Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos. Ein Streifzug durch die moderne Physik PDF
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Bogdan Povh Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos Ein Streifzug durch die moderne Physik VondenTiefendesAllsindenMikrokosmos Bogdan Povh Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos Ein Streifzug durch die moderne Physik BogdanPovh Max-Planck-InstitutfürKernphysik Heidelberg,Deutschland ISBN978-3-662-50266-2 ISBN978-3-662-50267-9(eBook) DOI10.1007/978-3-662-50267-9 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbiblio- grafie;detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2017 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,die nichtausdrücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmung desVerlags.DasgiltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,Mikro- verfilmungenunddieEinspeicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesem WerkberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamen imSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenund dahervonjedermannbenutztwerdendürften. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformatio- nenindiesemWerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.Wederder VerlagnochdieAutorenoderdieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,Gewähr fürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehleroderÄußerungen. Planung:MargitMaly GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. SpringeristTeilvonSpringerNature DieeingetrageneGesellschaftistSpringer-VerlagGmbHBerlinHeidelberg Vorwort DieNaturwissenschaftbeschreibtunderklärtdieNaturnicht einfach so, wie sie „an sich“ ist. Sie ist vielmehr ein Teil des WechselspielszwischenderNaturundunsselbst. WernerHeisenberg DreiMinuten nach dem Anfang der kosmologischenZeit- rechnung gab es im Universum nur Wasserstoff, Helium, geheimnisvolledunkleMaterieundvielEnergie.Nochdrei- mal mussten Wasserstoff und Helium in Sternen verbren- nen, um den Staub durch Mischung der Elemente zu syn- thetisieren,ausdemdieErdebesteht.DieSonneliefertedie notwendigeEnergie,umdasLeben,dasWasserunddieAt- mosphäre zu ermöglichen, die die Erde in ihrer heutigen Form prägen. Aus diesem kosmischen Staub besteht auch derMensch, dergerneverstehen will,obeseine kosmische Formelgibt,diezuseinerExistenzgeführthat.Dabeikann essein,dassandereWesenauferdähnlichenPlanetenleben oder er alleine in unserem Universum ist. Aber die physi- kalischenGesetzeerlaubenauch,dassunserUniversumnur einesvonvielenUniversenistund dasEntstehen desMen- schen nicht nur eine biologische Evolution, sondern auch einekosmische Evolutionverlangt. VI VondenTiefendesAllsindenMikrokosmos Um dieFragenach unserer Herkunft stellenzu können, mussten wir den Weg über die Erforschung der physikali- schen Gesetze, erst des Sonnensystems, dann der Atome, KerneundihrerBausteinebeschreiten.MitderErforschung derelementarenBausteinederMateriehabenwirrealisiert, dassderenPhysikunddiePhysikdesfrüherenUniversums 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 Ent- wicklungdesUniversumsvonAnfanganverfolgen.Wasvor diesemAnfangwarundwarumdieserAnfangdieindiesem Buch beschriebene Form des Universums verursacht hat, bleibtunsbisherodergarfürimmerverschlossen. Das Bild der täglichen Welt wird von unserem Gehirn mit den Informationen, die unsere Augen und andere Sin- nesorganeaufnehmen,geformt.Dasisteinsehrqualitatives und subjektives Bild der Welt. Die Vermessung der Welt liefert neue quantitative Informationen über sich, die zu einemverfeinertenBildderNaturführenunddieinderNa- turherrschendenphysikalischenGesetzeenthüllen.Mitim- mer größeren Teleskopensehen wir tiefer und tiefer in das All,mitdenimmergrößerwerdendenBeschleunigernsehen wir immer tiefer und tiefer in den Mikrokosmos. Um aus den Informationen, die Teleskope und die Beschleuniger liefern,einBildderNaturzubekommen,müssenmenschli- cheGehirnearbeiten.DasBuchbeschreibtdasWechselspiel zwischen dem Experiment und uns in der Bemühung, die physikalische Welt und die in ihr herrschenden Gesetze zu verstehen.DeswegenwirdimBucherstdasExperimentund danndieDeutung präsentiert. Vorwort VII DiePhysikisteinederbestimmendenKräfteindermo- dernenWelt.DiesbetrifftunsereWeltanschauungwieauch die politischen Diskurse über die Energie, das Weltklima und die Ethik. Das Buch will das Hintergrundwissen ver- mitteln,umdieaktuellenDiskursebesserzuverstehenund daranteilhabenzukönnen. Die Anregung, dieses Buch zu schreiben, wie auch den Vorschlagdes Titels hat mir FrauDr. 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 Text- korrekturen und die Herstellung der Bilder bedanke ich mich bei Herrn Baptist Piest, Patrick Froß und Sebasti- an Kebrich. Zwei Wirtschaftsprofis, Wolfram Sutter und Godehard Wackenhut, haben getestet, ob das Buch für Nichtnaturwissenschaftler geeignet ist. Besonderen Dank schuldeichdemLektor, HerrnBernhardGerl,dermitviel Mühe den trockenen Text aufgelockert und die Untertitel miteinprägsamenErweiterungenergänzthat.AlsEmeritus desMax-Planck-InstitutsfürKernphysikgenießeichdessen volleUnterstützung beimeinerArbeit. Heidelberg2016 BogdanPovh Inhaltsverzeichnis 1 FreierFall–vondenAnfängenderAstronomie bishinzurdunklenEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 GalileiunddieErdanziehung . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Newton und die Kraft – was hat ein Apfel mitderGravitationzutun? . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3 DieKepler’schenGesetze–wiederDrehimpuls dieBahnenderPlanetenbestimmt . . . . . . . . . 22 1.4 Planeten,kinetischeundpotentielleEnergie. . . 27 1.5 Aufbau der Milchstraße – Betrachtung des großenGanzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.6 Determinismusund deterministischesChaos – was können wir über die Bewegung eines Systemsvorhersagen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.7 Raum,ZeitundRaumzeit–wannundwo wirsind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.8 MasseundEnergiesindäquivalent . . . . . . . . . 53 1.9 Einsteins allgemeine Relativitätstheorie – wieMassendieRaumzeitkrümmen. . . . . . . . . 56 1.10 Gravitationswellen–dieRaumzeitraschelt. . . . 60 1.11 SchwarzeLöcher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 1.12 DunkleMaterie–dasunbekannte, schwereEtwas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 1.13 DunkleEnergie–diefinstereUnbekannte . . . . 69 1.14 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 X VondenTiefendesAllsindenMikrokosmos 2 Atome–vonderunteilbarenKugel zumquantenmechanischenSystem . . . . . . . . . . . . . 71 2.1 Kathodenstrahlen–dieEntdeckung dererstenElementarteilchen . . . . . . . . . . . . . 75 2.2 Photonen–WellenaufdemWegzumTeilchen . 81 2.3 Rutherfordstreuung–dieEntdeckungdesKerns 85 2.4 Wasserstoffatom–seineinfacherAufbau hilftzuverstehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 2.5 DeBroglie–ElektronensindWellen . . . . . . . . 92 2.6 Schalenmodell–wiegrößereAtomeaufgebaut sind. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 2.7 Heisenberg’scheUnschärferelation– mankannnichtalleswissen . . . . . . . . . . . . . . 100 2.8 Quantenelektrodynamik–Pingpong mitvirtuellenTeilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 2.9 Atomedirektbeobachten–derLaser alsKühlmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 2.10 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3 Atomkerne–wasProtonenundNeutronen zusammenhältundspaltet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.1 NukleonenundKerne–zusammenistesleichter 123 3.2 Fusion–warumdieSonnescheint . . . . . . . . . . 130 3.3 SyntheseschwererElemente–wirsindSternen- staub. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 3.4 RadioaktiverZerfall–wieausGroßemKleines wird . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3.5 Neutrinos–BotenausderSonneundderErde . 144 3.6 Kernspaltung–wiegewaltigeEnergien freigesetztwerden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.7 Neutronensterne–riesigeTransurane . . . . . . . 151 3.8 Strahlenbelastung – Radioaktivität gehört zuunsererWelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 3.9 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Inhaltsverzeichnis XI 4 UnserPlanet–wieeinWohnortimAllentsteht . . . . 157 4.1 EntstehungdesSonnensystems–ausChaos wirdOrdnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.2 Thermodynamik–Energiegibtesnicht geschenkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 4.3 Erdklima–wirlebenineinemTreibhaus. . . . . . 170 4.4 Selbstorganisation–wiewirzuverstehenlernen 174 4.5 Exoplaneten–sindwirallein?. . . . . . . . . . . . . 178 4.6 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5 QuarksundLeptonen–derBlicktiefindieMaterie . 183 5.1 ÄraderBeschleuniger–Mikroskope, dieUnteilbareszerlegen . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.2 DESY–Quarkskannmanbeobachten . . . . . . . 194 5.3 Quantenchromodynamik – warum Quarks unzertrennlichsind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.4 GUT–dieVereinheitlichugderKräfte . . . . . . . 201 5.5 Der Higgs-Mechanismus – wie alles Masse bekommt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 5.6 LargeHadronCollider –gebaut fürdieSuche nachHiggs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 5.7 Zusammenfassung–Standardmodell derElementarteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 6 ExpandierendesUniversum–dieRaumzeitdehntsich 213 6.1 Rotverschiebung–wiegroßistdasUniversum?. 216 6.2 Einstein,Friedmann,Lemaître–aufdemWeg zumUratom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 6.3 DerAnfang–SteadyStategegenBigBang. . . . 220 6.4 Hintergrundstrahlung–dieBabyfotos desUniversums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 6.5 Indizienkosmologie – indirekte Bestätigung desUrknalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 6.6 Zusammenfassung–dasUrknallmodell . . . . . . 232
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