Heiner Müller-Krumbhaar, Hermann-Friedrich Wagner (Hrsg.)

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1 Heiner Müller-Krumbhaar, Hermann-Friedrich Wagner (Hrsg.)

2 Heiner Müller-Krumbhaar, Hermann-Friedrich Wagner (Hrsg.) Was die Welt zusammenhält Berlin Weinheim New York Chichester Brisbane Singapore Toronto

3 Impressum Herausgeber: Prof. Dr. Heiner Müller-Krumbhaar (Forschungszentrum Jülich) für die Deutsche Physikalische Gesellschaft e.v., Bad Honnef Dr. Hermann-Friedrich Wagner, Bundesministerium für Bildung und Forschung (bmb+f) Autoren: Dr. Thomas Bührke (Jenseits der Milchstraße) Astrid Dähn, Frank Grotelüschen, Wolfgang Richter (Reise zum Urknall) Dr. Brigitte Röthlein (Gebändigtes Licht) Dr. Mathias Schulenburg (Stein der Weisen) Anne Hardy (Entdeckung des Zufalls) Konzept: Manfred Schmidt Redaktion: Wolfgang Richter (verantwortlich), Dr. Marcus Neitzert, Manfred Schmidt Gestaltung: Claudia Oly (verantwortlich), Dietmar Putscher iserundschmidt, Kreativagentur für PublicRelations, Bad Honnef - Berlin Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber, Redaktion und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung. 1st edition, 2001 Die Deutsche Bibliothek - CIP Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei der Deutschen Bibliothek erhältlich. ISBN WILEY-VCH Verlag Berlin GmbH, Berlin (Bundesrepublik Deutschland), 2001 Gedruckt auf säurefreiem Papier. Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Fotokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Satz: iserundschmidt, Bad Honnef - Berlin Druck und Bindung: Druckhaus Darmstadt, Darmstadt Printed in the Federal Republic of Germany

4 Was hält die Welt zusammen? Dieser Frage ist die Physik seit Jahrhunderten auf der Spur. Sie wurde dadurch nicht nur zu einer der grundlegenden Wissenschaften unserer Kultur, sondern erwarb sich auch eine Schlüsselfunktion für die Weiterentwicklung der Technik und spielt damit eine wichtige Rolle für die Zukunft unserer Gesellschaft. Die Bundesministerin für Bildung und Forschung, Edelgard Bulmahn, hatte im Rahmen der Initiative Wissenschaft im Dialog zusammen mit der Deutschen Physikalischen Gesellschaft das Jahr 2000 zum Jahr der Physik erklärt. Welcher Zeitpunkt könnte angemessener sein als der Beginn eines neuen Jahrtausends, um die Öffentlichkeit ausführlich über Physik und deren neueste Erkenntnisse zu informieren? Im Mittelpunkt dieser Bemühungen, die auch mit neuen Formen des Dialogs zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit experimentierten, standen fünf zentrale Veranstaltungen in Berlin und Bonn. Sie trugen die Titel Jenseits der Milchstraße, Reise zum Urknall, Gebändigtes Licht, Stein der Weisen und Entdeckung des Zufalls. Zu jeder Veranstaltung erschien ein Themenheft, das in allgemein verständlicher Sprache die neuesten Erkenntnisse der Wissenschaft auf dem jeweiligen Gebiet darstellt. Die außergewöhnlich große und positive Resonanz auf die Hefte war der Anlass für die Herausgeber, alle fünf in einem Band zusammen zu fassen und sie damit einem noch größeren Publikum zugänglich zu machen. Allen Autoren und denjenigen, die Abbildungen und Dokumente dafür bereit gestellt haben, sowie dem Verlag WILEY-VCH und der Agentur iserundschmidt sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Ganz besonderer Dank gebührt den wissenschaftlichen Experten auf Seiten der DPG, die durch sorgfältiges Korrekturlesen und viele wertvolle Hinweise und Ideen sehr zum Gelingen der Hefte beigetragen haben, u. a.: Gregor Morfill, Helmut Koch, Erwin Hilger, Dieter Meschede, Wolfgang Sandner, Ludwig Schultz, Klaus Wandelt und Christian Thomsen. Heiner Müller-Krumbhaar Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. Hermann-Friedrich Wagner Bundesministerium für Bildung und Forschung 3

5 Jenseits der Milchstrasse Reise zum Urknall Astronomie und Astrophysik Kern- und Teilchenphysik 6 Die Sonne 33 Vor Abflug Planeten, Monde und Kometen Sterne und Nebel Galaxien Höchste Ansprüche Wie funktioniert eigentlich ein Teilchenbeschleuniger? Alles Quark: Das Standardmodell Der Webfehler der Welt Geisterteilchen in der Waagschale 45 Kosmische Spuren im ewigen Eis 46 Supermikroskope für Protonen 48 Das Rätsel der kosmischen Ursuppe 51 Suche nach der Insel der Stabilität 54 Rezepte aus dem Kochbuch der Sterne 57 Schwere Geschütze gegen den Krebs 60 Teilchenbeschleuniger der Superlative 62 Starkstrom für Kernforscher 4 63 High-Tech und Völkerverständigung

6 Gebändigtes Licht Stein der Weisen Entdeckung des Zufalls Laser- und Atomphysik Festkörperphysik 100 Jahre Quantentheorie 66 Das Doppelleben des Lichts 92 Der Stein der Weisen 118 Die Entdeckung des Zufalls 71 An der Schwelle zur Quantenwelt 96 Enthüllung der Struktur 120 Ein physikalischer Traum Vom absoluten Nullpunkt bis zum Undulator Messen mit Licht Das blaue Wunder Am Puls des Moleküls Gebändigtes Röntgenlicht Filigrane Flächen Abstecher ins Quantenland Physik eiskalt serviert Komplexe Materie In der Welt der Zwerge Das große Quantenei Physikalische Zwillingsforschung Der Untergang des Abendlandes? Quantenphilosophie 5

7 Vorherige Seite: Jenseits der Milchstraße Bei der Galaxie ESO blickt man unmittelbar auf die Kante. Ein Staubstreifen ist erkennbar, der vermutlich das Zentrum ringförmig umgibt. (Foto: ESO) Reise zum Urknall Spuren von Teilchen, die aus einem zentralen Zusammenstoß von zwei Bleikernen resultieren. Computerdaten aus dem Experiment NA49. (Foto: CERN) Gebändigtes Licht Laserschneiden eines Werkstücks (Quelle: MPI für Mikrostrukturphysik) Stein der Weisen Kristall-Küche: Silizium ist der Stein der Weisen des Computer-Zeitalters. Allerdings kommen in der Natur keine reinen Siliziumkristalle vor. Deren Produktion ist sehr aufwendig, sie müssen aus einer glühenden Schmelze über mehrere Tage hinweg herangezüchtet werden. (Quelle: Wacker Siltronic) Entdeckung des Zufalls Niels Bohr, Claudia Schink, Öllasurmalerei, 1992 (Kontakt: Kunsthochschule für Medien Köln, KHM) Das Bild lehnt sich an Experimente zur radioaktiven Strahlung an, die zu Anfang des 20. Jahrhunderts durchgeführt wurden. Seite 7 Titelbild Jenseits der Milchstraße Das wohl berühmteste Sternentstehungsgebiet der rund Lichtjahre entfernte Orion-Nebel (Foto: MPIA) Seite 33 Titelbild Reise zum Urknall Eine Teilchenreaktion am Elektron-Positron Beschleuniger LEP (künstlerisch bearbeitet, Vorlage: CERN) Seite 67 Titelbild Gebändigtes Licht Beugungsbild, künstlerisch bearbeitet Seite 93 Titelbild Stein der Weisen Sand und Siliziumscheibe (Wafer): Den Rohstoff für Computer-Chips gibt es wie Sand am Meer es ist einfacher Quarzsand (Quelle: Infineon Technologies) Seite 119 Titelbild Entdeckung des Zufalls Portrait von Max Planck, der vor 100 Jahren den Grundstein zur Quantentheorie gelegt hat. Sein Bild ist aufgebaut aus den Namen zweier Physiker, die maßgeblich zur Weiterentwicklung der Theorie beigetragen haben: Albert Einstein und Werner Heisenberg. (Foto: Archiv zur Geschichte der Max-Planck- Gesellschaft, Berlin-Dahlem, künstlerische Bearbeitung: iser und schmidt) 6