John Archibald Wheeler: Magier der Quanten und Schwarzen Löcher

Ich wollte gerade über den Flur, als mir John Archibald Wheeler zum ersten Mal begegnete. Das war 1972 in Princeton. Im der dortigen Jadwin Hall der Universität hatte ich damals öfter zu tun, um zusammen mit einem Italiener, Inder und Brasilianer an Schwarzen Löchern zu arbeiten, eine fabelhafte Gruppe. Ich saß gerade an meiner Doktorarbeit an der University of Maryland, betreut von Charles W. Misner, der noch in den späten 1950ern selbst bei Wheeler promoviert hatte. Das müssen spannende Zeiten gewesen sein: Denn neben dem Professor an der University of Maryland hatten vorher auch Richard Feynmann (Nobelpreis Physik), Hugh Everett (Parallelwelten), Kip S. Thorne, John R. Klauder und viele andere bei Wheeler studiert.

Wheeler auf dem Flur zu treffen war meine Chance! Er fragte mich mit freundlicher Neugier, was ich gerade mache. Ich sagte es ihm, es betraf die Orientierbarkeit von Raumzeiten. Noch ehe wir den Kaffee in die Styroporbecher geschüttet hatten, stellte er mir dazu eine scheinbar einfache Frage, auf die ich aber keine Antwort wusste. Nach einigem Grübeln merkte ich: Wheelers Gegenfrage brachte nicht nur das Problem auf den Punkt – sondern erledigte es auch weit gehend! Ich war momentan etwas verblüfft, sah aber ein: Das ist es genau, was man sich schließlich wünscht – die Klärung des Problems.

Foto: J.A. Wheeler im Jahr 1991.

 

Ein Schwarzes Loch hat keine Haare!

Einige Jahre vorher, 1967, hatte er bereits einen Begriff geprägt, der die Astrophysik bis heute beschäftigt: das „Black Hole“, also das Schwarze Loch. Was vorher eine eher merkwürdige Konsequenz aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie war, wurde durch Wheelers Arbeiten über die Schwerkraftmonster zu einem beinah normalen Gegenstand der astronomischen Forschung. Ich fühlte mich natürlich am Puls der Forschung, als ich mich – sozusagen im intellektuellen Windschatten von Wheeler und Misner – mit diesen exotischen Objekten befassen durfte.

Wheeler prägte dann auch das Theorem "Ein Schwarzes Loch hat keine Haare", ein Eindeutigkeitssatz, der besagt, dass Schwarze Löcher im Grunde sehr einfache Gebilde seien – ausschließlich festgelegt durch Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung. Wheeler, Thorne und Misner ("MTW") arbeiteten damals gerade an ihrem Lehrbuch "Gravitation", das 1973 erschien, ein Wälzer von 1279 Seiten.

Foto: Charles Misner 

Ich hatte als Doktorand die Ehre, einige Übungsbeispiele nachrechnen zu dürfen – und sah zugleich, wie hier Einsteins Gravitationstheorie auf neue Füße gestellt wurde, mit Tensoranalysis in modernem Gewand und neuen Präzisionsexperimenten. Das Dreimänner-Buch sei auch deshalb so dick geworden, lästerten später manche, weil es eigentlich drei Teile hätte – jeder Autor den seinen. Es wurde zum wichtigsten Lehrbuch auf diesem Gebiet. Neben dem zweiten Band des Lehrbuchs von Landau-Lifshitz habe nicht nur ich mein relativistisches Wissen weitgehend aus "MTW" bezogen.

Kollaps an die Grenzen der Physik

Ich hatte zwar schon von ihm gehört, aber erst allmählich dämmerte mir, wer Wheeler wirklich war. Das ging zurück bis vor den Zweiten Weltkrieg, als er den S-Matrix-Formalismus entwickelte, ein Verfahren, um Streuprozesse in der Quantenphysik zu berechnen, bis heute unverzichtbar für jeden Teilchenphysiker.

Wenig später aber traf er sich mit Niels Bohr und Enrico Fermi, und entwickelte mit den beiden Kernphysikern das so genannte Tröpfchenmodell der Kernspaltung. Kein Wunder, dass Wheeler ab 1942 dann auch in Hanford am Manhattan-Projekt zur Entwicklung der amerikanischen Atombombe beteiligt war, das Oppenheimer leitete. In Hanford wurden Kernreaktoren für das Plutonium gebaut, das in der Bombe eingesetzt wurde, die 1945 auf Nagasaki fiel. Nach dem Krieg setzte Wheeler seine Arbeit unter Edward Teller fort, und half im Rahmen des Projekts Matterhorn B die Wasserstoffbombe zu entwickeln.

Erst 1957 kehrte der Theoretiker nach Princeton zurück, um sich fortan der Gravitation und ihrer Verbindung zur Quantenphysik zu widmen. Wheeler wurde auf Arbeiten von Oppenheimer und dessen Student Hartland Snyder aufmerksam. 1939 hatten die beiden vorhergesagt, dass ein ausgebrannter Stern kollabieren würde, bis nicht einmal mehr Licht aus ihm entweichen könne. Der Kollaps schreite fort, bis sich im Zentrum eine so genannte Singularität forme. Wheeler gefiel das nicht. Auf einer Tagung 1958 in Belgien kam es sogar zum Streit mit Oppenheimer. Kollaps sei doch keine akzeptable Antwort! "Er bekämpfte er die Idee, dass die Gesetze der Physik zu einer Singularität führen würden", erinnert sich Charles Misner. Denn wie könne die Physik zu einem Zusammenbruch ihrer selbst führen – ein Widerspruch!

Doch dann ließ Wheeler sich von der Unausweichbarkeit von Kollaps und Schwarzen Löchern überzeugen. Er formulierte das Programm der "Geometrodynamik". Dieses Buch hat mich als Student beeindruckt: Wheeler versuchte, alle Phänomene wie Schwerkraft oder Elektrodynamik allein auf geometrische Eigenschaften der Raumzeit zu reduzieren, atemberaubend kühn. Sogar nur an sich selbst gebundene Gravitationsfelder sollte es darin geben, er nannte sie "Geonen"; und "Masse ohne Masse", alle Materie sei eben auch nur Geometrie.

Mit dem Wurmloch durchs Universum

Geometrodynamik war als mathematische Theorie kühn, doch offenbar nicht von dieser Welt: So ließ sich etwa die Existenz von Fermionen oder Gravitationssingularitäten darin nicht unterbringen. Aber daraus folgten wichtige Ideen, wie "Wurmlöcher" – hypothetische Verbindungen zwischen zwei beliebigen Teilen des Kosmos. Das konnte man sich vorstellen als eine Art Tunnel mit einem Schwarzen Loch auf der einen, und einem Weißem Loch auf der anderen Seite. Science-Fiction-Autoren lieben diese Idee bis heute!

In diesen Jahren reformierte er ein vorher kaum respektables Forschungsgebiet. Mit seinem Studenten Hugh Everett entwickelte er die Vorstellung von der Parallelwelten (siehe das Aprilheft von Spektrum der Wissenschaft, Seite 32), mit dem Quantenphysiker Bryce DeWitt konzipierte er die Wheeler-DeWitt-Gleichung, besser bekannt als die "Wellenfunktion des Universums". Sie versucht, die Entwicklung des Kosmos in einem mathematischen Superraum zu beschreiben.
Immer mehr beschäftigte Wheeler, inzwischen an der University of Texas in Austin, die Konsequenzen aus Heisenbergs Unschärferelation in Beziehung zur Realität des Kosmos. Was kann man über die Realität sagen, was von ihr wissen? Wer die Geschwindigkeit eines Teilchens exakt messen will, zerstört das Wissen über seinen Ort.

Solange man Elementarteilchen nicht beobachtete, existierten sie in einer Art Wolke unendlicher Möglichkeiten. Einstein, der wie Wheeler in Princeton arbeitete, störte sich an dieser Sicht und fragte Wheeler einmal, ob der Mond denn existiere auch wen niemand hinsehe. Wheeler wollte wissen, ob die Unschärferelation für das ganze Universum galt. Erst eine wahrgenommene, beobachtete Realität sei ein physikalische Realität, meinte er und nannte dies das "Partizipatorische Anthropische Prinzip". Erst durch die Beobachtung würde das Universum gewissermaßen erst erschaffen.

Wie der Beobachter erst die Welt erschafft

Ich habe Wheelers frühes Interesse an diesem Thema zufällig miterlebt. 1974 auf einem Symposium der Internationalen Astronomischen Union in Polen präsentierte der englische Relativitätstheoretiker Brandon Carter die Vorstellung des "Anthropischen Prinzips", wonach die Fundamentalkonstanten der Natur extrem eingeschränkt seien, sollte in diesem Kosmos Leben existieren. Auf dem Rückflug von Warschau nach Frankfurt saß ich mit Wheeler zusammen und sprach über diese Vorstellung. Mit einem großen Füllfederhalter schrieb er in sein dickes Notizbuch, und nach dem Aussteigen fotografierte er mich mit einer Polaroidkamera. Offenbar machte er das unterwegs mit vielen Gesprächspartnern.
Wheeler griff dann auch noch in weitere Entwicklung der Quantenphysik ein.

Um die Quantenrealität zu zwingen, sich zwischen Welle und Teilchen zu entscheiden, entwarf er Experimente mit "verzögerter Wahl" (Delayed Choice Experiments): Erst nachdem ein Photon durch einen von zwei Schlitzen es berühmten Doppelspalts geeilt war, entschließt sich der Experimentator, ob er das Teilchen zählen will oder das Licht als Welle auf einem Schirm zur Interferenz bringen will. Physiker wie Anton Zeilinger in Wien oder Alain Aspect in Paris sind mit solchen Experimenten berühmt geworden und habe unsere Vorstellung von der quantenphysikalischen Realität dramatisch verändert.

Ich habe Wheeler in vielen Vorträgen erlebt. Er malte viele Bilder, stets etwas kryptisch und metaphorisch, für Theoretikervorträge wenige Formeln. Am Schluss war ich stets beeindruckt und fühlte mich von Rätseln umgeben. Das war John Archibald Wheeler eben auch: ein Magier der Theoretischen Physik. Im letzten Oktober starb seine Frau Janette im Alter von 99 Jahren, am 13. April folgte er ihr nach, 96 Jahre alt.

Allen Interessierten empfehle ich seine Autobiographie: "Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics" von 1998 (Norton & Co, New York).

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