Faszinierende Physik: Ein bebilderter Streifzug vom Universum bis in die Welt der Elementarteilchen

318 Pages·2015·20.668 MB·German

by  Benjamin Bahr, Jörg Resag, Kristin Riebe (auth.)

Benjamin Bahr
Jörg Resag
Kristin Riebe
Faszinierende
Physik
Ein bebilderter Streifzug
vom Universum
bis in die Welt der Elementarteilchen
. Aufl age
Faszinierende Physik
Benjamin Bahr · Jörg Resag · Kristin Riebe
Faszinierende
Physik
Ein bebilderter Streifzug vom Universum
bis in die Welt der Elementarteilchen
2. Auflage
Dr. Benjamin Bahr
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
Am Mühlenberg 1
14476 Golm
[email protected]
Dr. Jörg Resag
Johannisburger Str. 9
51373 Leverkusen
www.joerg-resag.de
Dr. Kristin Riebe
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam
An der Sternwarte 16
14482 Potsdam
[email protected]
ISBN 978-3-642-37811-9 ISBN 978-3-642-37812-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-37812-6
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im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Springer Spektrum
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Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz
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Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kenn-
zeichnung 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.
Planung und Lektorat: Dr. Vera Spillner, Bianca Alton
Redaktion: Bernhard Gerl
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Satz: Autorensatz, auf der Grundlage der Vorlage von Glaeser/Polthier
Einbandabbildung: Collage aus folgenden Bildern:
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Supernova-Überrest Cassiopeia A (links oben): NASA, ESA, K. France (University of Colordo, Boulder), P. Challis und R. Kirshner
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Einbandentwurf: deblik, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
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www.springer-spektrum.de
V
Einleitung
Das vorliegende Buch „Faszinierende Physik“ ist ein
Streifzug quer durch die moderne Physik und zugleich
eine bebilderte Reise durch die gelösten und ungelös-
ten Rätsel unseres Universums. Sie können das Buch
auf einer beliebigen Doppelseite aufschlagen und fin-
den dort ein bestimmtes Thema in sich abgeschlossen
dargestellt und mit vielen Bildern illustriert. Nach Be-
lieben können Sie in dem Buch blättern bis Sie auf et-
was stoßen, das Sie besonders interessiert und über das
Sie vielleicht schon immer Näheres erfahren wollten.
Sollten Sie dabei auf noch unbekannte Begriffe treffen, setzt worden (Bilder der Mathematik von Georg Gla-
so finden Sie in vielen Fällen im unteren Seitenbereich eser und Konrad Polthier, Spektrum Akademischer
nützliche Hinweise auf andere Buchabschnitte, in de- Verlag 2010), und es war eindrucksvoll zu sehen, wie
nen diese Begriffe näher erklärt werden, sowie ansprechend sich mathematische Themen
weiterführende Literatur und Internet- grafisch und inhaltlich darstellen lassen.
Links zu dem jeweiligen Thema. Sie So etwas wollten wir auch für die Phy-
können die einzelnen Themengebiete sik erreichen!
aber auch nacheinander lesen – sie –
+
sind logisch so angeordnet, dass Beim Zusammenstellen der The-
+
grundlegende Begriffe möglichst – men für das Buch wurde uns wieder
früh erklärt werden. einmal bewusst, welch weites Feld
sich die moderne Physik seit dem
Als Vera Spillner vom Springer Spek- Beginn der Neuzeit erobern konnte.
trum Verlag mit der Idee für das vorlie- Ende des neunzehnten Jahrhunderts
gende Buch auf uns, das Autorenteam, hatte man die Inhalte der heute als „klassi-
zukam, waren wir begeistert. Eine ähnliche sche Physik“ bekannten Themen zusammen.
Idee war im Bereich der Mathematik bereits umge- Manchem schien sogar die Physik insgesamt ein
weitgehend abgeschlossenes Fachgebiet zu sein. So er-
hielt der junge Max Planck im Jahr 1874 vom Münch-
ner Physikprofessor Philipp von Jolly die Auskunft,
dass in der Physik schon fast alles erforscht sei und nur
noch einige unbedeutende Lücken zu schließen sei-
en. Hätte er Recht gehabt, hätte dieses Buch deutlich
weniger spannende Themengebiete präsentieren kön-
nen. Doch selten hatte man sich unter Physikern mehr
geirrt als damals, und glücklicherweise ließ sich auch
Max Planck dadurch nicht von einem Physikstudium
abschrecken.
VI
Das zwanzigste Jahrhundert brachte eine Fülle phy- Zugleich hat die Quantenmechanik bisher jeden noch
sikalischer Entdeckungen, von denen man im neun- so ausgeklügelten experimentellen Test mit Bravour
zehnten Jahrhundert kaum zu träumen gewagt hatte. bestanden, sodass für die Praxis der pragmatische Leit-
Die atomare Struktur der Materie wurde experimen- spruch „shut up and calculate (sei still und rechne)“
tell nachgewiesen, und schrittweise wurde der Aufbau völlig ausreichend ist. Mehr dazu im Kapitel „Atome
der Atome entschlüsselt. Albert und Quantenmechanik“.
Einstein revolutionierte mit
seiner Speziellen und Allge- In der zweiten Hälfte des
meinen Relativitätstheorie in zwanzigsten Jahrhunderts
den Jahren 1905 und 1916 unser drang man dann mit immer
Verständnis von Raum und Zeit und mächtigeren Teilchenbeschleunigern
vereinte so die Mechanik mit der zunehmend tiefer in die Struk-
Elektrodynamik und der Gravi- tur der Materie vor. Waren
tation (siehe das Kapitel „Rela- aus den Untersuchungen
tivitätstheorie“). des Atoms zunächst nur drei
subatomare Teilchen bekannt
Die wohl folgenschwerste Umwäl- (Proton, Neutron und Elektron), so
zung erfuhr unser Weltbild aber durch die Quanten- entdeckte man im Lauf der Zeit einen ganzen Zoo in-
mechanik, die um das Jahr 1925 von Physikern wie stabiler Teilchen. Man konnte sie beispielsweise bei der
Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und vielen an- Kollision zweier hochenergetischer Protonen aus deren
deren entwickelt wurde. Nur mit ihrer Hilfe ließ sich mitgebrachter Bewegungsenergie erzeugen, woraufhin
der innere Aufbau der Atome verstehen. Doch dieser sie nur Sekundenbruchteile spä-
Erfolg hatte seinen Preis: Teilchen besaßen nun keine ter wieder zerfielen. Warum
wohldefinierte Teilchenbahn mehr, sondern ihre Bewe- gab es all diese Teilchen
gung im Raum musste durch Wahr- und welche Kräfte lie-
scheinlichkeitswellen be- ßen sie so schnell wie-
schrieben werden. Der der zerfallen? Um das
Zufall spielte plötzlich Jahr 1967 herum gelang
in der Physik eine es Physikern wie Steven
grundlegende Rolle, Weinberg, Abdus Salam,
und alle Versuche, Sheldon Lee Glashow, Pe-
ihn zu eliminieren, ter Higgs und vielen anderen,
schlugen bis zum diese Fragen im Rahmen des soge-
heutigen Tag fehl. nannten Standardmodells umfassend zu beantworten,
Wie zum Trotz soll das uns im Kapitel „Welt der Elementarteilchen“ be-
Albert Einstein un- gegnen wird.
gläubig „Gott würfelt
nicht“ gesagt haben. Bis Doch auch das Standardmodell kann nicht alle offenen
heute herrscht unter den Physikern Fragen beantworten, die sich uns heute in der Physik
keine Einigkeit über die korrekte Interpretation der stellen. Warum haben die Teilchenmassen genau die
Quantenmechanik und die Frage, was sie für unser Ver- Werte, die wir im Experiment vorfinden? Wie lassen
ständnis von einer objektiven Realität zu bedeuten hat. sich Gravitation und Quantenmechanik, die sich heute
VII
sowie die Kosmologie, die unser gesamtes Universum
und seine Entwicklung im Blick hat und die gerade in
den letzten Jahren eine Fülle neuer Erkenntnisse über
unsere Welt hervorgebracht hat. Sicher ist damit die
Liste interessanter physikalischer Themengebiete noch
lange nicht komplett, aber wir hoffen, dass bei den 134
Themen in diesem Buch für jeden Leser etwas Inter-
essantes dabei ist und dass dieses Buch viele Freunde
finden wird.
Die Grafiken in diesem Buch stammen aus unter-
schiedlichen Quellen. Viele wurden von uns, dem Au-
noch weitgehend unversöhnlich gegenüberstehen, mit- torenteam und dabei insbesondere von Kristin Riebe,
einander vereinen? Woraus besteht die dunkle Materie, selbst erstellt. Viele andere wurden von verschiedenen
die unser Universum durchdringt, und noch mysteri- Künstlern, Fotografen sowie Forschern und ihren In-
öser: woraus besteht die sogenannte dunkle Energie, stituten zur Verfügung gestellt (siehe den Bildnach-
die das Universum immer schneller auseinan- weis am Ende des Buches sowie die Angaben im
derzutreiben scheint? Ist unser Universum Fußbereich der einzelnen Buchabschnitte) –
womöglich nur ein kleiner Teil eines viel ihnen allen gilt unser Dank.
größeren Multiversums? Hier befinden
wir uns an der vordersten Front der Ganz besonders möchten wir uns bei
Forschung, und wir werden uns die Vera Spillner von Springer Spektrum
entsprechenden Ideen wie Super- bedanken, die das Autorenteam zu-
symmetrie, Stringtheorie oder Loop- sammengeführt hat und uns jederzeit
Quantengravitation im Kapitel „Gren- während der Erstellung des Buchma-
zen des Wissens“ genauer ansehen. nuskripts mit neuen Anregungen und
konstruktiver Kritik zur Seite stand –
Neben den bisher genannten Themenge- ohne sie hätte es dieses Buch so nicht ge-
bieten gibt es viele weitere Teilgebiete der Phy- geben. Unser Dank gilt auch Bianca Alton, die
sik, die nicht so eng mit der Ergründung der Natur- das Buch verlagsseitig von Beginn an bis zum Druck
gesetze als solchen verbunden sind, sondern die eher betreut hat. Nicht zuletzt möchten wir uns bei unseren
einen bestimmten Bereich der Natur zum Gegenstand Freunden und Familien für ihre Geduld und ihr Ver-
haben. Wir haben vier dieser Bereiche in unser Buch ständnis während der zeitintensiven Erstellungsphase
aufgenommen: die Festkörperphysik, welche die phy- dieses Buches
sikalischen Eigenschaften von Kristallen und anderen bedanken.
festen Körpern untersucht, die Geophysik, die sich mit
dem Aufbau unserer Erde und den darin ablaufenden Benjamin Bahr
physikalischen Vorgängen (beispielsweise der Platten- Jörg Resag
tektonik) beschäftigt, Astronomie und Astrophysik, die Kristin Riebe
sich mit dem Leben und Sterben von Planeten, Ster-
nen und ganzen Galaxien befassen und die mit ihren
wunderschönen Bildern natürlich nicht fehlen durften, Mai 2013
VIII Inhalt
Inhalt
Einleitung ............................................................................................................................................................................................V
Inhaltsverzeichnis .........................................................................................................................................................................VIII
1 Astronomie und Astrophysik ....................................................................................................................................................3
Die Sonne und ihr Magnetfeld – Sonnenflecken und Flares ...............................................................................4
Die Entstehung des Sonnensystems – Akkretionsscheiben und Protoplaneten .................................................6
Die Entstehung des Mondes – Wie der Einschlag des Planeten Theias den Mond erschuf ...............................8
Die Kepler’schen Gesetze – Wie sich die Planeten bewegen.............................................................................10
Satelliten mit geosynchronen Orbits – Kunstvolle Schleifen am Himmel ........................................................12
Der Rand des Sonnensystems – Wo genau zieht man die Grenze? ..................................................................14
Extrasolare Planeten – Die Suche nach Planeten jenseits des Sonnensystems .................................................16
Der Sternenhimmel – Sterne, Planeten und die Milchstraße ............................................................................18
Die Geburt von Sternen – Wie kontrahierende Gaswolken zu Sternen werden................................................20
Spektralklassen – Welche Farbe haben Sterne? ..................................................................................................22
Das Hertzsprung-Russell-Diagramm – Temperatur, Leuchtkraft und Lebensweg der Sterne .........................24
Cepheiden – Sterne mit Herzschlag ..................................................................................................................26
Planetarische Nebel – Das Ende gewöhnlicher Sterne ......................................................................................28
Weiße Zwerge – Ausgebrannte gewöhnliche Sterne .........................................................................................30
Thermonukleare Supernovae – Wenn weiße Zwerge zu nuklearen Bomben werden .......................................32
Kollaps-Supernovae – Das Ende massereicher Sterne ......................................................................................34
Inhalt IX
Neutronensterne – Ausgebrannte massereiche Sterne ......................................................................................36
Monstersterne und Hypernovae – Das kurze Leben und explosive Ende sehr massereicher Sterne ...............38
Standardkerzen – Leuchttürme im All ..............................................................................................................40
Supermassive schwarze Löcher – Schwerkraftmonster in den Zentren der Galaxien .......................................42
Aktive Galaxien – Intergalaktische magnetische Energieschleudern .................................................................44
Galaxientypen – Die Vielfalt der Galaxien ........................................................................................................46
Das Schicksal der Milchstraße – Wenn Milchstraße und Andromedagalaxie sich treffen ...............................48
Verschmelzende Galaxien – Kollision der Giganten .........................................................................................50
2 Elektromagnetismus und Licht .............................................................................................................................................53
Vektorfelder und Feldlinien – Richtungsweisende Hilfszeichnungen ...............................................................54
Die elektromagnetische Wechselwirkung – Maxwells Gleichungen der elektromagnetischen Felder ..............56
Hertz’scher Dipol – Schwingen und streuen .....................................................................................................58
Gewitter – Blitze, Elmsfeuer und Rote Kobolde ...............................................................................................60
Farben – Wie bunt ist die Welt? .........................................................................................................................62
Lichtbrechung – Licht auf krummen Touren ....................................................................................................64
Regenbogen – Ästhetische Lichtbrechung an Wassertropfen ...........................................................................66
Anisotrope Medien – Doppelt sehen ohne Alkohol .........................................................................................68
Optische Linsen – Abbildungen und Abbildungsfehler ...................................................................................70
Adaptive Optiken – Intelligente Spiegel ............................................................................................................72
Luftspiegelungen – Fliegende Holländer, Fata Morganas und Phantominseln ................................................74
Tarnvorrichtungen – Metamaterialien und der Traum von der Unsichtbarkeit ................................................76
3 Mechanik und Thermodynamik ...........................................................................................................................................79
Newtons Gesetze der Mechanik – Warum bewegt sich ein Körper? .................................................................80
Das Foucault’sche Pendel – Der Nachweis der Erdrotation ..............................................................................82
Kräftefreie Kreisel – Frei rotierende Körper in der Schwerelosigkeit .................................................................84
Kreisel mit äußerem Drehmoment – Präzession und Nutation ........................................................................86
Newtons Gravitationsgesetz – Von fallenden Äpfeln und kreisenden Planeten ................................................88
X Inhalt
Kosmische Geschwindigkeiten – Aufstieg und Absturz im Schwerefeld der Himmelskörper .........................90
Die Gezeiten – Wie der Mond Ebbe und Flut hervorbringt .............................................................................92
Das archimedische Prinzip – Oder warum Schiffe im Bermuda-Dreieck untergehen können .........................94
Die Physik der Strömungen – Wirbel und Turbulenzen ....................................................................................96
Warum fliegt ein Flugzeug? – Bernoulli oder Newton? .....................................................................................98
Gewöhnliche Wasserwellen – ... und ihre besonderen physikalischen Eigenschaften ....................................100
Besondere Wasserwellen – Tsunamis, Solitonen, Monsterwellen ..................................................................102
Der Lotuseffekt – Tauziehen zwischen Kohäsion und Adhäsion....................................................................104
Chaotische Bewegungen – Deterministisch, aber unvorhersehbar .................................................................106
Schwingende Saiten und Platten – Kann man Töne sehen? ............................................................................108
Resonanz – Wenn man beim Schwingen die richtige Note trifft .....................................................................110
Scheinkräfte – Wenn wir Kräfte spüren, ohne eine Ursache zu finden ...........................................................112
Granulare Materie – Flüssig und fest zugleich.................................................................................................114
Brown’sche Bewegungen – Das unvorhersagbare Verhalten von Staubkörnern, Pollen und Börsenkursen ....116
Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik – Was der Zeit eine Richtung gibt ........................118
Negative absolute Temperaturen – Heißer als heiß .........................................................................................120
4 Relativitätstheorie ....................................................................................................................................................................123
Lichtgeschwindigkeit und Spezielle Relativitätstheorie – Licht kann man nicht überholen ...........................124
Terrellrotation – Von hinten durch die Brust ins Auge ....................................................................................126
E = mc2 – Masse ist eingesperrte Energie ........................................................................................................128
Gravitation und Allgemeine Relativitätstheorie – Einsteins Theorie der Gravitation .....................................130