Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos

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1 Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos

2 Bogdan Povh Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos Ein Streifzug durch die moderne Physik

3 Bogdan Povh Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Planung: Margit Maly Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg

4 Vorwort Die Naturwissenschaft beschreibt und erklärt die Natur nicht einfach so, wie sie an sich ist. Sie ist vielmehr ein Teil des Wechselspiels zwischen der Natur und uns selbst. Werner Heisenberg Drei Minuten nach dem Anfang der kosmologischen Zeitrechnung gab es im Universum nur Wasserstoff, Helium, geheimnisvolle dunkle Materie und viel Energie. Noch dreimal mussten Wasserstoff und Helium in Sternen verbrennen, um den Staub durch Mischung der Elemente zu synthetisieren,aus dem die Erde besteht. Die Sonne lieferte die notwendige Energie, um das Leben, das Wasser und die Atmosphäre zu ermöglichen, die die Erde in ihrer heutigen Form prägen. Aus diesem kosmischen Staub besteht auch der Mensch, der gerne verstehen will, ob es eine kosmische Formel gibt, die zu seiner Existenz geführt hat. Dabei kann es sein, dass andere Wesen auf erdähnlichen Planeten leben oder er alleine in unserem Universum ist. Aber die physikalischen Gesetze erlauben auch, dass unser Universum nur eines von vielen Universen ist und das Entstehen des Menschen nicht nur eine biologische Evolution, sondern auch eine kosmische Evolution verlangt.

5 VI Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos Um die Frage nach unserer Herkunft stellen zu können, mussten wir den Weg über die Erforschung der physikalischen Gesetze, erst des Sonnensystems, dann der Atome, Kerne und ihrer Bausteine beschreiten. Mit der Erforschung der elementaren Bausteine der Materie haben wir realisiert, dass deren Physik und die Physik des früheren Universums eng verknüpft sind. Die Gesetze der Physik beschreiben nicht nur die Natur und das Universum, sie sagen deren Entwicklung schlüssig vorher. Daher können wir die Entwicklung des Universums von Anfang an verfolgen. Was vor diesem Anfang war und warum dieser Anfang die in diesem Buch beschriebene Form des Universums verursacht hat, bleibt uns bisher oder gar für immer verschlossen. Das Bild der täglichen Welt wird von unserem Gehirn mit den Informationen, die unsere Augen und andere Sinnesorgane aufnehmen, geformt.dasistein sehr qualitatives und subjektives Bild der Welt. Die Vermessung der Welt liefert neue quantitative Informationen über sich, die zu einem verfeinerten Bild der Natur führen und die in der Natur herrschenden physikalischen Gesetze enthüllen. Mit immer größeren Teleskopen sehen wir tiefer und tiefer in das All, mit den immer größer werdenden Beschleunigern sehen wirimmertieferundtieferindenmikrokosmos.umaus den Informationen, die Teleskope und die Beschleuniger liefern,einbildder Natur zu bekommen, müssen menschliche Gehirne arbeiten. Das Buch beschreibt das Wechselspiel zwischen dem Experiment und uns in der Bemühung, die physikalische Welt und die in ihr herrschenden Gesetze zu verstehen. Deswegen wird im Buch erst das Experiment und dann die Deutung präsentiert.

6 Vorwort VII Die Physik ist eine der bestimmenden Kräfte in der modernenwelt.diesbetrifft unsere Weltanschauung wie auch die politischen Diskurse über die Energie, das Weltklima und die Ethik. Das Buch will das Hintergrundwissen vermitteln, um die aktuellen Diskurse besser zu verstehen und daran teilhaben zu können. Die Anregung, dieses Buch zu schreiben, wie auch den Vorschlag des Titels hat mir Frau Dr. Vera Spillner, damals noch beim Springer-Verlag, gegeben. Den Untertitel hat Frau Margit Maly vom Springer-Verlag beigetragen. Bei der Formulierung von Vorwort und Epilog hat mir mein Kollege Thomas Walcher geholfen. Für die ersten Textkorrekturen und die Herstellung der Bilder bedanke ich mich bei Herrn Baptist Piest, Patrick Froß und Sebastian Kebrich. Zwei Wirtschaftsprofis, Wolfram Sutter und Godehard Wackenhut, haben getestet, ob das Buch für Nichtnaturwissenschaftler geeignet ist. Besonderen Dank schulde ich dem Lektor, Herrn Bernhard Gerl, der mit viel Mühe den trockenen Text aufgelockert und die Untertitel mit einprägsamen Erweiterungen ergänzt hat. Als Emeritus des Max-Planck-Instituts für Kernphysik genieße ich dessen volle Unterstützung bei meiner Arbeit. Heidelberg 2016 Bogdan Povh

7 Inhaltsverzeichnis 1 Freier Fall von den Anfängen der Astronomie bis hin zur dunklen Energie Galilei und die Erdanziehung Newton und die Kraft was hat ein Apfel mit der Gravitation zu tun? Die Kepler schen Gesetze wie der Drehimpuls die Bahnen der Planeten bestimmt Planeten, kinetische und potentielle Energie Aufbau der Milchstraße Betrachtung des großen Ganzen Determinismus und deterministisches Chaos was können wir über die Bewegung eines Systems vorhersagen? Raum, Zeit und Raumzeit wann und wo wir sind Masse und Energie sind äquivalent Einsteins allgemeine Relativitätstheorie wie Massen die Raumzeit krümmen Gravitationswellen die Raumzeit raschelt Schwarze Löcher Dunkle Materie das unbekannte, schwere Etwas Dunkle Energie die finstere Unbekannte Zusammenfassung... 70

8 X Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos 2 Atome von der unteilbaren Kugel zum quantenmechanischen System Kathodenstrahlen die Entdeckung der ersten Elementarteilchen Photonen Wellen auf dem Weg zum Teilchen Rutherfordstreuung die Entdeckung des Kerns Wasserstoffatom sein einfacher Aufbau hilft zu verstehen De Broglie Elektronen sind Wellen Schalenmodell wie größere Atome aufgebaut sind Heisenberg sche Unschärferelation man kann nicht alles wissen Quantenelektrodynamik Pingpong mit virtuellen Teilchen Atome direkt beobachten der Laser als Kühlmittel Zusammenfassung Atomkerne was Protonen und Neutronen zusammenhält und spaltet Nukleonen und Kerne zusammen ist es leichter Fusion warum die Sonne scheint Synthese schwerer Elemente wir sind Sternenstaub Radioaktiver Zerfall wie aus Großem Kleines wird Neutrinos Boten aus der Sonne und der Erde Kernspaltung wie gewaltige Energien freigesetzt werden Neutronensterne riesige Transurane Strahlenbelastung Radioaktivität gehört zu unserer Welt Zusammenfassung

9 Inhaltsverzeichnis XI 4 Unser Planet wie ein Wohnort im All entsteht Entstehung des Sonnensystems aus Chaos wird Ordnung Thermodynamik Energie gibt es nicht geschenkt Erdklima wir leben in einem Treibhaus Selbstorganisation wie wir zu verstehen lernen Exoplaneten sind wir allein? Zusammenfassung Quarks und Leptonen der Blick tief in die Materie Ära der Beschleuniger Mikroskope, die Unteilbares zerlegen DESY Quarks kann man beobachten Quantenchromodynamik warum Quarks unzertrennlich sind GUT die Vereinheitlichug der Kräfte Der Higgs-Mechanismus wie alles Masse bekommt Large Hadron Collider gebaut für die Suche nach Higgs Zusammenfassung Standardmodell der Elementarteilchen Expandierendes Universum die Raumzeit dehnt sich Rotverschiebung wie groß ist das Universum? Einstein, Friedmann, Lemaître auf dem Weg zum Uratom Der Anfang Steady State gegen Big Bang Hintergrundstrahlung die Babyfotos des Universums Indizienkosmologie indirekte Bestätigung des Urknalls Zusammenfassung das Urknallmodell

10 XII Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos 7 Epilog Glossar Literatur Namens- und Sachverzeichnis

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