Der Ursprung des Universums für Dummies
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2. Auflage 2017
© 2017 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Original English language edition The Origins of the Universe for Dummies © 2008 by Wiley Publishing, Inc.
All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.
Copyright der englischsprachigen Originalausgabe The Origins of the Universe for Dummies © 2008 by Wiley Publishing, Inc.
Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.
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Coverfoto: mode_list – Fotolia.com
Korrektur: Frauke Wilkens, München
Satz: inmedialo Digital- und Printmedien, Plankstadt
Druck und Bindung:
Print ISBN: 978-3-527-71390-5
ePub ISBN: 978-3-527-81109-0
mobi ISBN: 978-3-527-81114-4
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Stephen Pincock schreibt seit 20 Jahren über wissenschaftliche Themen, nachdem er an der Universität von New South Wales einen akademischen Grad in Mikrobiologie erworben hatte und dabei herausfand, dass die ganze Wissenschaft viel zu faszinierend ist, als dass man für den Rest des Lebens nur durchs Mikroskop schauen sollte.
Pincock schreibt zurzeit regelmäßig wissenschaftliche Beiträge für viele verschiedene Zeitschriften weitere Veröffentlichungen. Eine Zeit lang war er Herausgeber von Reuters Health.
Mark Frary schreibt über wissenschaftliche und technologische Themen. Er studierte Astronomie und Physik am University College London. Gleichzeitig arbeitete er am Mullard Space Science Laboratory über atmosphärische Plasmaphysik. Nach seinem Universitätsabschluss ging er nach Genf, um am OPAL-Experiment des europäischen Teilchenphysiklabors CERN mitzuarbeiten.
Frary ist Koautor des Buches You Call This The Future? eine Untersuchung der 50 besten Science-Fiction-Apparateerfindungen und auf welche Weise sie Realität geworden sind.
Mark Frary und Stephen Pincock haben gemeinsam das Buch Codebreaker: The History of Secret Communication geschrieben.
Jan Hattenbach studierte Physik an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen und arbeitete an einem Experiment zur Untersuchung der kosmischen Strahlung, das seit 2011 auf der Internationalen Raumstation in Betrieb ist. Seit seiner Jugend ist er Amateurastronom. Ihn fasziniert vor allem das Universum, wie man es sich mit bloßem Auge und durch ein kleines Teleskop anschauen kann. Seit 2008 arbeitet er als freier Wissenschaftsautor. Er publiziert in Zeitschriften wie Sterne und Weltraum, Spektrum der Wissenschaft, der Frankfurter Allgemeinen Zeitung und in seinem Blog, himmelslichter.net.
Das Buch, das Sie in Händen halten, behandelt im Wesentlichen die vielleicht elementarste Frage, die man sich stellen kann: Wo komme ich her? (Nein, es handelt sich nicht um die Frage nach Ihrem Geburtsort!)
Mit dem Buch Der Ursprung des Universums für Dummies wollen wir Sie auf eine Reise in die Vergangenheit einladen – eine Reise, die etwa 14 Milliarden Jahre der Geschichte unserer Welt umfasst – bis zu dem Zeitpunkt, als das Universum begann, jedenfalls nach der Vorstellung der meisten Wissenschaftler. Keine Angst, um zu verstehen, worüber wir schreiben, brauchen Sie nicht Stephen Hawking zu sein.
So weit in die Vergangenheit zurückzuschauen ist nicht einfach, besonders wenn man bedenkt, dass die meisten Leute sich nicht mehr daran erinnern können, was am letzten Mittwoch auf dem Mittagstisch stand. Aber die Wissenschaftler sind entschlossen, das komplexe Puzzlespiel aus Informationen zusammenzusetzen, die weiter in die Vergangenheit reichen als die Geschichte der Menschheit, Informationen über die Entstehung der Erde, der Erschaffung der Sonne und der Milchstraße, in der wir leben.
Wollen Sie mitkommen? Alles, was Sie für die Reise brauchen, ist Aufgeschlossenheit, Staunenkönnen und Neugierde. Sie können Ihren Taschenrechner zu Hause lassen, Sie werden ihn nicht benötigen.
Es gibt eine Menge Theorien über den Ursprung des Universums. Einige davon sind wissenschaftlich, andere religiös, andere kulturgeschichtlich, einige ganz einfach verrückt. Wir wollen uns in diesem Buch mit der ersten Kategorie beschäftigen.
Doch selbst in der Wissenschaft gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Auffassungen darüber, wie alles anfing. Deshalb konzentrieren wir uns auf die von den meisten akzeptierte wissenschaftliche Theorie, die unter dem Namen Urknalltheorie bekannt ist.
Die Experimente zur Erforschung der Frühzeit des Universums gehören zu den kompliziertesten überhaupt. Wir werden in diesem Buch erklären, warum die Wissenschaftler annehmen, dass es einen Urknall gab, und wir werden auch einige alltägliche Gedankengänge vorstellen, die Ihnen beim Verständnis dessen, was sich vor Milliarden Jahren im Universum abgespielt hat, helfen sollen.
Die in diesem Buch angesprochenen Themen sind sicherlich anspruchsvoll – warum der Raum gekrümmt ist, warum die Zeit nicht für alle gleich ist und warum alles um uns herum aus seltsamen Teilchen wie Quarks und Leptonen aufgebaut ist. Diese und andere Begriffe mögen kompliziert klingen, aber wir glauben, dass wir sie auf einfache Weise erklären können. Niemals wieder werden Sie in einer Wirtshauswette über die Frage stolpern, wie das hubblesche Gesetz mit der Entstehung des Universums zusammenhängt. Sie werden herausfinden, warum der Nachthimmel nicht strahlend hell ist, was es wirklich mit den Schwarzen Löchern auf sich hat und wie die Kosmologen alle möglichen Methoden erdacht haben, um herauszufinden, was in all den Jahren seit der Entstehung des Universums passiert ist.
Um Ihnen das Lesen dieses Buches zu erleichtern, haben wir die folgenden Regeln verwendet:
Dieses Buch ist keine langweilige Vorlesung über Astrophysik, es soll informativ und unterhaltend sein. Egal wo Sie es aufschlagen und lesen, Sie werden keine Probleme haben, da jedes Kapitel und jeder Abschnitt in sich abgeschlossen ist.
In den meisten Kapiteln finden Sie zusätzliche Informationen in Form von grau unterlegten Kästen. Diese enthalten weitergehende Texte, die zwar hilfreich sind, die Zusammenhänge besser zu verstehen, aber für die hauptsächlichen Begriffe dieses Buches nicht notwendig sind.
Beim Lesen des Buches werden Sie Abschnitte finden, die mit dem Symbol Technisches Detail markiert sind. Wenn Sie kein Freund von Formeln sind, können Sie diese Abschnitte überschlagen. Sie werden die hauptsächlichen Begriffe dieses Buches auch ohne die Lektüre dieser Detailstudien verstehen.
Wir setzen bei Ihnen nicht viel voraus, außer dass Sie gerne etwas mehr über die Welt um sich herum und das Universum wissen wollen. Eine gewisse Kenntnis mathematischer Gleichungen ist manchmal nützlich – der Anhang erklärt, was es mit Gleichungen auf sich hat, falls Ihre Schulzeit schon ein bisschen her ist –, aber Sie brauchen kein Experte zu sein, um sich mit diesem Buch anzufreunden. Unserer Meinung nach sind Sachverhalte, die man nicht auf einfache Weise erklären kann, nicht wert, dass man sie weiß.
Das Inhaltsverzeichnis gibt Ihnen einen Überblick darüber, wie das Buch in Teile, Kapitel und Abschnitte gegliedert ist. Hier geben wir Ihnen aber schon eine kurze Zusammenfassung der Hauptabschnitte dieses Buches.
Am Anfang des Buches erfahren Sie etwas über die Ansichten der alten Völker über die Vorgänge am Himmel und wie Sonne, Mond und Planeten durch religiöse, kulturelle und spirituelle Prinzipien erklärt wurden.
Die Griechen waren die Ersten, die die Welt wissenschaftlich zu erklären suchten. Griechische Gelehrte fanden als Erste, dass der Mond scheint, weil er das Sonnenlicht reflektiert. Sie konnten Sonnen- und Mondfinsternisse vorhersagen, weil sie wussten, dass die Himmelskörper in regelmäßigen Bahnen liefen.
Die kosmologische Revolution begann mit Kopernikus’ Erkenntnis, dass die Erde nicht im Mittelpunkt der Welt steht. Dieser radikale Gedanke war der erste kleine Schritt zur Erkenntnis, dass das Universum riesig ausgedehnt ist und die Erde keine bevorzugte Stellung darin einnimmt.
Zwei Jahrhunderte später war es Isaac Newton – sicherlich einer der einflussreichsten Kosmologen der Neuzeit –, durch dessen Bewegungsgesetze und dessen Konzept der Schwerkraft unsere Einsicht in den Aufbau des Universums Gestalt gewann.
Unser heutiges Verständnis des Ursprungs des Universums entstand zu Beginn des 20. Jahrhunderts. In diesem Teil des Buches begegnen wir Albert Einstein und erkunden seine spezielle und seine allgemeine Relativitätstheorie. Wir finden heraus, warum Objekte sich nicht schneller als das Licht bewegen können, was E = mc2 wirklich bedeutet und was Einstein für die größte Eselei seines Lebens hielt.
Als Nächstes begegnen wir Edwin Hubble, dem Vater der modernen Kosmologie, der die Sonne und das Sonnensystem in eine Ecke der Milchstraße verwies und zeigte, dass es neben der Milchstraße auch andere Galaxien gab. Wir zeigen auch, warum das hubblesche Gesetz – die von ihm entdeckte Beziehung zwischen der Geschwindigkeit, mit der sich andere Galaxien von uns entfernen, und ihrer Entfernung von uns – darauf hindeutet, dass das Universum expandiert und dass zu irgendeinem Zeitpunkt in der fernen Vergangenheit alles vom gleichen Punkt seinen Ausgang nahm.
Die verbreitete Ansicht, wie all dies vonstattenging – der Urknall –, wird in diesem Teil des Buches ebenfalls ausführlich erklärt. Wir erwähnen, wie der Urknall seinen Namen erhielt und warum Einsteins Gleichungen der Relativitätstheorie die Vorstellung eines Urknalls unterstützen. Wir diskutieren auch die kosmische Hintergrundstrahlung, die aus allen Richtungen des Kosmos auf die Erde fällt und die den besten Hinweis darauf liefert, dass es den Urknall gegeben hat.
Wir erklären dann, warum der Urknall allein nicht ausreichend ist, um das Universum zu erzeugen, in dem wir heute leben, sondern dass es auch eine sogenannte Inflation – eine rasche Ausdehnung des frühen Universums in einem sehr kurzen Zeitraum – gegeben haben muss.
Da der Urknall nicht die einzige wissenschaftliche Erklärung des Universums ist, diskutieren wir zum Abschluss Pro und Kontra dreier anderer Theorien für den Ursprung des Universums: die Steady-State-Theorie, die Lichtermüdungs- und die Mixmaster-Theorie.
Um ein Universum von Grund auf aufzubauen, braucht es einen guten Werkzeugkasten und eine große Menge unterschiedlicher Baumaterialien – das entdecken Sie in Teil III dieses Buches.
Wir führen das Standardmodell ein, einen Satz von Elementarteilchen mit sehr seltsamen Namen, aus denen alles besteht, was wir um uns herum sehen.
Wir erforschen auch die vier Grundkräfte der Natur – Gravitation, Elektromagnetismus sowie die schwache und die starke Wechselwirkung – und betrachten, wie das Verhalten der Elementarteilchen durch diese Kräfte bestimmt wird.
Wir studieren dann, wie sich diese elementaren Bausteine zusammensetzen und Atome und Moleküle bilden, deren Verhalten durch die Chemie beschrieben wird. Wir betrachten die Entstehung schwerer Elemente im Innern der Sterne und die Bedeutung dieses Vorgangs für die Entstehung des Lebens.
Von diesen Voraussetzungen ausgehend betrachten wir, wie Sterne, Galaxien und größere Strukturen im Universum entstanden und weshalb Wissenschaftler die Objekte und Strukturen im heutigen Universum untersuchen und dadurch hoffen herauszufinden, was sich während der Entstehung des Universums abspielte.
Dieser Teil geht auf einige der seltsameren Objekte im Universum ein. Haben Sie sich jemals gefragt, was ein Schwarzes Loch ist? Hier wird es erklärt. Wir stellen Ihnen einige seltsame Himmelsobjekte vor. Wenn etwas seltsam ist und am Himmel zu sehen – dann können Sie es hier finden.
Wir machen uns ebenfalls Gedanken über die Existenz außerirdischen Lebens. Gibt es andere Planeten im Universum, auf denen Leben existieren kann? Die Antwort ist: »Sehr wahrscheinlich«, schon weil die Bedingungen, die es auf der Erde haben entstehen lassen, auch auf anderen Welten im riesigen Universum herrschen können.
Schließlich machen wir uns Gedanken darüber, wie das Universum enden könnte. Das mag wie Science-Fiction klingen, aber die Wissenschaftler konnten einige Szenarien entwerfen, wie der Jüngste Tag aussehen könnte. Wird es einen großen Kollaps geben, ein großes Erstarren, oder einen großen Verriss? Lesen Sie und entscheiden Sie selbst.
Dieser amüsante und kurze Teil stellt verschiedene Erklärungen des Ursprungs des Universums vor, angefangen von dem Text der Bibel bis zu Terry Pratchetts Scheibenwelt-Universum. Wir stellen Ihnen auch Sternwarten, Experimente und Laboratorien vor, die uns eine Menge über den Ursprung des Universums verraten.
Schließlich fasst der Anhang die wichtigsten mathematischen Gleichungen zusammen, die in der Kosmologie verwendet werden, um die Vorgänge im Universum zu beschreiben. Sie können diesen Anhang überspringen, wenn Zahlen nicht Ihre starke Seite sind. Aber wenn Sie sich tiefer reinknien wollen, ist der Anhang das Richtige für Sie. Wir erklären hier auch, wie die Kosmologen die Dinge im Universum vermessen und Begriffe wie Lichtjahr und Parsek verwenden. Wir haben Sie gewarnt!
Wenn Sie ein kosmischer Streber sind, zeigt Ihnen dieses Symbol alle Stellen an, die Sie mögen werden. Wenn Ihnen aber bei der Algebra der kalte Schweiß ausbricht, überspringen Sie am besten solche Stellen.
Wir verwenden dieses Symbol, um ein sogenanntes Aha-Erlebnis anzuzeigen – einen Augenblick in der Wissenschaftsgeschichte, zu dem einem großen Denker ein großer Gedanke eingefallen ist und dadurch unser Verstehen des Aufbaus des Universums einen großen Schritt vorwärts gemacht hat.
Dieses Symbol weist auf Eigenschaften des Universums hin, die im ersten Moment seltsam erscheinen und an die man sich gewöhnen muss. Vieles von dem, was im Universum vor sich geht, und viele Überlegungen, wie es entstanden ist, sind auf den ersten Blick nicht gerade leicht zu verstehen. Das Symbol zeigt an, dass Sie sich wappnen sollen, weil gleich etwas sehr Merkwürdiges vorkommen wird.
Diese Begriffe sind im Buch die Schlüsselbegriffe der Kosmologie. Sie sollten sie ein zweites Mal durchlesen oder sie vielleicht sogar im Gedächtnis behalten.
Steigen Sie ein, wo immer Sie wollen – das ist das Schöne an Der Ursprung des Universums für Dummies. Fühlen Sie sich nicht verpflichtet, das Buch vom Anfang bis zum Ende durchzulesen. Woran Sie auch immer interessiert sind, an der Urknalltheorie oder am Leben im Universum, Sie werden auf den folgenden Seiten immer etwas Interessantes finden.
Teil I
IN DIESEM TEIL …
Werden einige der bekanntesten vorwissenschaftlichen Theorien über die Entstehung des Himmels und der Sterne vorgestellt.
Erfahren Sie alles über den ersten wissenschaftlichen Ansatz der Griechen, in dem die Erde das Zentrum des Universums bildet.
Zeigen wir, wie die Erkenntnis von Johannes Kepler, dass sich die Planeten nicht in Kreisbahnen bewegen, dazu beitrug, die Wissenschaft der Kosmologie zu gründen.