Die großen Fragen Physik

209 Pages·2011·1.491 MB·German

by  Michael Brooks (auth.)

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Physik
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Sachbuch
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Die großen Fragen
Physik
Michael Brooksist promovierter Physiker,Journalist
und Buchautor und berät den New Scientistauf den
Feldern Physik und Kosmologie.Er hat das vielgelobte
Buch Das Licht war früher auch mal schneller.13 ungelöste
Rätsel der Wissenschaft verfasst und schreibt regelmäßig
für britische Tageszeitungen wie Guardian,Independent,
Observerund Times Higher Education.
Die großen Fragenbehandeln grundlegende Probleme
und Konzepte in Wissenschaft und Philosophie,die
Forscher und Denker seit jeher umtreiben.Anspruch der
ambitionierten Reihe ist es,die Antworten auf diese
Fragen darzustellen und damit die wichtigsten Gedanken
der Menschheit in einzigartigen Übersichten zu bündeln.
Der Reihenherausgeber Simon Blackburnist Professor
für Philosophie an der Universität Cambridge,
an der Universität von North Carolina und einer der
angesehensten Philosophen unserer Zeit.
In der ReiheDie großen Fragen:
Philosophie
Physik
Universum
Mathematik
Michael Brooks
Die großen Fragen
Physik
Reihenherausgeber Simon Blackburn
Aus dem Englischen übersetzt von Anna Schleitzer
Inhalt
Einführung 6
Wozu ist Physik da? 8
Unmögliche Fragen, unerwarteter Lohn und der ewige Versuch,
die Welt zu verstehen
Was ist Zeit? 17
Fortschritt, Chaos und Einsteins elastische Uhren
Was geschah mit Schrödingers Katze? 28
Quantenphysik und das Wesen der Wirklichkeit
Warum fällt der Apfel nach unten? 38
Gravitation, Masse und das Mysterium der Relativität
Sind feste Stoffe wirklich fest? 48
Atome, Quarks und Festkörper, die durch die Finger schlüpfen
Warum gibt es nichts umsonst? 57
Energie, Entropie und ewig währende Bewegung
Ist letztlich alles Zufall? 66
Unbestimmtheit, Quantenwirklichkeit und die wahrscheinliche
Rolle der Statistik
Was ist Gottes Teilchen? 76
Higgs-Boson, LHC und die Suche nach dem Sinn der Masse
Bin ich einmalig? 85
Die Grenzen des Universums und die Suche nach Parallelwelten
Können wir durch die Zeit reisen? 95
Was ist Realität, was ist Science Fiction?
|
Inhalt 5
Wird das Erdmagnetfeld verschwinden? 104
Wandernde Pole, ein brodelnder Kern und Gefahr für das irdische
Leben
Warum ist Egleich mc2? 114
Die Frage, auf der das Universum (be)ruht
Verändert ein Blick das Universum? 123
Geisterhafte Verbindungen zwischen Quanten und die Chance,
die Geschichte umzuschreiben
Ist Chaos gleich Katastrophe? 133
Wie ein Schmetterling das Wetter, das Klima und die Planetenbahnen
bestimmt
Was ist Licht? 144
Eine seltsame Welle und ein noch seltsameres Teilchen
Geht es in der Stringtheorie um Bindfäden? 153
Schwingungen, aus denen die Welt besteht
Warum gibt es überhaupt etwas? 162
Urknall, Antimaterie und das Geheimnis unserer Existenz
Leben wir in einer Simulation? 172
Menschliches Wesen, physikalische Gesetze und der
unaufhaltsame technische Fortschritt
Welche ist die stärkste Naturkraft? 181
Stricke, die das Universum binden, und ihr Ursprung: die Superkraft
Was ist das wahre Wesen der Realität? 191
Jenseits der Quantenwelt erstreckt sich das Reich der Information
Glossar 201
Index 205
Einführung
Der Reiz der Physik lässt sich in einer einzigen Tatsache zusammenfassen:
Ein Kind kann Fragen stellen,die kein Professor beantworten kann.Die
„großen Fragen“ der Physik auszuwählen,ist in der Tat wie die Suche nach
Heu im Heuhaufen.In der Physik scheint es einfach keine „kleinen“ Fra-
gen zu geben.Jedes ursprünglich harmlose Experiment,jede unbedeuten-
de Erkundung kann zu fundamentalen Erkenntnissen führen.
So ist es nur ein kleiner Schritt von der Frage,ob die Gesetze der Physik
sich jemals ändern werden oder gebrochen werden können,bis zu der Fra-
ge,ob unsere Welt Platz für einen Schöpfer hat.Und da hört es noch nicht
auf:Die Physik sagt uns,dass ein solcher Schöpfer nicht notwendigerweise
ein Gott sein muss.Vielleicht leben wir irgendwo tiefdrinnen in einem
unendlich großen Haufen ineinander verschachtelter Universen,jedes er-
schaffen von einer Spezies,deren Intelligenz jene ihrer Schöpfung nur um
ein Geringes übersteigt.Vielleicht sind wir auch selbst dazu ausersehen,
ein Universum zu erschaffen.
Angesichts der überwältigenden Größe dieser Fragen ist es kein Wun-
der,dass die allermeisten Wissenschaftler,die in unserer Generation Kult-
status erreicht haben,sich ausgerechnet mit Physik befasst haben.Albert
Einstein wurde fast über Nacht berühmt,nachdem seine Relativitätstheo-
rie unsere Weltsicht aufein ganz neues Fundament gestellt hatte.Carl Sa-
gans Fernsehserie „Unser Kosmos“ gehörte in den USA zu den öffentlich-
rechtlichen Programmen mit den höchsten Einschaltquoten und wurde in
vielen anderen Ländern ausgestrahlt.Richard Feynman,der sachlich-küh-
le Ermittler der physikalischen Ursachen der Challenger-Katastrophe,zeig-
te eindrucksvoll,wie weit man kommt,wenn man sein Fach nicht nur in
der Theorie beherrscht.Stephen Hawkingweckte mit seinem Beststeller
Eine kurze Geschichte der Zeitdie Neugier aufnaturwissenschaftliche Zu-
sammenhänge in Menschen,die noch niemals zuvor einen Gedanken dar-
an verschwendet hatten.In die Liga dieser Giganten gehören höchstens
vielleicht noch die Entdecker der DNA.
Und trotzdem,davor kann man die Augen nicht verschließen,scheuen
die Leute vor Physik zurück.Wenn ich beiläufig erwähne,Physik studiert
zu haben,fühle ich mich von meinen Gesprächspartnern mit einer seltsa-
men Mischung aus Verehrung und Verlegenheit beäugt.Einerseits erstar-
ren sie in Ehrfurcht vor jedem,der offenbar versucht,diese Welt zu verste-
M. Brooks, Die großen Fragen Physik, DOI 10.1007/978-3-8274-2622-2_1,
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013
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Einführung 7
hen;anderseits halten sie – jedenfalls die meisten – das Fach für zu hoch
für den eigenen Geist.„Oje“,stöhnen sie dann,„Physik habe ich in der
Schule nie verstanden.“
Fühlen Sie sich jetzt ertappt? Dann wird dieses Buch Ihre Sicht der Din-
ge hoffentlich ändern.Das vermutlich bestgehütete Geheimnis der Physik
lautet nämlich:Überhaupt niemand wird jemals alles verstehen können.
Aber das ist kein Problem,im Gegenteil:Darin wurzelt,wie eingangs ge-
sagt,der Reiz unseres Fachs.
Die Physik hat so viel zu erklären,dass Sie,wenn Sie einmal in ihre Fän-
ge geraten sind,schwer wieder von ihr loskommen.Jede Uhr an der Wand
kitzelt Sie,sich mit der Zeit,diesem flüchtigen Wesen,auseinanderzuset-
zen.Der Sonnenschein entsteht in einem choreographisch ausgefeilten
Teilchenballett namens Kernfusion.Regentropfen fallen aufden Boden –
warum eigentlich? Aufder Suche nach der Antwort geht auch das längste
Unwetter vorbei wie im Flug.Das Wachstum einer Sonnenblume erzählt
Ihnen von der Energieerhaltungund vom prägenden Einfluss des Lichts
aufdie Gestalt unseres Planeten.Der nächste Schritt wird dann sein zu
fragen,was Licht ist – und schon haben Sie einen Zipfel dessen gepackt,
was allgemein als größtes Rätsel der Natur überhaupt gilt.
Dieses Buch soll Ihnen zeigen,wie die Suche nach der Antwort aufein-
fache Fragen bei einigen der tiefgreifendsten Entdeckungen in der Ge-
schichte der Menschheit endete.Dabei geht es um Physik,wie Sie sie ver-
mutlich nicht in der Schule gelernt haben,nämlich:Was ist der Kern des
Ganzen,wie groß ist die Tragweite? Was wissen wir über das Universum,
und was nicht? „Irgendwo wartet etwas Unglaubliches darauf,entdeckt zu
werden“,sagte Carl Sagan.Hoffentlich beginnt die Reise hier.
Wozu ist Physik da?
Unmögliche Fragen, unerwarteter Lohn und
der ewige Versuch, die Welt zu verstehen
Seit Jahrzehnten geistert diese Frage durch die Klassenzimmer.
Was als Antwort geboten wird, beginnt in der Regel mit einem
Erlebnis, das angeblich der legendäre griechische Philosoph Archi-
medes mit der Krone des Königs Hieron hatte.
Hieron herrschte in der sizilianischen Stadt Syrakus.Er hatte einem Hand-
werker eine bestimmte Menge Gold gegeben,die dieser zu einer neuen
Krone verarbeiten sollte.Kaum hatte Hieron das fertige Stück in der
Hand,wurde ihm auch schon zugetragen,der Goldschmied habe einen
Teil des Rohmaterials in betrügerischer Absicht durch Silber ersetzt.Dem
nicht viel mehr als 20 Jahre alten Archimedesfiel die Aufgabe zu,die
Wahrheit herauszufinden.
Wie Marcus Vitruvius Pollio,ein römischer Geschichtsschreiber,zu be-
richten weiß,fand Archimedes die Lösung,als er beim Baden über das von
seinem Körper verdrängte Wasser nachdachte.Silber hat eine geringere
Dichte als Gold;ein Klumpen Silber mit einem bestimmten Gewicht hätte
ein größeres Volumen (würde also mehr Wasser verdrängen) als ein gleich
schwerer Klumpen Gold.Archimedes tauchte nacheinander Gold- und Sil-
berklumpen ins Wasser,die genauso viel wogen wie die Krone,und beob-
achtete,wie viel Wasser sie jeweils verdrängten.So konnte er entscheiden,
ob die Krone tatsächlich aus reinem Gold bestand.Wie die Legende will,
rannte der Philosoph,entzückt von seinem Geistesblitz,nackt aufdie Stra-
ße und riefdabei „Heureka!“,was bekanntlich bedeutet:„Ich habe es ge-
funden!“
Ist die Physikalso dazu da,Antworten aufscheinbar unbeantwortbare
Fragen zu finden? Wir modernen Menschen sind in der Lage,unsere Um-
welt aufeiner enorm breiten Skala zu untersuchen.Was man einst als
Grenze der Teilbarkeit der Materie ansah,haben wir längst wieder und
wieder unterschritten,bis hinab zum Atom,weiter zu dessen elementaren
Bestandteilen und schließlich bis zu einer Stufe,aufder alle Materie als
Fluktuation der Energie des Vakuums betrachtet wird (hSind feste Stoffe
M. Brooks, Die großen Fragen Physik, DOI 10.1007/978-3-8274-2622-2_2,
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013
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Wozu ist Physik da? 9
wirklich fest?).Am anderen Ende der Skala bildete lange das sichtbare Fir-
mament die Grenze der Erkenntnis;heute wissen wir,dass das Weltall rie-
sengroß ist,so groß,dass man 28 Milliarden Jahre bräuchte,um von ei-
nem Rand zum anderen zu fliegen (→Bin ich einmalig?).Und,nicht zu
vergessen:Auch das Konzept der Lichtgeschwindigkeit als einer definier-
ten,konstanten Größe gehört zu den hart erkämpften Triumphen der
Physik (hKönnen wir durch die Zeit reisen?).
Wir wissen heute viel über die Geschichte
„Ich weiß nicht, was die
der Universums,die Struktur der Materie und
Welt über mich denkt, aber
den Aufbau unseres Planeten,aber der viel-
in meinen eigenen Augen
leicht wichtigste Punkt,den wir gelernt haben,
bin ich nicht mehr als ein
ist dieser:Wann auch immer wir denken,wir
Junge, der am Strand spielt
hätten die Natur endgültig verstanden,über-
und Vergnügen daran fin-
rascht sie uns aufs Neue und zeigt uns,wie lü-
ckenhaft unser Wissen tatsächlich ist.Vielleicht det, von Zeit zu Zeit einen
am treffendsten formulierte diesen Gedanken besonders glatten Kiesel
Isaac Newtonin seinen Lebenserinnerungen: oder eine besonders hüb-
„Ich weiß nicht,was die Welt über mich denkt“, sche Muschel zu entde-
schriebt er,„aber in meinen eigenen Augen bin cken, während der große
ich nicht mehr als ein Junge,der am Strand Ozean der Wahrheit uner-
spielt und Vergnügen daran findet,von Zeit zu
gründet vor seinen Füßen
Zeit einen besonders glatten Kiesel oder eine
liegt.“
besonders hübsche Muschel zu entdecken,
ISAACNEWTON
während der große Ozean der Wahrheit uner-
gründet vor seinen Füßen liegt.“
Eine Alternative zum Aberglauben
Eine Seite der Physik mag Newton weniger geschätzt haben als alle ande-
ren:ihr Potenzial,Mystizismus und Aberglaubenden Boden zu entziehen.
Newton war ein großer Alchimist und kannte sich hervorragend in der Bi-
bel aus;seine Schriften zum Buch Daniel im Alten Testament betrachtete
er selbst als seine größte Leistung.Wann immer die Physik drohte,spiri-
tuelle Dinge in Zweifel zu ziehen,erzitterte Newton.Jedem Astronomen,
der die Religion kritisierte,hielt er entgegen:„Ich habe das studiert,Sie
nicht.“ In seinem „Uhrwerkuniversum“ war Platz für Gottes Wirken,aber
der Vormarsch der Physik verdrängte bald die göttliche Hand.Als Kaiser
Napoleon Pierre-Simon Laplacezu seiner druckfrischen Abhandlung über