Ein namhafter Wissenschaftler (man sagt, es sei Bertrand Russell gewesen) hielt einmal einen öffentlichen Vortrag über Astronomie. Er schilderte, wie die Erde um die Sonne und die Sonne ihrerseits um den Mittelpunkt einer riesigen Ansammlung von Sternen kreist, die wir unsere Galaxis nennen. Als der Vortrag beendet war, stand hinten im Saal eine kleine alte Dame auf und erklärte: „Was Sie uns da erzählt haben, stimmt alles nicht. In Wirklichkeit ist die Welt eine flache Scheibe, die von einer Riesenschildkröte auf dem Rücken getragen wird.“ Mit einem überlegenen Lächeln hielt der Wissenschaftler ihr entgegen: „Und worauf steht die Schildkröte?“ – „Sehr schlau, junger Mann“, parierte die alte Dame. „Ich werd’s Ihnen sagen: Da stehen lauter Schildkröten aufeinander.“ (Seite 13)

Mit dieser Anekdote beginnt der millionenfach verkaufte Bestseller „Eine kurze Geschichte der Zeit. Die Suche nach der Urkraft des Universums“, in dem der englische Physiker Stephen Hawking die Geschichte und die neuesten Erkenntnisse der Kosmologie skizziert, und zwar ohne mathematische Formeln und allgemeinverständlich, mitunter sogar spaßig.

Man hat mir gesagt, dass jede Gleichung in dem Buch die Verkaufszahlen halbiert. Ich beschloss also, auf mathematische Formeln ganz zu verzichten. (Stephen W. Hawking)

Im ersten Kapitel (das mit der zitierten Anekdote beginnt) schildert Stephen Hawking die Entwicklung unserer Vorstellung vom Universum, von Aristoteles und Ptolemäus über Nikolaus Kopernikus und Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton bis zu Edwin Hubble. Sein Ziel sei es, so schreibt er weiter, die beiden heute grundlegenden, aber leider einander widersprechenden physikalischen Modelle – Relativitätstheorie und Quantenmechanik – widerspruchsfrei in einer Weltformel zu integrieren. Das Ergebnis wäre eine „Große Vereinheitlichte Theorie“ („Grand Unified Theory“, GUT).

Heute beschreibt die Physik das Universum anhand zweier grundlegender Teiltheorien: der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik. Sie sind die großen geistigen Errungenschaften aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft und den Aufbau des Universums im Großen […] Die Quantenmechanik dagegen beschäftigt sich mit Erscheinungen in Bereichen von außerordentlich geringer Ausdehnung […] Leider sind diese beiden Theorien nicht miteinander in Einklang zu bringen – sie können nicht beide richtig sein. Eine der Hauptanstrengungen in der heutigen Physik ist die Suche nach einer neuen Theorie, die beide Teiltheorien einschließt – nach einer Quantentheorie der Gravitation. (Seite 26)

Wenn man der Meinung ist, dass das Universum nicht vom Zufall, sondern von bestimmten Gesetzen regiert wird, muss man die Teiltheorien zu einer vollständigen einheitlichen Theorie zusammenfassen, die alles im Universum beschreibt. (Seite 27)

Möglicherweise wird […] die Entdeckung einer vollständigen vereinheitlichen Theorie keinen Beitrag zum Überleben der Menschheit liefern, ja sie wird sich noch nicht einmal auf unsere Lebensweise auswirken. Doch seit den ersten Anfängen ihrer Kultur waren die Menschen nie damit zufrieden, die Welt bloß als unverbundenes und unerklärliches Nebeneinander von Ereignissen zu betrachten. Stets waren sie bemüht, die der Welt zugrunde liegende Ordnung zu verstehen. (Seite 28)

Im zweiten Kapitel erläutert Stephen Hawking die Phänomene Raum und Zeit. Dabei geht er zunächst wieder auf die Wissenschaftsgeschichte ein, um dann vor dem Hintergrund der allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins näher auf die Zusammenhänge zwischen Raum und Zeit („Raumzeit“) einzugehen.

Newtons Bewegungsgesetze machten der Vorstellung von einer absoluten Position im Raum ein Ende. Die Relativitätstheorie räumte mit der Idee der absoluten Zeit auf […]
Vor 1915 stellte man sich Raum und Zeit als den festgelegten Rahmen vor, in dem die Ereignisse stattfinden können, der aber durch das, was in ihm geschieht, nicht beeinflusst wird. Das galt sogar noch für die spezielle Relativitätstheorie […]
In der allgemeinen Relativitätstheorie stellt sich die Situation jedoch grundlegend anders dar. Raum und Zeit sind nun dynamische Größen: Wenn ein Körper sich bewegt oder eine Kraft wirkt, so wird dadurch die Krümmung von Raum und Zeit beeinflusst – und umgekehrt beeinflusst die Struktur der Raumzeit die Bewegung von Körpern und die Wirkungsweise von Kräften. Raum und Zeit wirken nicht nur auf alles ein, was im Universum geschieht, sondern werden auch davon beeinflusst […]
Dieses neue Verständnis von Raum und Zeit veränderte in den folgenden Jahrzehnten unsere Auffassung vom Universum von Grund auf. An die Stelle der alten Vorstellung von einem im Wesentlichen unveränderlichen, ewig bestehenden Universum trat das Modell eines dynamischen, expandierenden Universums, das einen zeitlich fixierbaren Anfang zu haben scheint und zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zukunft enden könnte. (Seite 51f)

Damit leitet Stephen Hawking zum nächsten Kapitel über: „Das expandierende Universum“. Einstein wollte nicht an ein dynamisches (expandierendes) Universum glauben, obwohl seine allgemeine Relativitätstheorie dem hergebrachten Paradigma vom unveränderlichen Universum widersprach. Ein Modell des expandierenden Weltalls entwickelte der belgische Astrophysiker Abbé Georges Lemaître 1927. Der aus Russland stammende amerikanische Astrophysiker George Gamov baute es zusammen mit seinem Studenten Ralph Alpher 1946 weiter aus.

Gamov hatte einen ausgeprägten Sinn für Humor – überredete er doch den Kernphysiker Hans Bethe dazu, als Ko-Autor mitzuwirken. So erschien der Aufsatz unter den Verfassernamen „Alpher, Bethe, Gamov“. (Seite 150f)

1965 postulierte der britische Mathematiker und Physiker Roger Penrose, „dass ein Stern, der unter dem Einfluss der eigenen Schwerkraft in sich zusammenstürzt, in eine Region eingeschlossen ist, deren Oberfläche und damit zwangsläufig auch deren Volumen schließlich auf Null schrumpft“ (Seite 70),

also zu einer Singularität mit unendlicher Dichte und Raumzeitkrümmung wird. Das brachte Stephen Hawking – der damals gerade promovierte – auf den Gedanken, auf dieser Grundlage ein mathematisches Modell für die umgekehrte Entwicklung zu erarbeiten: für die Entstehung des Universums aus einer Singularität, also für die Urknall-Theorie. Das Universum explodiert gewissermaßen seit schätzungsweise 13,5 Milliarden Jahren, und die Frage ist nur, ob sich diese Ausdehnung unendlich fortsetzt oder ob dabei ein Zustand erreicht wird, von dem an die zentripedalen Kräfte überwiegen und das Universum wieder zu einer Singularität zusammenschrumpfen lassen. (2011 erhielten Saul Perlmutter, Adam Riess und Brian Schmidt den Nobelpreis für Physik. Ihren Erkenntnissen zufolge wird sich das Universum mit wachsender Geschwindigkeit immer weiter ausdehnen.)

Nach [Alexander] Friedmanns Modell des Universums bewegen sich alle Galaxien direkt voneinander fort. Die Situation erinnert an einen Ballon, auf den eine Anzahl Flecken gemalt sind und der gleichmäßig aufgeblasen wird. Während der Ballon expandiert, wächst die Entfernung zwischen zwei beliebigen Punkten […] Je größer der Abstand der Flecken auf dem Ballon ist, desto rascher entfernen sie sich voneinander. Nehmen wir beispielsweise an, der Radius des Ballons verdoppelt sich in einer Sekunde. Dann liegen zwei Flecken, die ursprünglich durch einen Zentimeter getrennt waren, jetzt zwei Zentimeter auseinander (auf der Oberfläche des Ballons gemessen), daher beträgt ihre relative Geschwindigkeit einen Zentimeter pro Sekunde. Bei zwei Flecken hingegen, die ursprünglich zehn Zentimeter entfernt waren, beträgt der Abstand jetzt zwanzig Zentimeter, folglich ist ihre relative Geschwindigkeit zehn Zentimeter pro Sekunde. (Stephen Hawking und Leonard Mlodinow: Die kürzeste Geschichte der Zeit, Reinbek 2005, Seite 74ff)

Der Urknall (Big Bang) müsste heute noch zu „hören“ sein. Tatsächlich stießen die beiden amerikanischen Physiker Arno A. Penzias und Robert W. Wilson von den Bell Telephone Laboratories in New Jersey 1964 bei nachrichtentechnischen Versuchen auf ununterbrochen und aus allen Richtungen mit gleicher Intensität aus dem Kosmos eintreffende Mikrowellen. Als sie 1965 erfuhren, dass Robert H. Dicke und Jim Peebles, zwei Physiker der Princeton Universität, nach den Resten der Strahlung des Urknalls suchten, glaubten sie, die Erklärung für das beobachtete Phänomen gefunden zu haben.

Im vierten Kapitel beschäftigt Stephen Hawking sich mit der von Werner Heisenberg postulierten Unschärferelation, derzufolge die Position und die Geschwindigkeit eines Elementarteilchens nicht gleichzeitig exakt angegeben werden können. Um die Position eines Teilchens festzustellen, bestrahlt man es beispielsweise mit Licht. Seit Max Plancks Vortrag auf einer Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft am 14. Dezember 1900 in Berlin wissen wir, dass die Strahlungsenergie nicht beliebig klein gewählt werden kann, sondern in nicht weiter teilbaren Portionen (Quanten) emittiert wird. Es lässt sich also nicht vermeiden, dass mindestens ein Quant das Teilchen trifft, dessen Position bestimmt werden soll und dessen Geschwindigkeit verändert. Um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen, verwendet der Forscher Licht mit möglichst kurzer Wellenlänge; weil aber die Energie mit der Frequenz zunimmt, gilt:

Je genauer man die Position des Teilchens zu messen versucht, desto ungenauer lässt sich seine Geschwindigkeit messen, und umgekehrt. (Seite 77)

Die Heisenbergsche Unschärferelation ist eine fundamentale Eigenschaft mit dramatischen Folgen: Wenn man nicht einmal den gegenwärtigen Zustand des Universums exakt messen kann, ist es auch unmöglich, zukünftige Ereignisse mit Gewissheit vorherzusagen, wie Pierre Simon Marquis de Laplace zu Beginn des 19. Jahrhunderts angenommen hatte. Aufgrund der Unschärferelation schufen Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Paul Dirac die Quantenmechanik, in der die Teilchen statt Position und Geschwindigkeit einen Quantenzustand aufweisen. Bei der Messung des Quantenzustands sagt die Quantenmechanik jeweils eine Reihe möglicher Beobachtungsergebnisse und deren Wahrscheinlichkeiten voraus. Das Ergebnis einer einzelnen Messung kann zwar nicht prognostiziert werden, doch immerhin die Ergebnisverteilung einer Messreihe.

Die Quantenmechanik führt also zwangsläufig ein Element der Unvorhersagbarkeit oder Zufälligkeit in die Wissenschaft ein. (Seite 78)

Um „Elementarteilchen und Naturkräfte“ geht es im folgenden Kapitel.

In breiten Kreisen wird mit dem Namen Stephen Hawking das so genannte „Schwarze Loch“ assoziiert, ein Modell, mit dem sich der englische Physiker intensiv auseinandersetzte.

Die Bezeichnung „Schwarzes Loch“ ist sehr jungen Datums. Der amerikanische Wissenschaftler John Wheeler prägte sie 1969, um einen anschaulichen Begriff von einer Idee zu liefern, die mindestens zweihundert Jahre zurückreicht […] (Seite 107)

Der britische Gelehrte John Mitchell vertrat 1783 die Auffassung, ein Stern von hinreichender Masse und Dichte müsse ein so starkes Gravitationsfeld haben, dass ihm das Licht (dem er Teilchencharakter unterstellte) nicht entkommen könne. Heute nimmt man an, dass ein Schwarzes Loch entsteht, wenn die Materie eines entsprechend großen Himmelskörpers vollends zusammenbricht. Raum und Zeit gibt es an dieser Stelle des Universums nicht mehr. Schwarze Löcher können lediglich anhand ihrer Schwerkraft ausgemacht werden. Beispielsweise lässt sich beobachten, wie ein Schwarzes Loch Materie aus der Umgebung anzieht und „wegsaugt“. – „Schwarze Löcher sind gar nicht so schwarz“ lautet die Überschrift des folgenden Kapitels. Stephen Hawking fand nämlich heraus, dass Schwarze Löcher infolge quantenmechanischer Effekte eine Strahlung emittieren („Hawking-Strahlung“).

Nachtrag, Februar 2014:
Während Luciano Rezzolla mit seinem Team am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam plant, das im Zentrum der Milchstraße vermutete Schwarze Loch vermittels Radiowellen abzubilden, glaubt Stephen Hawkings neuerdings (2014), dass es gar keine Schwarzen Löcher geben könne.

Über „Ursprung und Schicksal des Universums“ referiert Stephen Hawking im achten Kapitel.

In den Siebzigerjahren habe ich mich vor allem mit Schwarzen Löchern beschäftigt, doch 1981 begann ich mich erneut für den Ursprung und das Schicksal des Universums zu interessieren. (Seite 147)

Auf einer kosmologischen Jesuitentagung im Vatikan erläuterte Stephen Hawking 1981 seine Vorstellung von einem Universum, das weder Grenzen, noch einen Anfang oder ein Ende hat, also die „These, dass Zeit und Raum möglicherweise eine gemeinsame Fläche bilden, die von endlicher Größe, aber ohne Grenze oder Rand ist“ (Seite 173).

Im Kapitel „Der Zeitpfeil“ hinterfragt Stephen Hawking die scheinbare Selbstverständlichkeit, dass die Zeit ausschließlich vorwärts läuft. Die Differenzierung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft hat „nur die Bedeutung einer wenn auch hartnäckigen Illusion“, hieß es bereits im Briefwechsel von Albert Einstein und Michael Besso (zit.: Julius T. Fraser: Die Zeit. Auf den Spuren eines vertrauten und doch fremden Phänomens, München 1991, S. 291)

Das Anwachsen der Unordnung oder Entropie mit der Zeit ist ein Beispiel für das, was wir Zeitpfeil nennen, für etwas, das die Vergangenheit von der Zukunft unterscheidet, indem es der Zeit eine Richtung gibt. Es gibt mindestens drei verschiedene Zeitpfeile: den thermodynamischen Zeitpfeil, die Richtung der Zeit, in der die Unordnung oder Entropie zunimmt; den psychologischen Zeitpfeil, die Richtung, in der unserem Gefühl nach die Zeit fortschreitet, die Richtung, in der wir die Vergangenheit, aber nicht die Zukunft erinnern; und den kosmologischen Zeitpfeil, die Richtung der Zeit, in der sich das Universum ausdehnt und nicht zusammenzieht. (Seite 183)

Stephen Hawking weist darauf hin, dass es in den Naturgesetzen keinen Unterschied zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsrichtung der Zeit gibt. Es ist durchaus denkbar, dass das Universum irgendwann einmal einen Zustand maximaler Entropie erreicht und wieder in sich zusammenstürzt. Dann würde sich zumindest der kosmologische Zeitpfeil umkehren.

Im Kapitel über „die Vereinheitlichung der Physik“ kommt Stephen Hawking noch einmal auf die angestrebte Weltformel – die „Große Vereinheitlichte Theorie“ („Grand Unified Theory“, GUT) – zu sprechen. In diesem Zusammenhang stellt er auch die in den Sechzigerjahren entwickelten und in den Achtzigerjahren „modernen“ String-Theorien vor. Während ein atomares Teilchen einen Punkt im Raum einnimmt, ist ein String als Linie zu beschreiben, und zwar entweder mit freien Enden (offener String) oder als eine Art Schleife (geschlossener String). Der Emission bzw. Absorption eines Teilchens entspricht in den String-Theorien die Teilung bzw. der Zusammenschluss von Strings. Allerdings scheinen die String-Theorien nur widerspruchsfrei zu sein, wenn man für die Raumzeit nicht vier, sondern zehn oder sechsundzwanzig Dimensionen annimmt! (Auf die mit der Stringtheorie konkurrierende Schleifenquantengravitation geht Hawking nicht ein.)

Zum Schluss fragt Stephen W. Hawking: „Wie ist das Universum beschaffen? Welchen Platz nehmen wir in ihm ein, woher kommt es und woher kommen wir? Warum ist es so und nicht anders?“ (Seite 213) Indem wir Antworten darauf suchen, bauen wir ein Weltbild.

Nach der allgemeinen Relativitätstheorie muss es in der Vergangenheit einen Zustand unendlicher Dichte gegeben haben, den Urknall, der den Anfang der Zeit markiert, und muss es entsprechend bei der Umkehrung dieses Prozeses und dem Zustammensturz des gesamten Universums einen weiteren Zustand unendlicher Dichte in der Zukunft geben, den großen Kollaps, das Ende der Zeit […]
Wenn wir die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie verbinden, so scheint sich eine neue Möglichkeit zu eröffnen: Raum und Zeit können zusammen einen endlichen, vierdimensionalen Raum ohne Singularitäten und Grenzen bilden, ähnlich wie die Oberfläche der Erde, nur mit mehr Dimensionen. Es scheint, dass diese Theorie viele der beobachteten Eigenschaften des Universums erklären kann […] Sie kann sogar den Zeitpfeil erklären, den wir beobachten. Doch wenn das Universum vollständig in sich abgeschlossen ist, ohne Singularitäten und Grenzen, und sich erschöpfend durch eine einheitliche Theorie beschreiben ließe, so hätte dies tiefgreifende Auswirkungen auf Gottes Rolle als Schöpfer […]
Auch wenn nur eine einheitliche Theorie möglich ist, so wäre sie doch nur ein System von Regeln und Gleichungen. Wer bläst den Gleichungen den Odem ein und erschafft ihnen ein Universum, das sie beschreiben können? […]
Bislang waren die meisten Wissenschaftler zu sehr mit der Entwicklung neuer Theorien beschäftigt, in denen sie zu beschreiben versuchten, was das Universum ist, um die Frage nach dem Warum zu stellen. Andererseits waren die Leute, deren Aufgabe es ist, nach dem Warum zu fragen – die Philosophen –, nicht in der Lage, mit der Entwicklung naturwissenschaftlicher Theorien Schritt zu halten […]
Wenn wir jedoch eine vollständige Theorie entdecken, dürfte sie nach einer gewissen Zeit in ihren Grundzügen für jedermann verständlich sein, nicht nur für eine Handvoll Spezialisten. Dann werden wir uns alle – Philosophen, Naturwissenschaftler und Laien – mit der Frage auseinandersetzen können, warum es uns und das Universum gibt. Wenn wir die Antwort auf diese Frage fänden, wäre das der endgültige Triumph der menschlichen Vernunft – denn dann würden wir Gottes Plan kennen. (Seite 215ff)

Im Anhang schildert Stephen Hawking kurz die wissenschaftlichen Leistungen von Albert Einstein, Galileo Galilei und Isaac Newton.

In seinem faszinierenden Buch „Eine kurze Geschichte der Zeit“ vermittelt der englische Physiker Stephen W. Hawking einem breiten Publikum auf leicht verständliche Weise die komplexen Theorien über „Ursprung und Schicksal des Universums“ (so eine der Kapitelüberschriften) und „die Suche nach der Urkraft des Universums“ (so der Untertitel).

„Eine kurze Geschichte“ der Zeit“ erwies sich als Weltbestseller. Der Titel hielt sich 237 Wochen lang auf der Bestsellerliste der „Sunday Times“. Zehn Jahre nach „Eine kurze Geschichte der Zeit“ veröffentlichte Stephen Hawking unter dem Titel „Die illustrierte Kurze Geschichte der Zeit“ eine überarbeitete und auf den neuen Stand der Wissenschaft gebrachte Ausgabe. „Die illustrierte Kurze Geschichte der Zeit“ enthält auch ein zusätzliches Kapitel über die so genannten „Wurmlöcher“ in der wahrscheinlich von Schwarzen Löchern gekrümmten Raumzeit, die Zeitreisen theoretisch ermöglichen. 2001 erschien das Buch „Das Universum in der Nussschale“, in dem Stephen Hawking zunächst die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik beschreibt und dann – wiederum auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft – damit beschäftigt, wie wir uns das Universum vorzustellen haben.

Im Oktober 2005 erschien „Die kürzeste Geschichte der Zeit“ von Stephen Hawking und Leonard Mlodinow.