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Über dieses Buch

Mitten in Europa ist eine der größten und komplexesten Maschinen in Betrieb gegangen, die wir Menschen je gebaut haben: der Large Hadron Collider (kurz LHC). Mit ihm öffnet sich ein Fenster in eine neue Welt, die viele Geheimnisse birgt: Was verleiht den Teilchen der Materie ihre Masse? Gibt es verborgene Raumdimensionen? Existiert ein tiefer Zusammenhang zwischen Teilchen mit verschiedenem Spin (Supersymmetrie)? Woraus besteht die dunkle Materie, die unser Universum durchdringt? Gibt es das Higgs-Teilchen?

Mit diesem Buch taucht der Leser ein in diese wunderbare Welt, die wir Menschen in der Neuzeit entdeckt haben: Atome und ihre Substruktur aus Quarks und Leptonen, die rätselhafte Quantenmechanik, Teilchen des Lichts, Einsteins Gewebe aus Raum und Zeit, die vier Wechselwirkungen und schließlich die neue Welt, in die der LHC gerade vordringt und in der wir Higgs-Teilchen, Supersymmetrie und womöglich erste Anzeichen für die String-Theorie vermuten. Die erste Vermutung konnte mittlerweile bestätigt werden: Im Sommer 2012 wurde am LHC die Entdeckung des Higgs-Teilchens bekannt gegeben.

Nach der Lektüre ist klar: Wir leben in einer erstaunlichen Welt und sind gerade im Begriff, bei der Enträtselung ihrer Geheimnisse einen entscheidenden Schritt nach vorne zu gehen. Für die 2. Auflage hat der Autor das Buch aktualisiert und um neueste Erkenntnisse ergänzt.

Über den Autor:

Jörg Resag hat in Bonn Physik und Astronomie studiert und in theoretischer Physik über die Quarkstruktur von Elementarteilchen promoviert.
Er arbeitet derzeit in der chemisch-pharmazeutischen Industrie.
Im Spektrum-Verlag ist 2012 sein zweites Buch "Zeitpfad -- Die Geschichte unseres Universums und unseres Planeten" erschienen.

Leserstimmen zur ersten Auflage:

Dem theoretischen Physiker Jörg Resag ist ein sehr interessantes, unterhaltsames und didaktisch exzellentes Buch gelungen, das sowohl interessierten Laien wie Experten die Geheimnisse der Quantenphysik, das Standardmodell, die Relativitätstheorie und Kosmologie und schließlich die Superstrings vorstellt. (...) Sehr komplexe Zusammenhänge werden sehr klar und verständlich erläutert.

Treffpunkt Buch plus

Kein einfaches, aber dafür höchst empfehlenswertes Werk.

ekz-Informationsdienst

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Atome, Bausteine der Materie

Zusammenfassung
Woraus besteht Materie? Ist sie kontinuierlich und in immer kleinere Stücke teilbar, oder besteht sie aus vielen kleinen Bausteinen? Die letztere Idee existierte bereits im antiken Griechenland, doch erst die zunehmende Entwicklung der Chemie und Physik in den letzten gut 300 Jahren brachte zunehmend die Gewissheit, dass es diese Bausteine tatsächlich gibt. Dabei stellte sich heraus: Atome sind keine unteilbaren Objekte, sondern sie besitzen eine innere Struktur.
Jörg Resag

2. Seltsame Quantenwelt

Zusammenfassung
Ein Atom besteht aus einem sehr kleinen, schweren, positiv geladenen Kern, um den sich ein oder mehrere winzige, sehr leichte, negativ geladene Elektronen bewegen. Ansonsten besteht ein Atom nur aus leerem Raum. Wie können wir uns die Bewegung der Elektronen im Feld des Atomkerns genauer vorstellen? Machen Sie sich auf eine Überraschung gefasst, denn wir tauchen ein in die seltsame Quantenwelt.
Jörg Resag

3. Atomkerne und spezielle Relativitätstheorie

Zusammenfassung
Wenn wir uns dem Mittelpunkt der Atome zuwenden, dem Atomkern, so finden wir auch hier eine tiefere Substruktur: Er ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut, die von der starken Kernkraft zusammengehalten werden. Dabei stoßen wir auf ein unerwartetes Phänomen: Den Massendefekt! Bei der Bildung von Atomkernen geht ein Teil der Masse seiner Bausteine verloren und wandelt sich in Energie um. Hier treffen wir auf Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie, die nicht nur dieses Phänomen erklärt, sondern die zugleich unser Verständnis von Raum und Zeit revolutioniert.
Jörg Resag

4. Teilchenzoo, Quarks und Wechselwirkungen

Zusammenfassung
Im Jahr 1932 schien das physikalische Weltbild relativ abgeschlossen zu sein. Der Aufbau der Atome und Atomkerne war weitgehend bekannt und spezielle Relativitätstheorie sowie Quantenmechanik waren entwickelt. Es gab nur wenig Anlass, nach weiteren Substrukturen der Materie zu suchen. Doch man täuschte sich! In den nächsten Jahren wurde ein ganzer Zoo neuer Teilchen entdeckt, und erst durch die Entdeckung der Quarks und ihrer starken Wechselwirkung gelang es, Ordnung in diesen Teilchenzoo zu bringen.
Jörg Resag

5. Quanten und Relativität

Zusammenfassung
Die Quarks im Inneren eines Protons oder Neutrons haben mittlere Geschwindigkeiten, die von der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit sind. Wir müssen also einen theoretischen Rahmen finden, in dem sowohl die Quantenmechanik als auch die spezielle Relativitätstheorie gleichermaßen Eingang finden: die relativistische Quantenfeldtheorie. Dabei führt die mögliche Umwandlung von Energie in Masse zusammen mit der quantenmechanischen Unschärferelation zu neuen Phänomenen: virtuelle Teilchen entstehen für kurze Zeiten im Vakuum, Antiteilchen tauchen auf und Kraftfelder werden durch Wechselwirkungsteilchen ersetzt. Mit den Feynman-Graphen gelingt es uns, eine Übersicht über all diese Phänomene zu entwickeln, und das Eichprinzip liefert schließlich ein universelles Kochrezept für die Formulierung aller bekannten Wechselwirkungen mit Ausnahme der Gravitation.
Jörg Resag

6. Das Standardmodell der Teilchenphysik

Zusammenfassung
Von den vier bekannten fundamentalen Wechselwirkungen haben wir bisher zwei Wechselwirkungen intensiv betrachtet: die elektromagnetische und die starke Wechselwirkung. Zur theoretischen Beschreibung dieser beiden Wechselwirkungen existiert ein sehr erfolgreiches Konzept: die Eichtheorie. Anders als die Gravitation fügt sich auch die schwache Wechselwirkung sehr gut in dieses theoretische Schema ein, wenn man sie gemeinsam mit der elektromagnetischen Wechselwirkung als Eichtheorie formuliert. Zusammen mit der starken Wechselwirkung (aber ohne die Gravitation) ergibt sich damit das Standardmodell der Teilchenphysik, das die sechs Quarks, die sechs Leptonen und ihre elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen im Rahmen einer Quantenfeldtheorie mit hoher Präzision beschreibt. Das Standardmodell sagt dabei eine Reihe neuer Teilchen voraus, insbesondere die massiven Kraftteilchen der schwachen Wechselwirkung (W- und Z-Bosonen), die im Jahr 1983 am CERN nachgewiesen werden konnten, sowie das berühmte Higgs-Teilchen, das allen Teilchen des Standardmodells ihre Masse verleiht und dessen Nachweis im Sommer 2012 gelang.
Jörg Resag

7. Gravitation

Zusammenfassung
Obwohl die Gravitation mit Abstand die schwächste aller Wechselwirkungen ist, ist sie diejenige Kraft, die wir in unserem täglichen Leben am direktesten wahrnehmen können. Der Grund dafür liegt darin, dass die Gravitation als einzige Wechselwirkung nur anziehende, aber keine abstoßenden Kräfte zwischen Objekten hervorruft, sodass die Kräfte zu einer Ansammlung von Masse führen. Dazu kommt, dass die Gravitation wie die elektromagnetische Wechselwirkung eine langreichweitige Wechselwirkung ist. So ist es schließlich die schwächste aller Wechselwirkungen, die die großräumigen Strukturen unseres Universums bestimmt. Bisher haben wir die Gravitation weitgehend aus unseren Betrachtungen ausgeklammert. Wir haben lediglich die über 300 Jahre alte Beschreibung durch Newtons Gravitationsgesetz kennengelernt. Aber ist diese Beschreibung überhaupt mit der speziellen Relativitätstheorie verträglich? Und was geschieht, wenn wir Quanteneffekte berücksichtigen müssen? Diesen beiden Fragen wollen wir in diesem Kapitel genauer auf den Grund gehen.
Jörg Resag

8. Aufbruch in neue Welten

Zusammenfassung
Weder das Standardmodell der Teilchenphysik noch die allgemeine Relativitätstheorie können in der Physik das letzte Wort gewesen sein. Alles deutet darauf hin, dass es grundlegendere Theorien geben muss, die diese beiden Theorien als niederenergetische Grenzfälle enthalten, wobei niederenergetisch bedeutet, dass die Teilchenenergien weit unterhalb der Planck-Energie liegen. In diesem Kapitel schauen wir uns an, welche Ideen zu solchen grundlegenderen Theorien führen können und wie weit der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Lage ist, ein erstes Fenster in diese neue Welt zu öffnen. Dabei stoßen wir auf neue theoretische Konzepte wie Supersymmetrie, Dualitäten, Stringtheorie und Schleifen-Quantengravitation, und wir lernen den Large Hadron Collider genauer kennen, dem es im Sommer 2012 gelungen ist, den letzten noch fehlenden Schlussstein im Gebäude des Standardmodells zu finden: das Higgs-Teilchen. Den Verlauf dieser spannenden Entdeckungsgeschichte findet der Leser in Abschnitt 8.2.
Jörg Resag

Backmatter

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