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Als das Licht laufen lernte

E-BookEPUBePub WasserzeichenE-Book
864 Seiten
Deutsch
Penguin Random Houseerschienen am12.12.2013
Die Geschichte des Universums, erfrischend anders erzählt
Daniela Leitner folgt ihrer Faszination für astronomische und kosmologische Fragen und begibt sich auf eine instruktiv-vergnügliche Reise in die Welt der Physik, rückwärts in der Zeit, dem Licht auf der Spur, von heute bis zum Urknall. Eine umfassende Geschichte des Universums in bildhafter, dem Alltagsleben entlehnter Sprache und mit höchst anschaulichen Beispielen, »dass man als Profi einfach nur staunen kann. Und das Tollste ist, es ist alles richtig (Harald Lesch)!« Unbekümmert und mit Lust an der Erkenntnis hat die Autorin das Schwere leicht genommen, hat gewagt, das Hochkomplexe mit Witz, Fantasie und mit Bildern aus ihrem Alltag begreifbar zu machen.

Daniela Leitner wurde 1985 in Naila (Oberfranken) geboren und schloss im Februar 2012 ihr Studium im Fach Kommunikationsdesign an der Staatlichen Hochschule für Gestaltung Karlsruhe mit Auszeichnung ab. Seit 2006 ist sie selbstständige Designerin und unter anderem für den Verlag Spektrum der Wissenschaft in Heidelberg tätig.
Ihre Arbeiten wurden bereits mehrfach ausgezeichnet, beispielsweise mit dem Nachwuchspreis des ADC oder dem red dot design award, den sie 2012 für Ihre Diplomarbeit »Als das Licht laufen lernte« erhielt. Daniela Leitner hat sich das autodidaktische Aneignen komplizierter wissenschaftlicher Themen zur Hauptaufgabe gemacht, um das Erlernte anschließend in unkonventioneller, humorvoller Manier gestalterisch und textlich so zu verpacken, dass es auch für »Normalsterbliche« verständlich ist.mehr

Produkt

KlappentextDie Geschichte des Universums, erfrischend anders erzählt
Daniela Leitner folgt ihrer Faszination für astronomische und kosmologische Fragen und begibt sich auf eine instruktiv-vergnügliche Reise in die Welt der Physik, rückwärts in der Zeit, dem Licht auf der Spur, von heute bis zum Urknall. Eine umfassende Geschichte des Universums in bildhafter, dem Alltagsleben entlehnter Sprache und mit höchst anschaulichen Beispielen, »dass man als Profi einfach nur staunen kann. Und das Tollste ist, es ist alles richtig (Harald Lesch)!« Unbekümmert und mit Lust an der Erkenntnis hat die Autorin das Schwere leicht genommen, hat gewagt, das Hochkomplexe mit Witz, Fantasie und mit Bildern aus ihrem Alltag begreifbar zu machen.

Daniela Leitner wurde 1985 in Naila (Oberfranken) geboren und schloss im Februar 2012 ihr Studium im Fach Kommunikationsdesign an der Staatlichen Hochschule für Gestaltung Karlsruhe mit Auszeichnung ab. Seit 2006 ist sie selbstständige Designerin und unter anderem für den Verlag Spektrum der Wissenschaft in Heidelberg tätig.
Ihre Arbeiten wurden bereits mehrfach ausgezeichnet, beispielsweise mit dem Nachwuchspreis des ADC oder dem red dot design award, den sie 2012 für Ihre Diplomarbeit »Als das Licht laufen lernte« erhielt. Daniela Leitner hat sich das autodidaktische Aneignen komplizierter wissenschaftlicher Themen zur Hauptaufgabe gemacht, um das Erlernte anschließend in unkonventioneller, humorvoller Manier gestalterisch und textlich so zu verpacken, dass es auch für »Normalsterbliche« verständlich ist.
Details
Weitere ISBN/GTIN9783641112455
ProduktartE-Book
EinbandartE-Book
FormatEPUB
Format HinweisePub Wasserzeichen
FormatE101
Erscheinungsjahr2013
Erscheinungsdatum12.12.2013
Seiten864 Seiten
SpracheDeutsch
Illustrationendurchgehend farbig illustriert
Artikel-Nr.1299891
Rubriken
Genre9200

Inhalt/Kritik

Leseprobe



1.2 Was die Welt im Innersten zusammenhält

Ein Einblick in das Reich der Quantenmechanik

Die Entdeckung der quantenmechanischen Struktur unserer Welt hat unsere Anschauung von ihr völlig verändert. Um zu verstehen, was Licht genau ist, liefert die Quantenmechanik wichtige Erkenntnisse. Letztendlich ist sie aber nicht nur für das Verständnis von Licht, sondern für sämtliche Vorgänge im Universum von enormer Bedeutung. Ohne die Quantenmechanik gäbe es uns nicht. Begeben wir uns deshalb in einen Bereich der Physik, für den das menschliche Vorstellungsvermögen eigentlich viel zu begrenzt ist. Aber versuchen kann man es ja trotzdem …

Die große Revolution des ganz Kleinen

Quantenmechanik - was ist das überhaupt? Wir werden an dieser Stelle einen kleinen Einblick in dieses sehr komplexe Fachgebiet der Physik wagen, um die grundlegenden Vorgänge besser zu verstehen, denen Licht und Materie unterliegen. Denn letztendlich bestimmt der winzig kleine Bereich der Quanten, also der nach dem heutigen Wissensstand kleinsten Bestandteile unserer Welt, das Verhalten der ganz großen Objekte im Universum, beispielsweise unserer Sonne (siehe Eigentlich zu kalt und klein, um ein echter Stern zu sein). Wir sind also unmittelbar von der Quantenmechanik betroffen. Mehr noch - gäbe es sie nicht, würden wir gar nicht existieren. Doch warum das so ist, klären wir später (siehe Ominöses Durchtunneln) …

Betrachten wir zunächst einmal, welche Entdeckungen in der Wissenschaft dazu geführt haben, dass die sogenannte »Quantenrevolution« überhaupt ins Rollen kam, aus der schließlich die moderne Quantenmechanik hervorging:

Wie bereits erwähnt war Albert Einstein der erste Wissenschaftler, der das Licht quantenphysikalisch deutete. Mit der Beschreibung des photoelektrischen Effekts im Jahr 1905 zeigte er, dass sich Licht nicht nur wie eine Welle, sondern auch wie ein Teilchen verhält (siehe Der Welle-Teilchen-Dualismus). Im selben Jahr veröffentlichte er die Spezielle Relativitätstheorie, in der die Lichtgeschwindigkeit eine wichtige Rolle spielt. Ihr ist deshalb ein komplettes Kapitel gewidmet (siehe Dem Licht auf der Spur). Wenige Jahre später, im Jahr 1911, experimentierte der in England lebende neuseeländische Atomphysiker Ernest Rutherford (1871-1937) mit Atomen und stellte fest, dass diese vor allem aus leerem Raum bestehen (siehe Das Photon). Diese Entdeckung warf die große Frage auf, warum sich Materie überhaupt fest anfühlt. 1913 stellte der dänische Physiker Niels Bohr (1885-1962) fest, dass die Energie von Elektronen in Atomen gequantelt ist, sie also nur bestimmte feste Energieniveaus annehmen können, aber keine Werte dazwischen (siehe Der etwas andere Jo-Jo-Effekt).

Einstein, Rutherford und Bohr legten durch die Erforschung von Energie und Materie den Grundpfeiler für eine Entwicklung, die Mitte der 1920er-Jahre zur Quantenrevolution führte. Sie sorgte dafür, dass wir die Vorstellung von der Struktur unserer Welt völlig überdenken mussten. Doch welche Erkenntnisse lieferte die Quantenrevolution, vor allem in Hinblick auf das Verständnis vom Licht? Genau dieser Frage wollen wir nun nachgehen - zunächst durch einen groben Überblick und später im Detail.

Die Erkenntnisse der Quantenrevolution

Da es der Wissenschaft im Zuge der Quantenrevolution gelang, immer tiefer in die Struktur der Materie zu blicken, begann das bisherige Atommodell zu bröckeln: Nicht mehr Protonen und Neutronen gelten nach dem heutigen Wissensstand neben den Elektronen als die kleinsten Bausteine der Materie, sondern die sogenannten Quarks und Leptonen. Während das Elektron weiterhin als elementar angenommen wird und zu den Leptonen zählt, bestehen Protonen und Neutronen aus Quarks. Leptonen und Quarks gehören der Gruppe der Fermionen an und sind somit die elementaren Teilchen, die die Materie aufbauen (siehe Fermionen sind verfeindet).

Doch was ist mit dem Licht? Da es sich bei ihm nicht um Materie, sondern um Energie handelt, gehört das Photon zu einer anderen Gruppe: den Bosonen (siehe Bosonen lieben sich). Sie stellen ein Gegenmodell zu den Fermionen dar. Bosonen dienen als Vermittler zwischen den Materieteilchen und zählen damit zu den Kräften. Sie tragen die Energie von einem Fermion zum nächsten. Ohne Bosonen wäre die Materie also ziemlich aufgeschmissen, denn es wäre niemand da, der eine Interaktion zwischen ihr herstellen würde. Eine Welt ohne Bosonen wäre demnach völlig starr und langweilig. Es würde nämlich überhaupt nichts passieren - nicht einmal Zeit würde vergehen. Denn wenn alles gleich bliebe, gäbe es auch keinen Unterschied mehr zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Die Welt stünde still. Die Materieteilchen wären zwar da, hätten aber keinerlei Möglichkeit, mit ihren Kollegen zu kommunizieren. Vor allem das Elektron würde die Abwesenheit des Lichts schmerzlich vermissen. Elektron und Photon stellen nämlich sozusagen das Traumpaar im Universum dar. Es gibt kaum zwei Teilchen, die so gerne miteinander in Verbindung treten wie diese beiden (siehe Vom Verschlucken und Wiederausspucken). Folglich wäre es ohne Bosonen nicht nur völlig trostlos im Universum, sondern außerdem noch stockdunkel. Leben hätte so natürlich auch nie entstehen können.

Doch das Licht ist nicht die einzige Kraft in diesem Universum: Ebenso wie es verschiedene Materieteilchen in Form von Quarks und Leptonen gibt, existieren auch unterschiedliche Bosonen. Zum Photon, das die elektromagnetische Kraft in Form von Strahlung vermittelt, zu der unter anderem auch das für uns sichtbare Licht zählt, gesellen sich noch drei weitere Kraftteilchen (siehe Das Kräftemessen der Bosonen): Das Gluon (vom Englischen to glue, »kleben«) vermittelt die sogenannte starke Kraft, jene Kraft, die dafür sorgt, dass die Atomkerne zusammenhalten, obwohl im Inneren positiv geladene Protonen stecken und sich Ladungen gleichen Vorzeichens ja eigentlich abstoßen. Wie der Name schon sagt, müssen diese Kraftteilchen sehr stark sein, damit sie überhaupt gegen die Abstoßung der Protonen im Kern eine Chance haben. Die starke Kraft ist deshalb auch die stärkste der vier Grundkräfte. Wie wir später noch sehen werden, ist sie die Grundlage dafür, dass unsere Sonne und neben ihr alle anderen Sterne überhaupt Licht aussenden können (siehe Proton trifft Proton). Neben der starken Kraft gibt es auch noch die schwache Kraft. Sie ist für den radioaktiven Zerfall von Atomkernen zuständig und wird von den W- und Z-Bosonen vermittelt. Die schwächste aller Kräfte ist schließlich die Gravitation, für die das Graviton zuständig sein soll. Dieses Teilchen konnte bisher nicht experimentell nachgewiesen werden, da es wohl viel zu schwach ist, um von den heutigen Messgeräten in irgendeiner Form geortet werden zu können. Dass das Graviton aber wirklich existiert, davon ist die Wissenschaft überzeugt. Mit den immer präziser werdenden Messmethoden ist es höchstwahrscheinlich nur eine Frage der Zeit, bis es eines Tages tatsächlich aufgespürt werden kann.

Die Bosonen gehören zusammen mit den Fermionen zu den Elementarteilchen, jenen Teilchen, die als Grundbausteine des Universums gelten (siehe Die Suche nach den Zutaten des Universums). Jedoch zeigte die Quantenrevolution außerdem, dass es nicht nur Teilchen, sondern auch Antiteilchen gibt, die sich inzwischen im Labor leicht herstellen lassen. Sie stellen das Gegenstück zu den herkömmlichen Materieteilchen dar. Teilchen und Antiteilchen vernichten sich, sobald sie zusammentreffen, gegenseitig und werden zu Energie, also zu Licht. Doch dieser Vorgang funktioniert auch umgekehrt: Wie aus dem Nichts können spontan Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen und wieder vergehen, sogenannte virtuelle Teilchen (siehe Der erste Symmetriebruch). Diese Erkenntnis ist vor allem wichtig, um zu verstehen, warum überhaupt etwas ist und nicht nichts. Dies werden wir im letzten Kapitel noch genauer unter die Lupe nehmen.

Doch nun kehren wir zunächst wieder zurück zu unseren Elementarteilchen: Wie Einstein bei seiner Untersuchung von Materie und Energie feststellte, zeigt das Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften und unterliegt demnach dem Welle-Teilchen-Dualismus. Claus Jönssons Version des Doppelspaltexperiments mit Elektronen zeigte außerdem, dass auch klassische Teilchen beide Erscheinungsformen annehmen können. Die Quantenrevolution lieferte schließlich die Erkenntnis, dass dieser Welle-Teilchen-Dualismus ausnahmslos für sämtliche Elementarteilchen gilt - für Materie und Kräfte gleichermaßen. Die Welt schwingt quasi in ihren innersten Teilen und entzieht sich dadurch völlig unserem Vorstellungsvermögen. Wir können uns kein Bild machen, wie Elementarteilchen eigentlich aussehen - falls sie überhaupt so etwas wie ein Aussehen besitzen. Was sie aber definitiv besitzen, sind verschiedene Eigenschaften - und diese lassen sich mithilfe der Gesetze der Quantenmechanik sehr genau vorhersagen (siehe Die Eigenschaften der Elementarteilchen).

Die Quantenmechanik zählt neben der Relativitätstheorie zu den am besten überprüften Theorien der Physik und hat bisher sämtlichen Experimenten standgehalten. Unsere gesamte moderne Elektronik basiert auf Quanteneffekten, was ebenfalls beweist, dass wir ihre Gesetze durchschaut haben dürften, wenn wir sie uns auch nicht bildlich vorstellen können. Man kann also davon ausgehen, dass die Welt in ihren kleinsten Teilen, und somit auch das Licht, tatsächlich aus einer skurrilen Mischung...


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Autor

Daniela Leitner wurde 1985 in Naila (Oberfranken) geboren und schloss im Februar 2012 ihr Studium im Fach Kommunikationsdesign an der Staatlichen Hochschule für Gestaltung Karlsruhe mit Auszeichnung ab. Seit 2006 ist sie selbstständige Designerin und unter anderem für den Verlag Spektrum der Wissenschaft in Heidelberg tätig.
Ihre Arbeiten wurden bereits mehrfach ausgezeichnet, beispielsweise mit dem Nachwuchspreis des ADC oder dem red dot design award, den sie 2012 für Ihre Diplomarbeit »Als das Licht laufen lernte« erhielt. Daniela Leitner hat sich das autodidaktische Aneignen komplizierter wissenschaftlicher Themen zur Hauptaufgabe gemacht, um das Erlernte anschließend in unkonventioneller, humorvoller Manier gestalterisch und textlich so zu verpacken, dass es auch für »Normalsterbliche« verständlich ist.