Kosmologie für alle, die mehr wissen wollen

Kosmologie für alle, die mehr wissen wollen

von: Delia Perlov, Alex Vilenkin

Springer-Verlag, 2021

ISBN: 9783030633592

Sprache: Deutsch

410 Seiten, Download: 19314 KB

 
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Mehr zum Inhalt

Kosmologie für alle, die mehr wissen wollen



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

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