-Arnow-Lehrstuhl für Astrophysik inne.

1990 wechselte Bekenstein an die Hebräische Universität Jerusalem und wurde ordentlicher Professor am Racah-Institut für Physik, wo er sich als herausragende akademische Führungspersönlichkeit etablierte. 1993 wurde er zum Leiter der Abteilung für theoretische Physik an der Universität ernannt; später hatte er den Michael-Polak-Lehrstuhl für theoretische Physik inne. Während seiner Jahre in Jerusalem widmete Bekenstein der Lehre enorme Anstrengungen und wurde bewundert, weil er jedes komplexe Thema verständlich machen und seinen Studierenden zugänglich vermitteln konnte. In den Jahren 2010-2009 war er Gastwissenschaftler am Institute for Advanced Study (IAS) in Princeton, wo er erneut mit führenden theoretischen Physikern der Welt zusammenarbeitete.

Prof. Bekenstein wusste, genau wie Professor Yeshayahu Leibowitz, Wissenschaft und Religion miteinander zu verbinden, und sah keinen Widerspruch zwischen seiner wissenschaftlichen Weltanschauung und seinem Glauben an Gott. Oft wurde er mit den Worten zitiert: „Ich betrachte die Welt als Ergebnis des Wirkens des Heiligen, gelobt sei Er. Er hat ganz bestimmte Gesetze festgelegt, und wir haben große Freude daran, sie in der wissenschaftlichen Arbeit zu entdecken und zu sehen, wie alles miteinander zusammenhängt.“ Jacob war mit Bilha verheiratet; sie hatten drei Kinder: Yehondav, Uria und Rebekka. Alle traten in die Fußstapfen ihres Vaters und schlugen eine wissenschaftliche Laufbahn ein. Sein Sohn Yehondav Bekenstein wurde später Mitglied der Fakultät für Materialwissenschaft und -technik am Technion in Haifa.

Im Sommer 2015 starb Prof. Bekenstein während eines akademischen Besuchs in Helsinki unerwartet an einem Herzinfarkt. Sein Tod hinterließ eine enorme Lücke in der internationalen und israelischen Wissenschaftsgemeinschaft.