„Oppenheimer“ räumt bei den Oscars ab! Außerhalb des Films ist er nicht nur der Vater der Atombombe

Oppenheimer, der „Vater der Atombombe“, ist eine umstrittene Berühmtheit. Der Film „Oppenheimer“ machte ihn 56 Jahre nach seinem Tod erneut zu einem der heißesten Themen der Weltöffentlichkeit. Aufgrund seiner komplexen Erfahrung und Persönlichkeit übersehen die meisten Menschen seine wichtigen Beiträge auf dem Gebiet der Physik. Dieser Artikel stellt einige der repräsentativen und wichtigen Errungenschaften Oppenheimers vor, um den Menschen ein tieferes Verständnis seiner Beiträge zur Physik und Astronomie zu vermitteln.

Geschrieben von | Wang Shanqin

J. Robert Oppenheimer (1904–1967) war eine umstrittene Persönlichkeit. Er erlangte große Berühmtheit und wurde als „Vater der Atombombe“ anerkannt, weil er eine Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren anführte, die die erste Atombombe der Welt entwickelten und erfolgreich zündeten („Manhattan-Projekt“). Er wurde vom Militär und der Regierung unterdrückt, weil er sich nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs gegen die Produktion von Wasserstoffbomben in den USA aussprach. Zudem wurde er wegen seiner früheren engen Beziehungen zu linken Persönlichkeiten zensiert und wurde so zu einer tragischen Figur.

Oppenheimers Ausweisfoto während seiner Zeit als Leiter des Manhattan-Projekts. Seine Ausweisnummer war K6. Bildnachweis: Los Alamos National Laboratory

Er pflegte enge Kontakte und arbeitete mit vielen seiner wissenschaftlichen Kollegen zusammen, wurde jedoch auch moralisch kritisiert, weil er sich in die Ehen von mindestens zwei seiner Mitarbeiter einmischte. Manche Leute halten ihn für ein Genie, andere für einen Angeber und wieder andere für einen Playboy, der gerne Frauen aufreißt.

Aufgrund der komplexen Persönlichkeit und Erfahrung Oppenheimers ignorieren die meisten Menschen seine Identität als Physiker und damit auch seine wichtigen Beiträge zur Physik und Astronomie. Dieser Artikel stellt einige der repräsentativen und wichtigen Errungenschaften Oppenheimers vor, um den Menschen ein tieferes Verständnis seiner Beiträge zur Physik und Astronomie zu vermitteln.

Frühe Lernerfahrung

Oppenheimer wurde am 22. April 1904 in eine jüdische Familie in New York City geboren. Seine Mutter, Ella Oppenheimer (1869–1931), war Malerin; Sein Vater war Julius Seligmann Oppenheimer (1871–1937), ein wohlhabender Textilimporteur.

Oppenheimers Vater und Mutter. Bildquelle: Public Domain

Im Jahr 1921 schloss Oppenheimer die High School ab, unterbrach die Schule jedoch ein Jahr wegen einer Kolitis. Im Jahr 1922 begann Oppenheimer sein Chemiestudium an der Harvard University. Im Jahr 1925 schloss er sein Bachelor-Studium an der Harvard University mit Auszeichnung ab.

Oppenheimers Talent könnte teilweise genetisch bedingt sein. Obwohl sein Vater nie aufs College gegangen ist, ist er sehr fähig. Sein jüngerer Bruder, Frank Oppenheimer (1912–1985), wurde später ebenfalls Physiker, studierte Kernphysik und arbeitete im Manhattan-Projekt an der Urananreicherung.

1924 wurde Oppenheimer an der Universität Cambridge zugelassen. Ursprünglich wollte er dem berühmten Meister der Experimentalphysik Ernest Rutherford (1871–1937) folgen, doch sein Universitätsdozent hatte in seinem Empfehlungsschreiben erklärt, dass er gut in der Theorie, aber schwach im Experiment sei. Rutherford las diesen „umgekehrten Empfehlungsbrief“ und verlor natürlich das Interesse an ihm. Nach seinem Abschluss an der Harvard University ging er jedoch trotzdem an die Cambridge University.

Vielleicht nach einigem Verhandeln nahm Rutherfords damaliger Mentor Joseph John Thomson (1856-1940) ihn unter der Bedingung auf, dass Oppenheimer einen grundlegenden experimentellen Kurs absolvierte. Diese Bitte hätte Oppenheimer beinahe zum Abschied gezwungen. Er litt unter mangelnden experimentellen Fähigkeiten und Heimweh und seine Beziehung zum Kursleiter Patrick Blackett (1897–1974) verschlechterte sich zusehends.

Einmal legte Oppenheimer einen vergifteten Apfel auf Blacketts Schreibtisch, um ihn zu vergiften. Zum Glück hat Blackett es nicht gegessen.

Im Film „Oppenheimer“ rennt der reumütige Oppenheimer ins Labor und sieht zufällig, wie Niels Bohr (1885–1962), der das Labor besuchte, einen vergifteten Apfel aufhebt und versucht, ihn zu essen. Oppenheimer schnappte ihn sich und warf ihn in den Mülleimer mit der Begründung, der Apfel sei von Insekten befallen. Diese Handlung dürfte fiktiv sein, denn einen solchen Zufall gibt es vermutlich nur in Filmen, Fernsehsendungen und Romanen.

Tatsächlich wäre Oppenheimer wegen des Versuchs, seinen Mentor zu vergiften, beinahe ins Gefängnis gekommen. Oppenheimers Eltern baten die Universität Cambridge, keine Strafanzeige zu erstatten oder ihn auszuschließen. Oppenheimer wurde schließlich zu einer Bewährungsstrafe verurteilt und musste sich regelmäßig zu einer psychologischen Behandlung bei einem Psychiater in London aufhalten. Hätte er den vergifteten Apfel tatsächlich genommen und weggeworfen, hätte niemand davon erfahren und er wäre nicht beinahe ins Gefängnis gekommen.

Blackett, der der Katastrophe entkam, erhielt 1948 den Nobelpreis für Physik für seine Leistungen in der Experimentalphysik.

Molekulares Kontinuum, Molekulardynamik und chemische Bindungen

Nachdem Oppenheimer ein Jahr lang in den Labors der Universität Cambridge gelitten hatte, ging er 1926 an die Universität Göttingen, damals eines der Zentren der Physik weltweit, um bei dem Meister der Quantenmechanik, Max Born (1882-1970), zu studieren. Ein Jahr zuvor hatte Werner Heisenberg (1901–1976) die Matrixform der Quantenmechanik etabliert, und die Quantenmechanik war geboren. Born und Pascual Jordan (1902–1980) vollendeten dieses epochale Werk noch im selben Jahr zusammen mit Heisenberg.

Oppenheimer hatte eine tolle Zeit an der Universität Göttingen. Im Jahr 1926 vollendete Oppenheimer die Quantentheorie des molekularen Kontinuums. Er entwickelte eine Methode zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit von Elektronenübergängen und verwendete sie zur Berechnung des photoelektrischen Effekts von Wasserstoff und Röntgenstrahlen und ermittelte den Absorptionskoeffizienten der K-Kante. Seine Berechnungen stimmten mit Beobachtungen der Röntgenabsorption durch die Sonne überein, nicht jedoch mit Beobachtungen der Röntgenabsorption durch Helium im Labor. Viele Jahre später wurde bestätigt, dass die Sonne hauptsächlich aus Wasserstoff besteht und seine Berechnungen korrekt waren.

Im März 1927 bestand der 23-jährige Oppenheimer seine Doktorarbeit und erhielt seinen Doktortitel. Zu diesem Zeitpunkt war sein Universitätsabschluss noch nicht einmal zwei Jahre her und der Beginn seines Doktoratsstudiums erst ein Jahr.

Vorsitzender des Verteidigungsausschusses war James Franck (1882–1964), der durch die Durchführung des Franck-Hertz-Experiments zusammen mit Gustav Hertz (1887–1975) berühmt wurde, mit dem Bohrs Energieniveautheorie des Wasserstoffatoms bewiesen wurde. Dafür erhielten die beiden 1925 den Nobelpreis für Physik. Der hier genannte Hertz ist der Sohn des jüngeren Bruders von Heinrich Hertz (1857–1894), der die Theorie der elektromagnetischen Wellen verifizierte.

Nach der Verteidigung sagte Frank: „Ich bin froh, dass die Verteidigung vorbei ist. Er war derjenige, der mir Fragen gestellt hat.“ (Normalerweise stellen die Mitglieder des Prüfungsausschusses den Studenten Fragen, um ihre wahren Fähigkeiten zu testen.)

Im Jahr 1927 veröffentlichten Oppenheimer und Born eine wichtige Arbeit zur Erforschung der Molekulardynamik. (Dieser Aufsatz wurde im August desselben Jahres von der Zeitschrift angenommen, also nach der Promotion eingereicht. Oppenheimer hätte bei dieser Forschung jedoch schon vor der Promotion mit Born zusammenarbeiten sollen.) In diesem Aufsatz wird die Bewegung der Atomkerne in Molekülen von der Bewegung der Elektronen getrennt, wobei die Bewegung der Kerne außer Acht gelassen wird, sodass die dynamischen Eigenschaften der Moleküle mit quantenmechanischen Methoden berechnet werden können. Dieses Näherungsverfahren wird als Born-Oppenheimer-Näherung bezeichnet und ist eine der wichtigsten Grundlagen der Quantenchemie und der Molekülphysik.

Im Film „Oppenheimer“ lobte Heisenberg bei seinem ersten Treffen Oppenheimers Arbeit über Moleküle und verwies dabei auf die Born-Oppenheimer-Näherung. Obwohl Heisenberg nur drei Jahre älter als Oppenheimer war, wurde er zu einer der führenden Persönlichkeiten der damaligen Physik, da er die Quantenmechanik begründet hatte. Im Vergleich dazu war Oppenheimer damals noch relativ jung. Es ist vernünftig, dass Heisenberg Oppenheimer im Ton eines akademischen Ältesten lobt.

Während seines Aufenthalts in Europa veröffentlichte Oppenheimer mehr als ein Dutzend Artikel. Mit diesen hochwertigen Arbeiten gewann er im September 1927 mühelos das vom California Institute of Technology (Caltech) angebotene National Research Council Fellowship der Vereinigten Staaten.

Während seiner Zeit am Caltech entwickelte Oppenheimer eine enge Freundschaft mit Linus Pauling (1901-1994). Sie arbeiteten gemeinsam an der Erforschung der Natur chemischer Bindungen, wobei Oppenheimer die mathematischen Berechnungen durchführte und Pauling die Ergebnisse interpretierte. Ihre Freundschaft endete jedoch bald, weil Oppenheimer begann, mit Paulings Frau auszugehen. Pauling gewann 1954 den Nobelpreis für Chemie und 1962 den Friedenspreis und war damit einer der zweifachen Nobelpreisträger.

Im Herbst 1928 besuchte Oppenheimer die Universität Leiden in den Niederlanden und hielt einen Vortrag in der Sprache Niederländisch, die er gerade gelernt hatte. Während dieser Zeit erhielt er den Spitznamen Opje, den seine Schüler später ins Englische als Oppie übersetzten. Im Film „Oppenheimer“ stammen daher der Name „Oppie“ der Freunde und das kollektive Rufen „Oppie, Oppie, Oppie …“ der Schüler.

Positronentheorie

Nach seiner Rückkehr nach China wurde Oppenheimer als außerordentlicher Professor in der Fakultät für Physik der University of California, Berkeley (UCB) eingestellt und vom Caltech eingeladen, dort in Teilzeit zu arbeiten.

Im Jahr 1928 kombinierte Paul Dirac (1902-1984) die Quantenmechanik mit der Relativitätstheorie und begründete damit die relativistische Quantenmechanik. Dirac entdeckte, dass diese Gleichung neben einer Lösung mit positiver Energie, die ein Elektron beschreibt, auch zu einer Lösung mit negativer Energie führt, die seiner Ansicht nach ein Proton darstellt.

Im Jahr 1930 veröffentlichte Oppenheimer eine Abhandlung mit dem Titel „Anmerkung zur Theorie der Wechselwirkung von Feld und Materie“, in der er Diracs Ansichten widersprach. Er glaubte, dass die Masse des Teilchens, das der Lösung mit negativer Energie entspricht, der Masse des Elektrons entsprechen sollte, die Masse des Protons jedoch viel größer ist als die des Elektrons, sodass die Lösung mit negativer Energie kein Proton sein kann. Wenn die Lösung mit negativer Energie ein Proton ist, wird sich das Wasserstoffatom schnell selbst zerstören. Der berühmte mathematische Physiker Hermann Weyl (1885–1955) schlug 1931 außerdem vor, dass die Masse des Teilchens, das der Lösung mit negativer Energie entspricht, gleich der Masse des Elektrons sein sollte.

Angetrieben von Oppenheimer und Weyl schlug Dirac 1931 vor, dass die Lösung mit negativer Energie ein unentdecktes Teilchen darstellt, dessen Masse der des Elektrons entspricht und dessen Ladung der des Elektrons entgegengesetzt, also positiv geladen ist. Dies ist das Positron. Tatsächlich sagte Oppenheimers Arbeit aus dem Jahr 1930 im Wesentlichen die Existenz des Positrons voraus.

Im Jahr 1936 entdeckte Carl David Anderson (1905–1991) Positronen in der kosmischen Strahlung. Damit wurden erstmals Antiteilchen von Menschen entdeckt. Anderson erhielt hierfür 1936 den Nobelpreis für Physik.

Lamb-Shift und Quantenelektrodynamik

Gemäß der Dirac-Gleichung haben die beiden Energieniveaus 2S1/2 und 2P1/2 des Wasserstoffatoms die gleiche Energie („entartet“). Im Jahr 1931 veröffentlichten Oppenheimer und sein Student Harvey Hall eine Arbeit mit dem Titel „Relativistische Theorie des photoelektrischen Effekts“, in der sie darauf hinwiesen, dass die beiden Energieniveaus tatsächlich unterschiedliche Energien haben. Hall promovierte 1931 und war Oppenheimers erster Doktorand.

Im Jahr 1947 verwendeten ein weiterer Doktorand von Oppenheimer, Willis Lamb (1913–2008, der 1938 unter Oppenheimers Anleitung promoviert hatte) und Robert Retherford (1912–1981, Lambs Doktorand, nicht der oben erwähnte Rutherford) Mikrowellentechnologie, um den Energieunterschied zwischen den beiden Energieniveaus experimentell zu messen. Dieser Unterschied wurde daher als „Lamb-Shift“ bezeichnet. Für seine Entdeckung der Lamb-Verschiebung erhielt Lamb 1955 den Nobelpreis für Physik.

Im selben Jahr, in dem die Lamb-Verschiebung entdeckt wurde, erklärte Hans Bethe (1906–2005) erstmals den Mechanismus der Lamb-Verschiebung und legte damit den Grundstein für die Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED). Bethe verfügte über fundierte Kenntnisse in Kernphysik; Er leistete Pionierarbeit bei der Forschung zu Kernreaktionen im Inneren von Sternen, entwickelte sich zu einer Autorität auf dem Gebiet der Nuklearastrophysik und erhielt 1967 den Nobelpreis für Physik.

Bethe beteiligte sich während des Zweiten Weltkriegs auch am Manhattan-Projekt und fungierte als Leiter der theoretischen Gruppe. Er war maßgeblich an der Berechnung der „kritischen Masse“ der Atombombe und der Entwicklung der „Implosionsmethode“ beteiligt. Im Film „Oppenheimer“ spielt Bethe eine sehr wichtige Rolle. Die in Filmen häufig vorkommenden Fragmente, die den Kern umgeben, sind das, was bei der Implosionsmethode benötigt wird. (Nach der Explosion dieser Fragmente entsteht ein extrem gleichmäßiger Druck in Richtung Zentrum. Durch die starke Kompression wird die kritische Masse des Kerns des radioaktiven Materials unter die Kernmasse reduziert, wodurch eine Kettenreaktion ausgelöst wird und es zur erfolgreichen Explosion kommt.)

Beth. Bildnachweis: Los Alamos National Laboratory

Auch Julian Schwinger (1918–1994), der später zu einem der Meister der QED wurde, hatte Verbindungen zu Oppenheimer. Nach seiner Promotion Im Alter von 21 Jahren arbeitete er von 1939 bis 1941 als Postdoktorand unter Oppenheimer an der UCB und erhielt 1965 den Nobelpreis für Physik für seine Beiträge auf dem Gebiet der QED. Möglicherweise wurde er während seiner Arbeit bei UCB in gewissem Maße von Oppenheimer beeinflusst.

Es heißt, dass Oppenheimer es liebte, sich mit seinen Postdoktoranden oder Doktoranden zusammenzusetzen und ihnen alle möglichen Fragen zu stellen, als sie ihm als Lehrassistenten zur Seite standen. Oppenheimer tat dies weiterhin, als Schwinger sein Assistent war; Schwinger half Oppenheimer jedoch mit seinen schnellen und perfekten Antworten schnell dabei, diese Angewohnheit loszuwerden (es ist nicht bekannt, ob Oppenheimer diese Angewohnheit wieder aufnahm, nachdem Schwinger gegangen war).

Schwinger war ein Lieblingsschüler von Rabi (Isidor Rabi, 1898–1988), der ein guter Freund von Oppenheimer war und eine wichtige Rolle im Film „Oppenheimer“ spielte.

Oppenheimer-Phillips-Verfahren

Während seiner Zeit an der UCB pflegte Oppenheimer eine enge Beziehung zum Meister der Experimentalphysik, Ernest Lawrence (1901–1958). Lawrence spielte auch eine Hauptrolle im Film Oppenheimer.

Lawrence erfand das erste Zyklotron der Welt und gründete das Strahlungslabor an der UCB. Aus diesem Labor wurde später das Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Oppenheimer lieferte theoretische Erklärungen für die von Lawrences Team erhaltenen experimentellen Daten.

Der Stadtpendlerbus von LBNL. Bildquelle: Foto vom Autor in der Innenstadt von Berkeley aufgenommen

Im Jahr 1935 verwendeten Edwin McMillan (1907–1991), Lawrence und Robert Thornton ein Zyklotron, um einen Deuteronenstrahl zu beschleunigen und Zielkerne zu bombardieren. Der Deuteriumkern besteht aus einem Proton und einem Neutron. Wenn das Deuteron den Zielkern bombardiert, werden die darin enthaltenen Protonen aufgrund der Abstoßungskraft der Protonen im Zielkern relativ weit wegbewegt, wodurch die Neutronen auf das Ziel gerichtet werden. Wenn die Deuteronengeschwindigkeit hoch ist, verschmelzen die darin enthaltenen Neutronen mit schwereren Zielkernen und die verbleibenden Protonen entweichen.

McMillan und andere stellten fest, dass die Ergebnisse mit der Theorie von George Gamow (1904–1968) übereinstimmten, wenn die Deuteronenenergie niedrig oder der Zielkern leichter war. Wenn die Deuteronenenergie höher oder der Zielkern schwerer war, war die Fähigkeit zur Kernwechselwirkung geringer als in Gamows Theorie vorhergesagt. (MacMillan nahm später am Manhattan-Projekt teil und erhielt 1951 den Nobelpreis für Chemie für seine wichtigen Beiträge zur Kernphysik und Chemie. Sein Mentor während seines Studiums war Pauling.)

McMillan (links) und Lawrence (rechts). Bildquelle: ENERGY.GOV

Im Jahr 1935 veröffentlichten Oppenheimer und eine seiner ersten Doktorandinnen, Melba Phillips (1907–2004, promovierte 1933), eine Arbeit mit dem Titel „Note on the transmutation function for deuterons“, in der sie eine Theorie zur Erklärung dieses Ergebnisses vorschlugen. Diese Theorie verwendet die adiabatische Näherung, die davon ausgeht, dass während der Kollision kein Wärmeverlust im gesamten System auftritt. Diese Theorie wurde als Oppenheimer-Phillips-Prozess bekannt, eine wichtige Entwicklung in der frühen Kernphysik, die noch heute verwendet wird.

Die ultimative Masse eines Neutronensterns

Im Jahr 1936 wurde Oppenheimer im Alter von 32 Jahren ordentlicher Professor. Etwa zu dieser Zeit begann er sich für Astrophysik zu interessieren.

Im Jahr 1938 veröffentlichten Oppenheimer und sein Postdoktorand Robert Serber (1909–1997) das Buch „On the Stability of Stellar Neutron Cores“, in dem sie die Obergrenze der Masse eines stabilen Neutronenkerns untersuchten.

Im Jahr 1939 veröffentlichten Oppenheimer und sein Student George Volkoff (1914–2000) „On Massive Neutron Cores“, was einen weiteren Beweis dafür lieferte, dass es eine Grenze für die Masse von Neutronensternen gibt. jenseits dieser Grenze kann der Neutronenstern nicht mehr stabil bleiben, sondern schrumpft ungehindert unter dem Einfluss der Schwerkraft.

Da diese Arbeit auf den Arbeiten von Richard Tolman (1881-1948) aus den Jahren 1934 und 1939 basierte, wird diese Grenze als „Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze“ oder kurz TOV-Grenze bezeichnet.

In der Arbeit von Oppenheimer und Volkoff wurde nur der Entartungsdruck zwischen Neutronen berücksichtigt, weshalb man zu einem TOV-Grenzwert von lediglich 0,7 Sonnenmassen gelangte. Die starke Wechselwirkung zwischen thermischem Druck und Neutronen wurde jedoch vernachlässigt. Spätere Studien berücksichtigten diese Faktoren und kamen zu TOV-Grenzwerten zwischen 1,5 und 3 Sonnen.

Die Zustandsgleichung extrem dichter Materie ist sehr komplex, daher wurde der genaue Wert der TOV-Grenze nicht bestimmt; Mittlerweile kann man davon ausgehen, dass dieser Wert über dem von zwei Sonnen liegen kann, da Beobachtungen derart schwere Neutronensterne bestätigt haben. Untersuchungen zum Ereignis der Neutronenstern-Verschmelzung GW170817 zeigen, dass die TOV-Grenze von Neutronensternen 2,17 Sonnen überschreiten kann.

Obwohl Oppenheimer und Tolman gute Freunde waren und seine Arbeit von Tolmans Arbeit beeinflusst war, mischte er sich später in Tolmans Ehe ein. Er lernte Tolmans Frau, Ruth Tolman (1893–1957), im Jahr 1928 kennen (Ruth heiratete Tolman 1924) und die beiden wurden zunächst Freunde und nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs ein Liebespaar. Tolman war einer von Paulings zwei Mentoren während seines Doktoratsstudiums. Es ist erstaunlich, dass er sich tatsächlich in die Ehen des Meisters und seines Schülers nacheinander einmischte.

Diese Beziehung hielt jedoch nicht lange, da Oppenheimer das Caltech bald verließ und 1947 die Leitung des Institute for Advanced Study (IAS) in Princeton übernahm. 1948 starb Tolman an einem Herzinfarkt und Oppenheimer und Ruth führten weiterhin eine Beziehung mit Unterbrechungen. Im Film „Oppenheimer“ widerlegte Oppenheimer das damit zusammenhängende Gerücht, „Tolman sei an gebrochenem Herzen gestorben“.

Schwarze Löcher: die fortgesetzte Kontraktion massereicher Objekte

Ende 1915 begründete Einstein die allgemeine Relativitätstheorie. Bald darauf erhielt Karl Schwarzschild (1873–1916) einen Ausdruck für die Metrik (Quadrat der infinitesimalen Entfernung) der Raumzeit in der Nähe eines kugelsymmetrischen stationären Himmelskörpers, nämlich die „Schwarzschild-Metrik“.

Der Ausdruck für die Schwarzschild-Metrik wird an zwei Stellen unendlich, einmal dort, wo der Radius Null ist, und einmal dort, wo der Radius gleich 2GM/c2 ist. Letzterer wird als „Schwarzschildradius“, „Gravitationsradius“ oder „Ereignishorizont“ eines kugelsymmetrischen, ruhenden, ungeladenen Himmelskörpers bezeichnet. Die Unendlichkeit kann hier durch die Verwendung anderer Koordinaten eliminiert werden. Allerdings lässt sich die Unendlichkeit beim Radius Null nicht eliminieren. Wenn Materie bis zu diesem Punkt konzentriert ist, ist ihre Dichte unendlich, was die „Singularität“ darstellt. (Um die Sprache der später entwickelten Raum-Zeit-Geometrie zu verwenden: Die Geodäte bricht an der Singularität.)

Schematische Darstellung eines kugelsymmetrischen stationären ungeladenen Schwarzen Lochs (Schwarzschild-Schwarzes Loch). Der rote Punkt in der Mitte des Bildes ist die Singularität, wo die Dichte unendlich ist; Die Grenze ist der Ereignishorizont und die Entfernung vom Ereignishorizont zum Zentrum ist der Schwarzschildradius. Quelle: Sandstorm

Im Jahr 1939 veröffentlichte Albert Einstein (1879–1955) die Abhandlung „Über ein stationäres kugelsymmetrisches System aus vielen gravitierenden Massen“, in der er mithilfe der allgemeinen Relativitätstheorie bewies, dass keine schwarzen Löcher entstehen können.

Im selben Jahr untersuchten Oppenheimer und sein Doktorand Hartland Snyder (1913–1962) mithilfe der allgemeinen Relativitätstheorie die Kontraktion von Sternen, deren Masse die TOV-Grenze überschritt, basierend auf der jüngsten Arbeit von Oppenheimer und Volkoff, und veröffentlichten am 1. September die Arbeit „On Continuing Gravitational Contraction“.

In dieser Arbeit bewiesen Oppenheimer und Snyder, dass ein Stern mit ausreichender Masse, nachdem er seinen Kernbrennstoff aufgebraucht hat, unter seiner eigenen Schwerkraft weiter schrumpft und bis auf den Schwarzschildradius schrumpft.

Am und innerhalb des Schwarzschildradius kann nicht einmal Licht entweichen, sodass der gesamte Himmelskörper dunkel wird. Solche Himmelskörper wurden später „Schwarze Löcher“ genannt. Tatsächlich war diese Arbeit von Oppenheimer und Snyder die erste, die die Entstehung Schwarzer Löcher im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie explizit vorschlug.

In dieser Arbeit wiesen Oppenheimer und Snyder auch sehr konkret darauf hin: Wenn der Stern schrumpft, wird die Gravitationsintensität auf seiner Oberfläche immer stärker, die Gravitationsrotverschiebung des Sternenlichts wird immer bedeutender und das von entfernten Beobachtern erfasste Sternenlicht wird immer röter und wird allmählich zu langwelliger Strahlung; die Zeit, die entfernte Beobachter benötigen, um zu sehen, wie der Stern auf den Schwarzschildradius schrumpft, wird unendlich, sodass dieses Ergebnis nie sichtbar wird; Beobachter, die mit der Schrumpfung der Sternoberfläche fallen („mitbewegte Beobachter“), spüren jedoch immer noch den Lauf der Zeit (Anmerkung des Autors: vorausgesetzt, sie werden nicht durch Gezeitenkräfte auseinandergerissen oder getötet), und es dauert nur etwa einen Tag, bis sie spüren, wie sie auf den Schwarzschild-Radius fallen. Diese Schlussfolgerungen sind auch heute noch relevant.

Ein imaginäres Bild eines Astronauten, der den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs von außen nach innen durchquert (bei einem kugelsymmetrischen, stationären, ungeladenen Schwarzen Loch entspricht der Ereignishorizont dem Schwarzschildradius). Ein Beobachter aus der Ferne kann nicht sehen, wie er den Ereignishorizont erreicht, aber er selbst kann sehen, wie er sich dem Ereignishorizont nähert und ihn durchquert. Bildnachweis: Roen Kelly

In der Arbeit von Oppenheimer und Snyder wurde Einsteins vor einigen Monaten veröffentlichte Arbeit nicht erwähnt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sie Einsteins Arbeit damals noch nicht gesehen hatten und es für sie weder angemessen noch unnötig hielten, Einsteins Aussagen direkt zu widerlegen.

Einstein und Oppenheimer, 1950. Bildquelle: US-Regierung. Agentur zur Reduzierung von Verteidigungsbedrohungen

Der Film „Oppenheimer“ zeigt Oppenheimer und andere, wie sie die Veröffentlichung dieses Artikels feiern. Der Film verwendet die Worte der Charaktere, um zu sagen, dass die Nachricht von Hitlers Kriegsbeginn die Zeitung in den Schatten stellte. Selbst wenn dieses bedeutende Ereignis nicht im Rampenlicht gestanden hätte, hätte dieser Artikel in der gesamten damaligen akademischen Gemeinschaft keine großen Wellen geschlagen, da sich die Physikergemeinde damals im Allgemeinen mit Themen der Quantenmechanik beschäftigte und die allgemeine Relativitätstheorie damals ein unbeliebtes Forschungsgebiet war.

Hinzu kommt, dass die Schlussfolgerungen aus Oppenheimers und Snyders Arbeit von den damaligen Wissenschaftlern der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht anerkannt wurden. Ich fürchte, selbst Oppenheimer wäre darüber nicht sehr glücklich, da er nie wieder auf diesem Gebiet geforscht hat.

Erst Jahrzehnte später stellten Astronomen durch Beobachtungen nach und nach fest, dass es im Universum tatsächlich schwarze Löcher gibt. Im Jahr 2017 kombinierte ein internationales Team mehrere Submillimeterwellen-Teleskope der Welt (vorübergehend) zum Event Horizon Telescope, das das supermassereiche Schwarze Loch im Kern der Galaxie M87 fotografierte und das erste von Menschen aufgenommene Foto eines Schwarzen Lochs erhielt.

Das Event Horizon Telescope hat das supermassereiche Schwarze Loch im Kern von M87 (der schwarze Bereich in der Bildmitte) und die umgebende Materie erfasst, die eine große Menge Strahlung aussendet. Bei diesem Bild handelt es sich um ein Falschfarbenbild, das unterschiedliche Farben verwendet, um die von Materie bei unterschiedlichen Temperaturen emittierte Submillimeterstrahlung darzustellen. Bildnachweis: Event Horizon Telescope

Spätere Experten der Physikgeschichte gehen im Allgemeinen davon aus, dass Oppenheimers wichtigster Lebensbeitrag seine Vorhersage der unvermeidlichen Entstehung Schwarzer Löcher war. Oppenheimer selbst war jedoch anderer Meinung. Er glaubte, dass seine wichtigste Arbeit sich mit Elektronen und Positronen befasste.

Die Welt schuldet ihm einen Nobelpreis

Oppenheimer wurde dreimal für den Nobelpreis für Physik nominiert, 1946, 1951 und 1967, gewann ihn jedoch nie.

Die einzige Auszeichnung, die Oppenheimer für seine wissenschaftliche Forschung erhielt, war der Enrico-Fermi-Preis im Jahr 1963. Der Preis wurde ihm für seine Beiträge zur theoretischen Physik und zur Entwicklung der Atombombe in diesen entscheidenden Jahren verliehen. Um die Kluft zwischen den beiden zu überbrücken, nominierte ihn Edward Teller (1908–2003) als Sieger. Obwohl diese Auszeichnung auch eine gewisse politische Geste zur Rehabilitierung Oppenheimers enthielt, verdiente er die Auszeichnung aufgrund seiner wissenschaftlichen Leistungen und seines Beitrags zur Herstellung der Atombombe. Im Film „Oppenheimer“ wurde dem alternden Oppenheimer eine Medaille verliehen und sein enger Freund Rabbi humpelte herbei, um ihm die Hand zu schütteln. Taylor kam ebenfalls herüber, um ihm die Hand zu schütteln, und Oppenheimer schüttelte ihm die Hand. Dies ist eine der berührendsten Szenen des Films.

Luis Alvarez (1911–1988), Nobelpreisträger für Physik im Jahr 1968, glaubte, dass Oppenheimer, wenn er noch erlebt hätte, wie die Existenz von Schwarzen Löchern durch Beobachtung bestätigt wurde, für seine Arbeit über Neutronensterne und Schwarze Löcher den Nobelpreis für Physik erhalten hätte.

Aber er hat offensichtlich nicht auf diesen Tag gewartet. Aufgrund seines starken Rauchverhaltens erkrankte er an Kehlkopfkrebs und starb nach erfolgloser Bestrahlung und Chemotherapie am 18. Februar 1967 im Alter von 62 Jahren (vor seinem 63. Geburtstag).

Oppenheimer im Jahr 1946, ohne jemals seine Zigarette niederzulegen. Bildnachweis: Ed Westcott (Fotograf der US-Regierung)

Im Jahr 2020 erhielt Roger Penrose (1931-) den Nobelpreis für Physik für den Einsatz strenger mathematischer Methoden, mit denen er bewies, dass sich zwangsläufig Schwarze Löcher bilden. Bereits 1939, als Penrose 8 Jahre alt war, bewiesen Oppenheimer und Snyder diesen Punkt erstmals physikalisch.

Alvarez, der nur bis 1988 lebte, glaubte, dass Oppenheimer für seine Vorhersage der Entstehung Schwarzer Löcher einen Nobelpreis verdient hätte. Im Vergleich zu Penrose, der den Nobelpreis für den mathematischen Beweis der Entstehung schwarzer Löcher erhielt, können wir uns nun sicherer sein: Die Welt schuldet Oppenheimer tatsächlich einen Nobelpreis für Physik.

Ist er ein guter Physiker?

Oppenheimers wissenschaftliche Karriere war nicht lang. Von 1926, als er begann, wichtige Artikel zu veröffentlichen, bis 1950, als er die Veröffentlichung dieser Artikel einstellte, vergingen nur etwa 25 Jahre.

Während dieser 25 Jahre wurde seine Forschung oft unterbrochen oder gestört: Von 1942 bis 1945 unterbrach er seine Forschung im Wesentlichen, weil er das Manhattan-Projekt leitete; ab 1947 wurde er Direktor des IAS und diente als Vorsitzender des General Advisory Committee der US-Atomenergiekommission; 1949 und 1950 beteiligte er sich an der Debatte um die Wasserstoffbombe. Diese Verwaltungsaufgaben und Debatten schränkten die Zeit, die Oppenheimer seiner Forschung widmen konnte, offensichtlich erheblich ein. Tatsächlich stellte er bei seiner Rückkehr ans Caltech im Jahr 1945 fest, dass er sich nicht mehr auf die Forschung konzentrieren konnte, was der Grund dafür sein dürfte, dass er später bereit war, Managementpositionen zu übernehmen.

Oppenheimer (rechts) und General Leslie Groves Jr. (1896–1970) (links) während seiner Leitung des Manhattan-Projekts im Jahr 1942. Bildnachweis: Los Alamos National Laboratory

Man kann sagen, dass Oppenheimers letzte bedeutende Arbeit seine Vorhersage im Jahr 1939 war, dass sich zwangsläufig Schwarze Löcher bilden würden. Daher war er nur etwa 14 Jahre lang auf dem Gebiet der Physik und Astrophysik aktiv. Selbst während dieser 14 Jahre war es sehr schade, dass er sich nicht voll und ganz der Physik widmen konnte, da seine Interessen zu breit gefächert waren (Rabbi sagte euphemistisch, dass „Oppenheimer in Bereichen außerhalb der wissenschaftlichen Tradition übergebildet war“).

Wenn man auf sein legendäres Leben zurückblickt, schloss er seine Promotion in nur einem Jahr ab, war erst 26 Jahre alt, als er auf Diracs Fehler hinwies, und im Alter von 35 Jahren schloss er bahnbrechende Arbeiten über die Grenzmasse von Neutronensternen und die Entstehung Schwarzer Löcher ab und etablierte damit seine Position auf dem Gebiet der Physik.

Während seiner Zeit an der UCB hat Oppenheimer mit seinen herausragenden Fähigkeiten in Physik und Management die theoretische Physik der UCB auf Weltklasseniveau gebracht (im Film „Oppenheimer“ wurde er bei einer Anhörung von Beamten gefragt, warum er zum Studieren nach Europa gegangen sei, da die Physik an der UCB doch erstklassig sei. Oppenheimer antwortete: „Ja, das habe ich festgestellt.“) und viele Doktoranden ausgebildet, von denen einige berühmte Physiker wurden.

Manche Leute glauben, dass Oppenheimer nichts entdeckt hat, was einer Entdeckung wert gewesen wäre, und dass er kein guter Physiker geworden ist. Diese Einschätzung ist nicht fair. Obwohl seine Leistungen auf dem Gebiet der Physik nicht an die von Einstein, Bohr, Heisenberg und anderen heranreichen, ist er dennoch ein ausgezeichneter und sogar herausragender Physiker. Wie oben erwähnt, war seine Arbeit über Schwarze Löcher gut genug für einen Nobelpreis für Physik, er lebte nur nicht lange genug.

Doch selbst wenn er hundert Jahre alt würde, könnte er den Nobelpreis nicht gewinnen. Wenn Oppenheimer im Jahr 2020 noch am Leben wäre, als Penrose den Nobelpreis für Schwarze Löcher erhielt, wäre er 116 Jahre alt. Noch nie hat ein Nobelpreisträger so lange gelebt. Wir können nur mit Bedauern feststellen, dass das Nobelpreiskomitee manchmal zu vorsichtig und konservativ ist.

Dennoch sollten wir uns auch darüber im Klaren sein, dass der Beitrag eines Wissenschaftlers nicht daran gemessen werden kann, ob er den Nobelpreis erhält. Hätte er Arbeiten geleistet, die eines Nobelpreises würdig gewesen wären, hätte dies ausgereicht, um seine herausragenden Leistungen unter Beweis zu stellen und würde genügen, um künftigen Generationen in Erinnerung zu bleiben.

Daher verdienen Oppenheimers wichtige Beiträge zur Physik und Astronomie, dass zukünftige Generationen sich an ihn erinnern.

Nachtrag: Als ich in der Abteilung für Astronomie der UCB studierte, fand ich durch die Lektüre von Informationen über Schwinger heraus, dass er und Oppenheimer beide in der Abteilung für Physik der UCB gearbeitet hatten. Das Gebäude der Physikabteilung der UCB befindet sich neben dem Gebäude der Astronomieabteilung. Nachdem ich erfahren hatte, dass sowohl Oppenheimer als auch Schwinger hier gearbeitet hatten, war ich voller Ehrfurcht, als ich das Physikgebäude der UCB betrat. Das heutige Schreiben dieses Artikels ist eine verspätete Würdigung von Oppenheimers Leistungen in der Physik und Astronomie. Er ist eine umstrittene Figur; Es ist jedoch unbestritten, dass er Beiträge zum menschlichen Verständnis sowohl der mikroskopischen Welt als auch des Universums geleistet hat.

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