Von den Tiefen des Alls in den Mikrokosmos. Ein Streifzug durch die moderne Physik

268 Pages·2017·5.38 MB·German

by  Bogdan Povh

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
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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