Auf einen Blick. Teil I: Am Anfang war : Frühe Ideen über das Universum Teil II: Moderne Kosmologie: Am Anfang war der Urknall...

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1 Auf einen Blick Einführung Teil I: Am Anfang war : Frühe Ideen über das Universum Kapitel 1 Das frühe Universum erforschen Kapitel 2 Zu den Sternen aufblicken: Was die Menschen früher glaubten. 41 Kapitel 3 Newton, die Schwerkraft und die Bewegung der Planeten Teil II: Moderne Kosmologie: Am Anfang war der Urknall Kapitel 4 Krümmung des Universums: Magnetismus und Schwerkraft.. 81 Kapitel 5 Das Universum vermessen Kapitel 6 Die Vorbereitung des Urknalls Kapitel 7 Der Teig geht auf: Expansion und Inflation des Universums Kapitel 8 Unterschiedliche Gedanken über das Universum Teil III: Das Do-it-yourself-Universum Kapitel 9 Ganz von Grund auf beginnen Kapitel 10 Volle Kraft voraus: Die Rolle der Grundkräfte im Universum. 197 Kapitel 11 Licht ins Dunkel bringen Kapitel 12 Mit dem Chemiekasten des Universums spielen Kapitel 13 Die Entstehung von Sternen, Sonnensystemen, Galaxien Kapitel 14 Die Entstehung des Lebens Kapitel 15 Eine Reise durch die Zeit Teil IV: Schwierige Fragen Kapitel 16 Das Unerklärliche erklären Kapitel 17 Die Suche nach außerirdischem Leben Kapitel 18 Dem Ende entgegen Teil V: Der Top-Ten-Teil Kapitel 19 Zehn Ansichten über den Ursprung des Universums Kapitel 20 Die zehn größten Fortschritte in der Kosmologie Anhang Wissenschaftliche Einheiten und Gleichungen verstehen Stichwortverzeichnis _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:14

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3 Inhaltsverzeichnis Über die Autoren... 9 Einleitung Über dieses Buch Konventionen in diesem Buch Was Sie nicht lesen müssen Törichte Annahmen über den Leser Wie dieses Buch aufgebaut ist Teil I: Am Anfang war : Frühe Ideen über das Universum Teil II: Moderne Kosmologie: Am Anfang war der Urknall Teil III: Das Do-it-yourself-Universum Teil IV: Schwierige Fragen Teil V: Der Top-Ten-Teil In diesem Buch verwendete Symbole Wie es weitergeht TEIL I Am Anfang war : Frühe Ideen über das Universum Kapitel 1 Das frühe Universum erforschen Ansichten ändern sich wissenschaftlich gesprochen Wissenschaft und Religion im Gegensatz Das Wort Kosmologie Der Blick zum Anfang des Universums Der Luxuslimousinen-Effekt Der Anfang Warum die Jetztzeit so aufregend ist Kapitel 2 Zu den Sternen aufblicken: Was die Menschen früher glaubten Ein Heim für die Götter: Frühe Weltbilder Zerteilung des Gerippes eines Gottes: Die babylonische Schöpfungsgeschichte Liebe zwischen den Sternen: Ägyptische Götter am Himmel _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:14

4 14 Inhaltsverzeichnis Eine wissenschaftliche Herangehensweise: Frühe Ansichten Der sich die Sphärenharmonie vorstellte: Pythagoras Der die Grenzen verschob: Anaxagoras von Klazomenai Der seinem Wandelstern folgte: Aristarch von Samos Der den Sieg davontrug: Aristoteles Der das aristotelische System verfeinerte: Ptolemäus Die Sonne in die Mitte rücken: Die kopernikanische Revolution Kapitel 3 Newton, die Schwerkraft und die Bewegung der Planeten Tycho Brahe, ein aufgehender Stern Die Arbeit in der größten Sternwarte der Welt Der Gehilfe und Überwinder von Brahe: Johannes Kepler Die Formulierung der keplerschen Gesetze Keplers Erbe würdigen Das Universum gibt sich zu erkennen: Galileo Der Schiefe Turm und die Schwerkraft Ein Blick durch Galileos Augen Venus durchläuft Phasen Die Entdeckung von Flecken auf der Sonne Galileos Konfrontation mit der Kirche Zuschauen, wie der Apfel fällt: Isaac Newton Alles miteinander verknüpfen Die Wertschätzung von Newtons Principia Keine Spekulation über die Ursache der Schwerkraft Betrachtung der Wirkung von Newtons Theorien TEIL II Moderne Kosmologie: Am Anfang war der Urknall. 79 Kapitel 4 Krümmung des Universums: Magnetismus und Schwerkraft Die Bestätigung der newtonschen Gesetze Das Problem mit dem Merkurperihel Das Licht als elektromagnetische Welle: James Clerk Maxwell Auf dem elektromagnetischen Feld spielen Maxwells wunderbare Gleichungen Die Entdeckung eines verblüffenden Zusammentreffens Die Abschaffung des Äthers: Michelson und Morley _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:14

5 Inhaltsverzeichnis 15 Bläst der (Äther-)Wind? Untersuchung des Ätherwindes Der relative Albert Einstein Nachdenken über einen physikalischen Widerspruch: Die spezielle Relativitätstheorie Die Dehnung der Zeit Der Zusammenhang von Masse und Energie Weiter geht s zur allgemeinen Relativitätstheorie Kapitel 5 Das Universum vermessen All die funkelnden Sterne untersuchen Die Sachen etwas genauer anschauen Die Farben der Sterne vergleichen Die Sterne klassifizieren Nach der Oberflächentemperatur sortieren Unterschiedliche Helligkeiten Veränderliche Sterne aller Art Sternentfernungen messen Die Parallaxe Die Parallaxe auf die Sterne anwenden Die Entfernungsbestimmung mittels Standardkerzen Mit dem Dopplereffekt Sterne ins rote Licht rücken Ein für alle Zeiten expandierendes Universum betrachten Die Erforschung der Nebelflecken Das vergrößerte Weltbild Hubbles Kapitel 6 Die Vorbereitung des Urknalls Die Zutaten für ein expandierendes Universum zusammenstellen. 134 Die Vorhersage eines expandierenden Universums Die Beobachtung des expandierenden Universums Die Expansion durch Aufblasen eines»universellen«luftballons verstehen Für die Expansion vorheizen Klein anfangen Die Namensgebung des Urknalls In den Ofen schauen und nach fossiler Strahlung Ausschau halten. 139 Die Strahlung fühlen Wann der CMB entstand Den CMB entschlüsseln Variationen im CMB finden _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:14

6 16 Inhaltsverzeichnis Die Quelle der Variationen im CMB identifizieren Schwarzkörperstrahlung beobachten Die damit verknüpfte Energiemenge abschätzen Kapitel 7 Der Teig geht auf: Expansion und Inflation des Universums Zum Anfang zurückgehen Das Universum definieren Wieder zurück zum Ursprung Über den Horizont nachdenken Dem Universum eine Form geben Ein kollabierendes Universum Ewige Expansion Ein Universum gerade richtig zum Leben Sich die Inflation vorstellen Exponentielle Expansion Einige knifflige Probleme lösen Die Schwerkraft umkehren Die Inflation hinbiegen Kapitel 8 Unterschiedliche Gedanken über das Universum Ewige Existenz: Eine Alternative zum Urknall Die Rosinen aus dem Kuchen picken die Vorstellung eines konstanten Universums Die Steady-State-Theorie Das Schöpfungsfeld betrachten Die weitere Entwicklung der Steady-State-Theorie Das Universum auf andere Weise erklären Kosmische Zutaten zusammenmischen: Das Mixmaster-Universum Die Theorie der Lichtermüdung Mit Materie und Antimaterie spielen: Plasmakosmologie Weitere merkwürdige kosmologische Theorien _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:15

7 Inhaltsverzeichnis 17 TEIL III Das Do-it-yourself-Universum Kapitel 9 Ganz von Grund auf beginnen Was ist Materie? Auf der Suche nach den Grundbausteinen Vorstoß zu immer kleineren Bereichen doch nur bis zu einem bestimmten Punkt Thomson und die Entdeckung des Elektrons Ernest Rutherford und die Zerlegung des Atoms Über Elektronen, Protonen und Neutronen hinaus: Die Quantenmechanik Die Geburt der Quantenmechanik: Max Planck Eine neue Vorstellung vom Atom Reist Licht als Welle oder als Teilchen oder als beides? Einen Kompromiss schließen: Werner Heisenberg Die Erforschung der Wahrscheinlichkeiten Antimaterie Was negative Zahlen bedeuten Die Entdeckung des positiven Elektrons Was ist Antimaterie? Das Standardmodell Die Klassifikation von Quarks Zusammengesetzte Teilchen Immer mehr Quarks: charm, top und bottom Elektronen und mehr im Standardmodell Die Anordnung in Familien Kapitel 10 Volle Kraft voraus: Die Rolle der Grundkräfte im Universum Kräfte am Werk Newtons Kraftbegriff Die Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus: Die elektromagnetische Kraft Tief im Innern des Atoms: Die schwache Wechselwirkung Den Kern zusammenhalten: Die starke Wechselwirkung Die Vereinheitlichung der Naturkräfte Die Übertragung der schwachen Wechselwirkung Die Übertragung der starken Wechselwirkung Die Quantengravitation _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:15

8 18 Inhaltsverzeichnis Die Teilchen erhalten Masse: Das Higgs-Feld und das Higgs-Boson Die Suche nach GUTs und TOEs: Grand Unified Theories und Theories of Everything Kapitel 11 Licht ins Dunkel bringen Ein schwarzer Elefant in der finsteren Kammer: Die Dunkle Materie Die dunkle Seite des Universums entdecken Die Entdeckung seltsamer Rotationskurven von Galaxien Die Definition der Dunklen Materie Die Kartierung der Dunklen Materie im Universum Noch dunkler: Dunkle Energie Die kosmologische Konstante Quintessenz Die Saiten des Universums Das Stück einer Saite vermessen Vergleich im Wettbewerb stehender Stringtheorien Kapitel 12 Mit dem Chemiekasten des Universums spielen Ein Rundgang durch das Periodensystem der Elemente Der Wasserstoff Dem Gemisch Neutronen hinzufügen Die Elektronenwolken betrachten Die Häufigkeit der chemischen Elemente berechnen Die Erzeugung von Wasserstoff und Helium im Urknall Die Geburt eines Sterns Vom Wasserstoff zum Helium Ein chemisches Hindernis tut sich auf Schwerere Elemente erzeugen Ein Zyklus aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff Sterne aufgrund ihrer Chemie klassifizieren Sterne der Population I Sterne der Population II und III Schwere Elemente mittels Supernovae erzeugen Supernovae vom Typ Ia Supernovae vom Typ II _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:15

9 Inhaltsverzeichnis 19 Kapitel 13 Die Entstehung von Sternen, Sonnensystemen, Galaxien Die Entstehung von Sternen Ein Besuch in den Kinderstuben der Sterne Allgemeine Wahrheiten bei den ältesten Sternen entdecken. 247 Die Bildung von Sonnensystemen Die Entstehung von Galaxien Die Spiralgalaxien Die Spiralarme bilden sich Alles im Universum inventarisieren Galaxien Sterne Schwarze Löcher Das große Ganze: Jenseits der Milchstraße Die Lokale Gruppe besuchen Die Anhäufung von Galaxien Die Superhaufen Das kosmische Netzwerk weben Kapitel 14 Die Entstehung des Lebens Die Definition des Lebens Komplexität Stoffwechsel Entwicklung Autonomie Fortpflanzung Eine Arbeitsdefinition skizzieren Die Anfänge des Lebens aufspüren Das Alter des Lebens auf der Erde berechnen Die Anfänge des Lebens erkunden Ein Teller voll warmer Ursuppe Den Zeh in Darwins Tümpel tauchen Im Innern der Zelle: DNA und Proteine Das Problem vom Huhn und dem Ei Leben in einem Universum, das»gerade richtig«ist _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:15

10 20 Inhaltsverzeichnis Kapitel 15 Eine Reise durch die Zeit Die Vergangenheit, die Gegenwart und die Zukunft Eine andere Sicht auf die Raumzeit: Weltlinien und Lichtkegel Nach Tachyonen fischen Die Kausalität betrachten Die Geschwindigkeit der Schwerkraft Die Zeit zurückdrehen Schneller als das Licht Die Zeit vor dem Urknall Alles in einem singulären Zeitpunkt aufsummieren Ein unendliches Universum betrachten TEIL IV Schwierige Fragen Kapitel 16 Das Unerklärliche erklären Den Tod von Sternen beobachten Augen auf bei Schwarzen Löchern Die Entstehung von Schwarzen Löchern Das Unsichtbare sehen Die Klassifikation Schwarzer Löcher Ins Innere der Schwarzen Löcher schauen Der Fall in ein Schwarzes Loch Der Durchbruch zur anderen Seite Neutronensterne Das paulische Ausschließungsprinzip Den Puls von Neutronensternen prüfen Quasare, die faszinierenden Herzen der Galaxien Die Erschaffung von Paralleluniversen Eine Reise durch den unendlichen Raum Seifenblasen aus der Inflation Kapitel 17 Die Suche nach außerirdischem Leben Die Suche nach Leben im Sonnensystem Mars Titan _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:15

11 Inhaltsverzeichnis 21 Die Suche nach Leben tragenden Planeten außerhalb des Sonnensystems Das Sternlicht oszilliert: Die Radialgeschwindigkeit Planeten im Walzertakt: Astrometrie Schatten jagen: Die Durchgangsmethode Wie man intelligentes Leben anderswo finden kann Sich auf Radiowellen verlassen Man fragt sich, wo all die Außerirdischen sind Kapitel 18 Dem Ende entgegen Wenn die Sonne erlischt Das Schicksal des Universums Warum die Dichte des Universums wichtig ist Das Ende eines offenen Universums: Das große Erstarren Das Ende eines geschlossenen Universums: Der große Kollaps Ein anderes Ende in Sicht: Der große Verriss TEIL V Der Top-Ten-Teil Kapitel 19 Zehn Ansichten über den Ursprung des Universums Jüdisch-christliche Schöpfung: Am Anfang war Islamische Schöpfung: Es öffnen sich Himmel und Erde Die Schöpfung der Hindus: Eine Folge von Zyklen Die buddhistische Schöpfung: Ursache und Wirkung ohne einen Schöpfer Die shintoistische Schöpfung: Die Erde, jung und glatt Afrikanisches Volkstum: Der Ursprung aus dem Ei Die irokesische Schöpfung: Die Geschichte mit der Schildkröte Adams: Das Leben, das Universum und der ganze Rest Pratchett: Absurdität und eine weitere Riesenschildkröte Kapitel 20 Die zehn größten Fortschritte in der Kosmologie Der Cosmic Background Explorer (COBE) Das europäische Elementarteilchenphysik-Laboratorium (CERN) Das Hubble Space Telescope Super-Kamiokande Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:15

12 22 Inhaltsverzeichnis Das Chandra-Röntgen-Observatorium Fermilab Das Atacama Cosmology Telescope (ACT) Die Mount-Wilson-Sternwarte Die Keck-Teleskope Wissenschaftliche Einheiten und Gleichungen verstehen Exponenten Andere mathematische Schreibweisen Wissenschaftliche Einheiten Das Meter Das Kilogramm Die Sekunde Das Kelvin Nicht-SI-Einheiten Winkel Länge Wichtige Gleichungen Das dritte keplersche Gesetz Newtons Gravitationsgesetz Die allerberühmteste Gleichung Das hubblesche Gesetz Stichwortverzeichnis _Pincock_Der Ursprung des UniversumsFD_46456.indb :58:15