Von Schwarzen Löchern, Gravitationswellen und einem Strauß, der fliegen möchte

Den ganzen Tag über seinen Formeln brüten, seltsame Wörter vor sich hinmurmeln, irgendwann aufspringen und „Heureka!“ rufen. So oder so ähnlich stellen sich vermutlich die meisten Menschen den Arbeitsalltag eines theoretischen Physikers vor. In meiner Praktikumswoche habe ich die tatsächliche Arbeit kennengelernt und mich mit der Leitfrage beschäftigt: Existieren Schwarze Löcher wirklich – und wenn ja, wieso?

Theoretische Physiker: Viele denken dabei auch an das Klischee des sozial inkompetenten Genies, das durch die Figur Sheldon Cooper in „The Big Bang Theory“ geprägt wurde. Doch wie sieht der Arbeitsalltag eines theoretischen Physikers wirklich aus? Um das herauszufinden habe ich ein einwöchiges berufsorientierendes Praktikum (BOGY) am Institut für Theoretische Astrophysik der Universität Heidelberg gemacht. Dabei lief mein Arbeitsalltag in der Regel so ab, dass einer meiner Betreuer mir etwas zu einem Thema erklärt hat und mir anschließend eine Aufgabe dazu gab.

Ein Globus, mit der kürzesten Route zwischen zwei weit entfernten Punkten entlang der Oberfläche eingezeichnet.
Geodäte auf der Erdoberfläche

Zum Beispiel habe ich mich an einem Tag mit der Geodätengleichung beschäftigt. Mit Hilfe der Geodätengleichung kann man bestimmen, was die kürzeste Verbindung (genannt „Geodäte“) zwischen zwei Punkten ist. In der Ebene ist es offensichtlich, dass sie eine Gerade ist, aber wie sieht das zum Beispiel auf der Kugel aus? Oder in der Nähe sehr massereicher Objekte wie Schwarzen Löchern? Um das herauszufinden, muss man erstmal definieren, was überhaupt „Abstand“ bedeutet. Mathematisch betrachtet ist ein Abstand immer dann gegeben, wenn eine Metrik, also eine Abstandsfunktion, vorhanden ist. Die Metrik der Ebene unterscheidet sich aber von der auf der Kugel. Je nachdem, wie der Abstand in einer Metrik definiert ist, muss man die richtigen „Werte“ in die Geodätengleichung einsetzen.

Mit diesen „Werten“ kann man gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie sogenannte Christoffel-Symbole berechnen, was ich auch selbst tun durfte. Die Christoffel-Symbole gehören zur Geodätengleichung und geben Aufschluss über die betrachtete Metrik. Wenn man die berechneten Christoffel-Symbole in die Gleichung einsetzt und diese dann löst, kann man schließlich herausfinden, was die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten in der untersuchten Metrik ist. Ich habe diese Rechnung für die Ebene und die Kugel durchgeführt. Dabei kam heraus, dass, wie oben bereits erwähnt, die kürzeste Verbindung zweier Punkte in der Ebene die Gerade und auf der Kugel Teil eines Großkreises ist. Ein Großkreis ist der größtmögliche Kreis auf einer Kugel, der die Kugel halbiert. In der Nähe von massereichen Objekten verhält es sich allerdings nochmal anders, da die Masse die Metrik der Raumzeit krümmt.

Lichtstrahlen gehen von einem Stern auf und werden in der Ferne von einem weiteren Stern abgelenkt.
Der Lichtweg als Geodäte in der Raumzeit

Ich war täglich von 9:30 Uhr bis 16:30 Uhr im Institut. Es war teilweise sehr anstrengend, sich (anders als in der Schule) so lange am Stück stark konzentrieren zu müssen. Ich fand es trotzdem gut, dass die Themen anspruchsvoll waren, weil es eine Herausforderung für mich war. Außerdem denke ich, dass es sich gelohnt hat, da ich in jener Woche viel Interessantes aus Physik und Mathematik gelernt habe. Ich habe mich in der Praktikumswoche durch verschiedene Argumente von der Existenz Schwarzer Löcher überzeugen können: durch die Effizienz der Leuchtkraft bei Quasaren, durch die stellare Kinematik nahe des galaktischen Zentrums der Milchstraße und durch Gravitationswellen. Außerdem habe ich mich mit mechanischer Ähnlichkeit und homogenen Funktionen beschäftigt.

Zu Beginn der Woche haben mir meine Betreuer, die Doktoranden Robert Reischke und Robert Lilow, noch einiges mathematisches Handwerkszeug, wie zum Beispiel das Lösen von einfachen Differentialgleichungen, beigebracht. Ich habe auch einen guten Einblick in das tägliche Berufsleben eines theoretischen Physikers bekommen. Dabei habe ich festgestellt, dass dieses im Wesentlichen aus nachdenklich am Schreibtisch sitzen, programmieren, Formulare ausfüllen, mit Kollegen über physikalische/mathematische Probleme diskutieren, zu Kolloquien gehen und der Jagd auf Kuchen besteht – denn Kuchen ist sehr wichtig für produktives Arbeiten!

Meine Kollegen im Institut waren alle sehr nett und lustig und ich kann sagen, dass die meisten theoretischen Physiker nicht dem Klischee aus „The Big Bang Theory“ entsprechen. Allerdings gibt es aber doch teilweise Parallelen, zum Beispiel entstand in einer Mittagspause eine lebhafte Diskussion darüber, wie man die Anzüge diverser Superhelden am besten wäscht, damit sie ihre Fähigkeiten nicht verlieren. Und natürlich wurde in der Mittagspause auch immer mit Begeisterung die neuste Episode des Zeitungscomics über den Strauß, der fliegen lernen möchte, gelesen.

Zusammenfassend kann ich sagen, dass mir das Praktikum viel Spaß gemacht hat und ich mir gut vorstellen kann, später theoretische Physikerin zu werden. Abschließend möchte ich mich nochmals bei meinen Betreuern Robert Lilow und Robert Reischke bedanken, sowie bei Professor Bartelmann, der dieses Praktikum erst möglich gemacht hat.