Kosmologie für alle, die mehr wissen wollen (eBook)

Danksagung 6
Inhaltsverzeichnis 7
Teil I Der Urknall und das beobachtbare Universum 13
1 Historischer Überblick 14
1.1Die großen kosmischen Fragen 14
1.2Ursprünge der wissenschaftlichen Kosmologie 15
1.3Kosmologie heute 19
2 Newtons Universum 25
2.1Die Newton’schen Bewegungsgesetze 25
2.2Die Newton’sche Schwerkraft 29
2.3Beschleunigung des freien Falls 32
2.4Kreisbewegung und planetarische Bahnen 33
2.5Energieerhaltung und Fluchtgeschwindigkeit 35
2.6Die Newton’sche Kosmologie 40
2.7Olbers’ Paradoxon 41
3 Die Spezielle Relativitätstheorie 45
3.1Das Prinzip der Relativität 45
3.2Lichtgeschwindigkeit und Elektromagnetismus 49
3.3Einsteins Postulate 53
3.4Gleichzeitigkeit 55
3.5Zeitdilatation 56
3.6Längenkontraktion 59
Beschleunigung von Myonen 59
3.7E?=?mc2 61
3.8Von Raum und Zeit zur Raumzeit 62
3.9Kausalität in der Raumzeit 66
4 Die Struktur von Raum und Zeit 75
4.1Die erstaunliche Hypothese 76
4.2Die Geometrie des Raums 79
Euklidische Geometrie 79
Nicht euklidische Geometrie 83
4.3Gekrümmter Raum 84
Die Krümmung von Oberflächen 84
Die Krümmung des dreidimensionalen Raums 87
4.4Die Allgemeine Relativitätstheorie 89
4.5Vorhersagen und Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie 92
Lichtablenkung und Gravitationslinsen 92
Gravitative Zeitdilatation 93
Schwarze Löcher 94
Gravitationswellen 96
5 Ein expandierendes Universum 101
5.1Einsteins statisches Universum 101
5.2Probleme mit einem statischen Universum 105
5.3Friedmanns expandierendes Universum 108
6 Beobachtende Kosmologie 116
6.1Fingerabdrücke der Elemente 117
6.2Messen von Geschwindigkeiten 119
6.3Messen von Entfernungen 121
6.4Die Anfänge der extragalaktischen Astronomie 126
7 Das Hubble-Gesetz und das expandierende Universum 129
7.1Ein expandierendes Universum 130
7.2Ein Anfang des Universums? 133
7.3Die Steady-State-Theorie 134
7.4Der Skalenfaktor 136
7.5Kosmische Rotverschiebung 137
7.6Das Alter des Universums 138
7.7Die Hubble-Entfernung und der kosmische Horizont 139
7.8Nicht alles expandiert 142
8 Das Schicksal des Universums 146
8.1Die Kritische Dichte 146
8.2Der Dichteparameter 149
9 Dunkle Materie und dunkle Energie 153
9.1Die mittlere Massendichte des Universums und die dunkle Materie 154
9.2Dunkle Energie 160
9.3Das Schicksal des Universums – noch einmal von vorn 163
10 Die Quantenwelt 167
10.1Quanten als diskrete Objekte 167
10.2Nichtdeterminiertheit von Quanten 169
10.3Die Wellenfunktion 172
10.4Die Viele-Welten-Interpretation 176
11 Der heiße Urknall 180
11.1Nach der Expansion in der Zeit zurückgehen 180
11.2Wärmestrahlung 183
11.3Das Modell vom heißen Urknall 186
11.4Die Entdeckung des heißen Urzustands 188
11.5Bilder des sehr jungen Universums 191
11.6CMB heute und in früheren Zeitphasen 194
11.7Die drei kosmischen Phasen 196
12 Strukturbildung 201
12.1Kosmische Struktur 201
12.2Aufbau der Struktur 205
12.3Beobachtung der Entwicklung kosmischer Strukturen 207
12.4Primordiale Dichtefluktuationen 209
12.5Supermassereiche Schwarze Löcher und aktive Galaxien 210
13 Häufigkeit der Elemente 213
13.1Warum Alchemisten nicht erfolgreich waren 213
13.2Urknall-Nukleosynthese 215
13.3Die Nukleosynthese in den Sternen 219
13.4Entstehung von Planetensystemen 221
13.5Leben im Universum 223
14 Das sehr frühe Universum 228
14.1Teilchenphysik und der Urknall 228
14.2Das Standardmodell der Teilchenphysik 232
Die Teilchen 232
Die Kräfte 234
14.3Symmetriebrechungen 236
14.4Die Zeitachse des frühen Universums 239
14.5Physik jenseits des Standardmodells 240
Vereinigung der Grundkräfte 241
14.6Vakuumdefekte 244
Domänenwände 244
Kosmische Strings 246
Magnetische Monopole 248
14.7Baryogenese 249
Teil II Jenseits des Urknalls 254
15 Probleme mit dem Urknall 255
15.1Das Flachheitsproblem: Warum ist die Geometrie des Universums flach? 255
15.2Das Horizontproblem: Warum ist das Universum so homogen? 257
15.3Das Strukturproblem: Was ist der Ursprung der kleinen Dichtefluktuationen? 260
15.4Das Monopolproblem: Wo sind sie? 260
16 Die Theorie der kosmischen Inflation 263
16.1Lösung des Flachheits- und des Horizontproblems 263
16.2Die kosmische Inflation 264
Das falsche Vakuum 264
Exponentielle Expansion 267
16.3Lösungen für die Probleme des Urknalls 269
Das Flachheitsproblem 269
Das Horizontproblem 269
Das Strukturbildungsproblem 271
Das Monopolproblem 271
Die Ausdehnung und die hohe Temperatur des Universums 271
16.4Zerfall des Vakuums 272
Das siedende Vakuum 272
Das Graceful Exit-Problem 273
Slow Roll-Inflation 274
16.5Ursprung der kleinen Dichtefluktuationen 276
16.6Weiteres zur Inflation 279
Kommunikation im inflationären Universum 279
Energieerhaltung 281
17 Tests für die Inflation: Vorhersagen und Beobachtungen 284
17.1Flachheit 284
17.2Dichtefluktuationen 285
17.3Gravitationswellen 289
17.4Offene Fragen 294
18 Die ewige Inflation 298
18.1Volumenzunahme und -zerfall 298
18.2Random Walk des Inflaton-Feldes 301
18.3Ewige Inflation durch Blasennukleation 303
18.4Raumzeiten der Blasen 305
18.5Kosmische Klone 309
18.6Das Multiversum 312
18.7Überprüfen des Multiversums 315
Blasenkollisionen 315
Schwarze Löcher aus dem Multiversum 315
19 Stringtheorie und Multiversum 321
19.1Was ist die Stringtheorie? 322
19.2Extradimensionen 324
19.3Die Energielandschaft 325
19.4Multiversum der Stringtheorie 327
19.5Das Schicksal unseres Universums neu betrachtet 328
20 Anthropische Selektion 331
20.1Die Feinabstimmung der Naturkonstanten 332
Neutronenmasse 332
Stärke der schwachen Wechselwirkung 333
Stärke der Schwerkraft 333
Das Ausmaß der Dichtestörungen 334
20.2Das Problem der kosmologischen Konstante 334
Das dynamische Quantenvakuum 334
Abgestimmt auf das Leben? 335
20.3Das anthropische Prinzip 338
20.4Was für und gegen anthropische Erklärungen spricht 340
21 Das Prinzip der Mittelmäßigkeit 344
21.1Die Glockenkurve 344
21.2Das Prinzip der Mittelmäßigkeit 346
21.3Ermittlung der Verteilung durch Zählung der Beobachter 347
21.4Vorhersage der kosmologischen Konstante 348
Grobe Schätzung 348
Die Verteilung 349
21.5Das Messproblem 351
21.6Das Weltuntergangsargument und die Zukunft unserer Zivilisation 353
Große und kleine Zivilisationen 355
Die Wahrscheinlichkeit übertreffen 356
22 Hatte das Universum einen Anfang? 359
22.1Ein Universum, das schon immer existiert? 359
22.2Der BGV-Satz 361
Was bedeutet dies für uns? 363
Ein Gottesbeweis? 363
23 Die Erschaffung von Universen aus dem Nichts 366
23.1Das Universum als Quantenfluktuation 366
23.2Quantentunnelung aus dem „Nichts“ 369
Euklidische Zeit 371
23.3Das Multiversum der Quantenkosmologie 372
23.4Die Bedeutung des „Nichts“ 374
24 Das Gesamtbild 377
24.1Das beobachtbare Universum 377
Was wissen wir? 377
Kosmische Inflation 379
24.2Das Multiversum 379
Blasenuniversen 379
Andere unzusammenhängende Raumzeiten 380
Ebenen des Multiversums 381
Das mathematische Multiversum und Ockhams Rasiermesser 382
24.3Antworten auf die „Großen Fragen“ 386
24.4Unser Platz im Universum 386
25 Anhang 388
26 Weiterführende Literatur 397
Stichwortverzeichnis 400