Vom Urknall über die Bildung von Galaxien, Sonnen und Planeten bis zur Entstehung von Leben und zur Evolution, die im Menschen ihren Höhepunkt findet.
Unser Universum entstand aus einem Raum, angefüllt mit einem Ur-Gas, aus dem mithilfe der Naturgesetze immer komplexere Strukturen entstanden: chemische Elemente, Sterne, Galaxien, Planeten, Lebewesen und schließlich unser Gehirn als Sitz der menschlichen Intelligenz. Anhand von 10 Meilensteinen zeichnet der Autor den Weg von der Entstehung des Universums bis zum modernen Menschen nach und liefert damit eine wissenschaftlich fundierte und verständlich geschriebene Geschichte unseres Universums. Der Band enthält zahlreiche Illustrationen.
Peter Ulmschneider ist Professor am Institut für theoretische Astrophysik der Universität Heidelberg und Autor des Springer-Buchs Intelligent-Life in the Universe.
/ AUS DEM INHALT: / / /
1 Das Universum 1
1.1 Die Milchstraße und Galaxien 1
1.2 Teleskope 3
1.3 Entfernungen 5
1.3.1 Sonnenentfernung des Aristarch von Samos 5
1.3.2 Die kosmische Entfernungsleiter 6
1.3.3 Cepheiden 6
1.3.4 Typ-Ia-Supernovae 7
1.4 Rotverschiebung, Fluchtgeschwindigkeit 8
1.5 Das Hubble-Gesetz, der Urknall (Big Bang) 9
1.6 Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung 9
1.6.1 COBE-Resultate 10
1.6.2 WMAP und Planck-Ergebnisse 10
1.7 Weltmodelle 12
1.8 Planck-Epoche, der Beginn der Welt? 13
1.8.1 Die Planck-Zeit 14
1.8.2 Theorien der Quantengravitation 15
1.9 Der Zoo der Elementarteilchen 16
1.10 Die Frühgeschichte des Universums bis zur Rekombination 17
1.10.1 GUT-Epoche (10_43-10_3® s) 20
1.10.2 Elektroschwache Epoche (10-36-10_n s) 20
1.10.3 Quark-, Hadronen- und Leptonen-Epoche (10~12 s bis 3 min) 21
1.10.4 Photonen-Epoche (3 min bis 380.000 Jahre) 22
1.11 Die Rekombinationszeit, Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung 23
1.12 Galaxien, Sternhaufen und ihre Verteilung 25
1.12.1 Morphologie der Objekte 25
1.12.2 Verteilung der Galaxien im Weltall 27
1.13 Dunkle Materie 28
1.13.1 Hinweise auf Dunkle Materie 28
1.13.2 Kandidaten für Dunkle Materie 30
1.14 Die Strukturentwicklung nach der Rekombinationsepoche 31
1.15 Die frühen massereichen Objekte des Weltalls 32
1.15.1 Beobachtung von frühen Galaxien und Quasaren 33
1.15.2 Die ersten Population-Ill-Sterne 33
1.153 Die Entstehung von Galaxien 35
1.15.4 Bildung von supermassereichen Schwarzen Löchern und Quasaren 37
1.15.5 Kugelhaufen und Offene Sternhaufen 37
1.15.6 Galaxienentwicklung bis zur Gegenwart 37
1.16 Die zukünftige Entwicklung des Universums, das Ende der Welt 38
1.16.1 Big Rip 39
1.16.2 Der Kältetod (Big Freeze) 40
1.17 Multiversen, Weltgeschichte und das kosmische Archiv 41
1.17.1 Beobachtungen und Theorie 41
1.17.2 Weltgeschichte, das kosmische Archiv 41
1.173 Andere Welten, Multiversen 43
Literatur 44
2 Sterne und Planeten 47
2.1 Sternentstehung 47
2.1.1 Molekülwolken und Staub 47
2.1.2 Kollapssimulationen 48
2.2 Vor-Hauptreihenentwicklung der Sterne 49
2.2.1 Innere Entwicklung 49
2.2.2 T-Tauri-Stadium 51
2.3 Nach-Hauptreihenentwicklung der Sterne 53
2.4 Die Mitglieder des Sonnensystems 55
2.4.1 Planeten 55
2.4.2 Monde 58
2.4.3 Meteorite 60
2.4.4 Asteroiden 61
2.4.5 Kometen 64
2.5 Planeten außerhalb des Sonnensystems 66
2.5.1 Anzahl der extrasolaren Planeten 66
2.5.2 Radialgeschwindigkeitsmethode 67
2.5.3 Transit-Methode 68
2.5.4 Microlensing-Methode 69
2.5.5 Direkte Methoden 69
2.6 Protoplanetare Scheiben 70
2.7 Planetesimale 72
2.7.1 Bildung der Planetesimale 72
2.7.2 Altersbestimmung der Planetesimale und ihrer Bestandteile 73
2.7.3 Die ältesten Objekte des Sonnensystems 73
2.7.4 Schmelzvorgänge in Planetesimalen 74
2.7.5 Zusammensetzung der Planetesimale und der Erde 75
2.8 Planetenentstehung 75
2.9 Migrationen, Instabilitäten 77
Literatur 79
3 Die Erde und Erd-ähnliche Planeten 81
3.1 Die frühe Erde 81
3.1.1 Die Entstehung des Mondes 81
3.1.2 Das späte schwere Bombardement (LHB) 82
3.13 Die Umwelt auf der frühen Erde 83
3.2 Seismologie und der Aufbau der Erde 85
33 Vulkanismus und die Zusammensetzung der Gesteine 87
3.4 Zusammensetzung von Erdkern und Erdmantel 91
3.5 Das Erdmagnetfeld und die Spreizung des Ozeanbodens 91
3.6 Konvektion, Hotspots und Plattentektonik 93
3.6.1 Mantelkonvektion 94
3.6.2 Plume-Konvektion 95
3.6.3 Plattengrenzen 95
3.7 Gebirgsbildung und die Entwicklung der Kontinente 97
3.8 Die Atmosphäre 100
3.8.1 Habitable Zone 100
3.8.2 Planetenmasse und das Festhalten der Atmosphäre 101
3.9 Lebensdauer der Sterne 103
3.10 Gezeitenwirkungen auf die Planeten 103
3.11 Sonnenleuchtkraft und die kontinuierlich habitable Zone 104
3.12 Instabilitäten der Planetenatmosphären 105
3.12.1 Der Carbonat-Silicat-Zyklus 106
3.12.2 Irreversibler und feuchter Treibhauseffekt 106
3.12.3 Irreversible Vereisung 107
3.13 Achsenvariationen der Planeten 108
3.14 Biogene Auswirkungen auf die Atmosphären 110
3.15 Vereisungen des Proterozoikums, die Schneeball-Erde III
3.16 Grenzen der kontinuierlich habitablen Zone 112
3.17 Anzahl der habitablen Planeten in der Galaxis 113
Literatur 114
4 Die einzigartigen Substanzen Kohlenstoff und Wasser 117
4.1 Die chemischen Elemente 117
4.2 Für das Leben wichtige Elemente 117
43 Die Einzigartigkeit des Elements Kohlenstoff, organische Verbindungen 118
4.4 Leben auf der Basis von anderen Elementen? 120
45 Die Einzigartigkeit von Wasser 121
Literatur 122
5 Das Leben und seine Entstehung 123
5.1 Das Phänomen Leben 123
5.2 Elemente der Biochemie 123
5.2.1 Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Nukleinsäuren 123
5.2.2 Der genetische Code 127
5.2.3 ATP, der Energielieferant der biochemischen Welt 127
5.2.4 Die Synthese von RNA, DNA und Proteinen 128
53 Zellen und Organellen 130
5.4 Sequenzierung und Klassifikation der Organismen 131
5.4.1 Methode der Sequenzierung 131
5.4.2 Molekulare Uhren 132
5.43 Der evolutionäre Baum der Bakterien 132
5.4.4 Zeitskala der Evolution des Lebens 133
5.4.5 Sequenzierung und das komplette Genom 134
5.5 Geologische Spuren des Lebens 134
5.6 Die Umwelt zu Beginn des Lebens 136
5.6.1 Die Urey-Miller Experimente 137
5.6.2 Synthetische Biologie und die Schaffung von Leben 138
5.6.3 Die Suche nach LUCA 139
5.6.4 Randbedingungen 139
5.7 Abiotische chemische Evolution und Lebensbildungstheorien 140
Literatur 143
6 Die Darwinsche Theorie und die Eukaryoten 145
6.1 Die Darwin-Theorie der Evolution 145
6.2 Gerichtete Evolution und Konvergenz 146
6.3 Entwicklung der Eukaryoten und die Endosymbiose 147
6.4 Sauerstoff als Umweltkatastrophe 148
6.5 Zellkern und Mitose 150
6.6 Sexualität und Meiose 151
6.7 Genetische Evolution 152
Literatur 153
7 Mehrzelligkeit 1SS
7.1 Mehrzelligkeit, Organe und der programmierte Zelltod 155
7.2 Leben auf dem Land 158
7.3 Eroberung des Landes durch die Pflanzen 159
7.3.1 Die Devonische Revolution 161
7.3.2 Wurzeln und Nahrungsbedarf 161
7.3.3 Leitungssysteme 161
7.3.4 Stämme 162
7.4 Die Radiation der Landpflanzen 162
7.4.1 Moose und Gefäßsporenpflanzen 162
7.4.2 Nacktsamige Pflanzen (Gymnospermen) 162
7.4.3 Blütenpflanzen (Angiospermen) 164
7.5 Die Eroberung des Landes durch Tiere 164
Literatur 167
8 Säugetiere und Intelligenz 169
8.1 Geschichte der Säugetiere 169
8.2 Das große Massensterben an der K/T-Grenze 171
8.3 Das Tertiär und die Evolution der Säugetiere 174
8.4 Evolution der Primaten 174
8.5 Gehirngrößen 178
8.6 Entwicklung der Intelligenz 179
8.7 Die Spiegelselbsterkenntnis 181
8.8 Künstliche Intelligenz und Robotik 183
8.8.1 Zentraleinheiten (CPUs), Mikro-Maus-Roboter 183
8.8.2 Reaktive Gehirnarchitektur 184
8.8.3 Imaginative Gehirnarchitektur 185
8.9 Das Phänomen Bewusstsein 186
8.9.1 Was ist Bewusstsein? 186
8.9.2 Das .leichte" und .harte" Problem des Bewusstseins 187
8.10 Höhere Gehirnfunktionen bei Tieren 187
8.10.1 Gedächtnisse 187
8.10.2 Analyse von Sinneswahrnehmungen 188
8.10.3 Imagination, mentale Bilder, Vorwärtsmodelle 188
8.10.4 Aufmerksamkeit 188
8.10.5 Selbstbewusstsein, das .Ich" 188
8.10.6 Zweckbestimmtes Handeln 189
8.10.7 Emotionalität 190
8.10.8 Freier Wille 190
8.11 Materie, Geist und Information 190
8.12 Simulation der Evolution? 192
Literatur 193
9 Der Moderne Mensch 197
9.1 Geschichte des modernen Menschen 197
9.1.1 Entwicklung der Hominiden 197
9.1.2 Aufrechter Gang, Freilegung der Hände 200
9.13 Gehirnentwicklung 200
9.2 Technologische Evolution 201
9.2.1 Werkzeuggebrauch bei den Menschenaffen 201
9.2.2 Werkzeuggebrauch der Hominini 202
9.2.3 Steinwerkzeuge 203
9.2.4 Speere 204
9.2.5 Feuer, Kochen 205
9.2.6 Arbeitsteilung, Unterricht, Monogamie 206
9.2.7 Bauten, Siedlungen 206
9.2.8 Kommunikation, Sprache 208
9.2.9 Ötzi 208
9.2.10 Hochtechnologie, Schrift 210
9.3 Kulturelle Evolution 210
9.3.1 Recht 211
9.3.2 Religion 212
9.4 Die Biologie des Gehirns 214
9.5 Neurophysiologische Untersuchungsmethoden 215
9.5.1 Magnetresonanztomographie (MRT) 216
9.5.2 Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) 217
9.5.3 Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und andere Verfahren 217
9.6 Zentren des Gehirns 218
9.6.1 Die verschiedenen Gehirnareale 218
9.6.2 Somatosensorischer und motorischer Cortex 219
9.6.3 Visueller und auditorischer Cortex 220
9.6.4 Hypothalamus, Hippocampus, Thalamus und Kleinhirn 221
9.7 Die höchsten Gehirnfunktionen beim Menschen 221
9.7.1 Bewusstsein 222
9.7.2 Selbstbewusstsein, das Ich, die Erste-Person-Perspektive 223
9.7.3 Emotionalität 224
9.7.4 Freier Wille 224
9.7.5 Zielorientiertes Handeln 228
9.7.6 Logisches verbales Denken 228
9.8 Der Unterschied zwischen Mensch und Tier 229
Literatur 231
10 Die Zukunft der Menschheit 235
10.1 Der unaufhaltsame technologische Fortschritt 235
10.2 Die anhaltende kulturelle Evolution 236
10.3 Der evolutionäre Konvergenzpunkt 237
10.4 Extraterrestrisches intelligentes Leben 238
10.5 Gefahren, das Fermi-Paradox 239
10.6 Die "Gotthypothese" - für und wider 240
Literatur 242
Anhangtabellen 243