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Ausführliche Einführung in die wesentlichen Grundlagen der Kosmologie: Urknall, kosmische Strukturen, newtonsche Physik, Relativitätstheorie. Neben dem Standardmodell auch Stringtheorie, anthropisches Prinzip, Multiversum. Formeln und quantitative Betrachtungen auf Mittelstufenniveau.

 

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Kosmologie für alle, die mehr wissen wollen. Dieses Sachbuch richtet sich an alle, die genauer wissen wollen, wie die Kosmologie heute unser Universum, dessen Anfang - den Urknall - und mögliches Ende erklärt. Es nimmt Sie mit auf die Suche der Wissenschaft nach Antworten auf die letzten kosmischen Fragen: Ist das Universum endlich oder unendlich? Hat es schon immer existiert? Wann und wie ist es entstanden - und wird es jemals enden? Die Autoren, die beide zu kosmologischen Fragestellungen forschen, bieten Ihnen eine leicht nachvollziehbare und konsistente Darstellung moderner kosmologischer Ideen. Sie erfahren alles über die Grundlagen der Kosmologie und das, was wir über den Urknall und unser beobachtbares Universum wissen, über Hintergründe aus der Teilchenphysik und den aktuellsten Stand der Wissenschaft zu Inflation und Co. Dabei wird Ihnen auch die eine oder andere Formel präsentiert - aber Sie benötigen dafür keine Vorkenntnisse, die über die Mathematik der Mittelstufe hinausgehen, und den notwendigen physikalischen Hintergrund dazu bekommen Sie gleich mitgeliefert. Nach der Lektüre dieses Buches wissen Sie also nicht nur, was die Physik heute über unser Universum und den ganzen Rest weiß, sondern auch warum.

 

 

Aus dem Inhalt:

Teil I Der Urknall und das beobachtbare Universum / 1 Historischer Überblick 3 / 1.1 Die großen kosmischen Fragen 3 / 1.2 Ursprünge der wissenschaftlichen Kosmologie 4 / 1.3 Kosmologie heute 8 / / 2 Newtons Universum 15 / 2.1 Die Newton'schen Bewegungsgesetze 15 / 2.2 Die Newton'sche Schwerkraft 19 / 2.3 Beschleunigung des freien Falls 22 / 2.4 Kreisbewegung und planetarische Bahnen 23 / 2.5 Energieerhaltung und Fluchtgeschwindigkeit 25 / 2.6 Die Newton'sche Kosmologie 30 / 2.7 Olbers' Paradoxon 31 / / 3 Die Spezielle Relativitätstheorie 35 / 3.1 Das Prinzip der Relativität 35 / 3.2 Lichtgeschwindigkeit und Elektromagnetismus 39 / 3.3 Einsteins Postulate 43 / 3.4 Gleichzeitigkeit 45 / 3.5 Zeitdilatation 46 / 3.6 Längenkontraktion 49 / 3.7 E = mc2 51 / 3.8 Von Raum und Zeit zur Raumzeit 52 / 3.9 Kausalität in der Raumzeit 56 / / 4 Die Struktur von Raum und Zeit 65 / 4.1 Die erstaunliche Hypothese 66 / 4.2 Die Geometrie des Raums 69 / 4.3 Gekrümmter Raum 74 / 4.4 Die Allgemeine Relativitätstheorie 79 / 4.5 Vorhersagen und Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie 82 / / 5 Ein expandierendes Universum 91 / 5.1 Einsteins statisches Universum 91 / 5.2 Probleme mit einem statischen Universum 95 / 5.3 Friedmanns expandierendes Universum 98 / / 6 Beobachtende Kosmologie 107 / 6.1 Fingerabdrücke der Elemente 108 / 6.2 Messen von Geschwindigkeiten 110 / 6.3 Messen von Entfernungen 112 / 6.4 Die Anfänge der extragalaktischen Astronomie 117 / / 7 Das Hubble-Gesetz und das expandierende Universum 121 / 7.1 Ein expandierendes Universum 122 / 7.2 Ein Anfang des Universums? 125 / 7.3 Die Steady-State-Theorie 126 / 7.4 Der Skalenfaktor 128 / 7.5 Kosmische Rotverschiebung 129 / 7.6 Das Alter des Universums 130 / 7.7 Die Hubble-Entfernung und der kosmische Horizont 131 / 7.8 Nicht alles expandiert 134 / / 8 Das Schicksal des Universums 139 / 8.1 Die Kritische Dichte 139 / 8.2 Der Dichteparameter 142 / / 9 Dunkle Materie und dunkle Energie 147 / 9.1 Die mittlere Massendichte des Universums und die dunkle Materie 148 / 9.2 Dunkle Energie 154 / 9.3 Das Schicksal des Universums - noch einmal von vorn 157 / / / 10 Die Quantenwelt 161 / 10.1 Quanten als diskrete Objekte 161 / 10.2 Nichtdeterminiertheit von Quanten 163 / 10.3 Die Wellenfunktion 16610.4 Die Viele-Welten-Interpretation 170 / 11 Der heiße Urknall 175 / 11.1 Nach der Expansion in der Zeit zurückgehen 175 / 11.2 Wärmestrahlung 178 / 11.3 Das Modell vom heißen Urknall 181 / 11.4 Die Entdeckung des heißen Urzustands 183 / 11.5 Bilder des sehr jungen Universums 186 / 11.6 CMB heute und in früheren Zeitphasen 189 / 11.7 Die drei kosmischen Phasen 191 / / 12 Strukturbildung 197 / 12.1 Kosmische Struktur 197 / 12.2 Aufbau der Struktur 201 / 12.3 Beobachtung der Entwicklung kosmischer Strukturen 203 / 12.4 Primordiale Dichtefluktuationen 205 / 12.5 Supermassereiche Schwarze Löcher und aktive Galaxien 206 / / 13 Häufigkeit der Elemente 209 / 13.1 Warum Alchemisten nicht erfolgreich waren 209 / 13.2 Urknall-Nukleosynthese 211 / 13.3 Die Nukleosynthese in den Sternen 215 / 13.4 Entstehung von Planetensystemen 217 / 13.5 Leben im Universum 219 / / 14 Das sehr frühe Universum 225 / 14.1 Teilchenphysik und der Urknall 225 / 14.2 Das Standardmodell der Teilchenphysik 229 / 14.3 Symmetriebrechungen 233 / 14.4 Die Zeitachse des frühen Universums 236 / 14.5 Physik jenseits des Standardmodells 237 / 14.6 Vakuumdefekte 241 / 14.7 Baryogenese 246 / / Teil II Jenseits des Urknalls / 15 Probleme mit dem Urknall 253 / 15.1 Das Flachheitsproblem: Warum ist die Geometrie des Universums flach? 253 / 15.2 Das Horizontproblem: Warum ist das Universum so homogen? 255 / 15.3 Das Strukturproblem: Was ist der Ursprung der kleinen Dichtefluktuationen? 258 / 15.4 Das Monopolproblem: Wo sind sie? 258 / / 16 Die Theorie der kosmischen Inflation 261 / 16.1 Lösung des Flachheits- und des Horizontproblems 261 / 16.2 Die kosmische Inflation 262 / 16.3 Lösungen für die Probleme des Urknalls 267 / 16.4 Zerfall des Vakuums 270 / 16.5 Ursprung der kleinen Dichtefluktuationen 274 / 16.6 Weiteres zur Inflation 277 / / 17 Tests für die Inflation: Vorhersagen und Beobachtungen 283 / 17.1 Flachheit 283 / 17.2 Dichtefluktuationen 284 / 17.3 Gravitationswellen 288 / 17.4 Offene Fragen 293 / / 18 Die ewige Inflation 297 / 18.1 Volumenzunahme und -zerfall 297 / 18.2 Random Walk des Inflaton-Feldes 300 / 18.3 Ewige Inflation durch Blasennukleation 302 / 18.4 Raumzeiten der Blasen 304 / 18.5 Kosmische Klone 308 / 18.6 Das Multiversum 311 / 18.7 Überprüfen des Multiversums 314 / / 19 Stringtheorie und Multiversum 321 / 19.1 Was ist die Stringtheorie? 322 / 19.2 Extradimensionen 324 / 19.3 Die Energielandschaft 325 / 19.4 Multiversum der Stringtheorie 327 / 19.5 Das Schicksal unseres Universums neu betrachtet 328 / / 20 Anthropische Selektion 331 / 20.1 Die Feinabstimmung der Naturkonstanten 332 / 20.2 Das Problem der kosmologischen Konstante 334 / 20.3 Das anthropische Prinzip 338 / 20.4 Was für und gegen anthropische Erklärungen spricht 340 / / 21 Das Prinzip der Mittelmäßigkeit 345 / 21.1 Die Glockenkurve 345 / 21.2 Das Prinzip der Mittelmäßigkeit 347 / 21.3 Ermittlung der Verteilung durch Zählung der Beobachter 348 / 21.4 Vorhersage der kosmologischen Konstante 349 / 21.5 Das Messproblem 352 / 21.6 Das Weltuntergangsargument und die Zukunft unserer Zivilisation 354 / / 22 Hatte das Universum einen Anfang? 361 / 22.1 Ein Universum, das schon immer existiert? 361 / 22.2 Der BGV-Satz 363 / / 23 Die Erschaffung von Universen aus dem Nichts 369 / 23.1 Das Universum als Quantenfluktuation 369 / 23.2 Quantentunnelung aus dem "Nichts" 372 / 23.3 Das Multiversum der Quantenkosmologie 375 / 23.4 Die Bedeutung des "Nichts" 377 / / 24 Das Gesamtbild 381 / 24.1 Das beobachtbare Universum 381 / 24.2 Das Multiversum 383 / 24.3 Antworten auf die "Großen Fragen" 390 / 24.4 Unser Platz im Universum 390 / / 25 Anhang 393 / 26 Weiterführende Literatur 403 / / Stichwortverzeichnis 407