Claus Kiefer Der Quantenkosmos

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Inhaltsangabe zu „Der Quantenkosmos“ von Claus Kiefer

Hat das Universum einen Anfang und ein Ende? Gibt es eine oder mehrere Welten? Das Verhältnis von Gravitation und Quantenphysik, die Verbindung zwischen den Kräften im Kleinsten, den Atomen, und im größten, den Planeten und Galaxien, gehört zu den spannendsten offenen Fragen der modernen Physik. Verbindet man beide zu einer Theorie der Quantengravitation, so ergibt sich ein faszinierendes Bild unserer Welt, das auch unsere Stellung als Menschen berührt.

Ein schöner Überblick über die Kosmologie, was die Quanten damit zu tun haben und die Frage, wie die Zeit in die Welt kam.

— PhilippWehrli
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  • Eine Einführung in die Kosmologie

    Der Quantenkosmos
    PhilippWehrli

    PhilippWehrli

    23. August 2017 um 18:51

    Zunächst einmal mag es einen Laien erstaunen, dass im Titel Quanten, also die kleinsten Teilchen, mit dem Kosmos, also dem ganz Grossen, in einem Wort verbunden werden. Tatsächlich verbinden sich in der Kosmologie zwei scheinbar völlig unterschiedliche Teilgebiete: Die Frage nach der Dynamik des Universums, die durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird, und die Teilchenphysik, in der Quanteneffekte eine grosse Rolle spielen. Von der Expansion des frühen Universums hängt ab, welche Teilchen in der heissen Frühzeit entstehen konnten. Immer mehr zeigt sich aber, dass es wohl Quantenverschränkungen sind, welche die Raumzeit zusammen halten. Dies sind also die Themen, über die sich Kiefer auslässt. Sein Kerngebiet ist die Frage, wie Zeit entsteht. Über den Begriff der inneren Zeit in der kanonischen Quantentheorie der Gravitation hat er promoviert.Auf den ersten 60 S. schildert Kiefer unter dem Titel ‚Raum, Zeit, Relativitätstheorie’ die Entwicklung der Gravitationstheorie von den alten Griechen über Kepler, Galilei und Newton bis zu Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Auf weiteren 60 S. erklärt er die Grundbegriffe der Quantentheorie. Dabei pflückt er eine ganze Reihe bemerkenswerter Phänomene heraus, erwähnt z. B., dass die Teilchenzahl in einem Laser nicht eindeutig definiert ist oder dass heute Interferenzexperimente mit Riesenmolekülen durchgeführt werden, ja dass sogar über Interferenzexperimente mit Viren spekuliert wird. Er zeigt auch, was ich bei Audretsch, ‚Verschränkte Welt’ vermisst habe, nämlich wie die berühmte Hawking-Strahlung entsteht: Zwei verschränkte Teilchen werden durch einen Horizont, etwa am Rand eines schwarzen Lochs, getrennt. Dadurch wird das eine Teilchen real und kann als Hawking-Strahlung entweichen.Ausführlich schildert Kiefer auch die Dekohärenztheorie. Diese erklärt, weshalb wir im Alltag keine überlagerte Zustände beobachten, obwohl sie gemäss Quantentheorie allgegenwärtig sind. Eigentlich ist die Dekohärenztheorie nur die konsequente Anwendung der in der Quantentheorie üblichen Rechenmethoden. Die philosophische Konsequenz dieser Theorie ist aber brisant: Entweder muss die Quatentheorie durch einen zusätzlich, bisher nicht beobachteten Kollaps der Wellenfunktion ergänzt werden. Dann würden die Superpositionen, irgendwann aus der Beschreibung verschwinden, was theoretisch beobachtbar wäre. Oder die Quantentheorie beschreibt die Welt, wie sie tatsächlich ist, und die Superpositionen bleiben tatsächlich. Wir sehen sie nur nicht, aus Gründen, die die Dekohärenztheorie im Detail erklärt. Dies ist die sogenannte Everett- oder Viele-Welten Interpretation. Auf wenigen Seiten beschreibt Kiefer die Grundhaltung der Begründer der Quantentheorie in der Interpreationsfrage.Das kürzere dritte Kapitel widmet sich dem dritten grossen Bereich, der in der Kosmologie eine Rolle spielt: Der Thermodynamik, insbesondere dem Begriff der Entropie und der Frage, ob mit diesem Begriff der Zeitpfeil erklärt werden kann. Die Entropie nimmt stets zu, was z. B. zur Folge hat, dass heisser Kaffee in einem kühleren Zimmer stets abkühlt. Reicht dies, um den Begriff der Zeit zu erklären? Zukunft wäre einfach da, wo der Kaffee kalt ist, Vergangenheit da, wo er warm war. Allerdings stellt sich bei dieser Erklärung sogleich eine neue Frage: Weshalb war der Kaffee am Anfang warm, wenn es im Zimmer kalt ist? Natürlich, jemand hat ihn aufgewärmt. Aber dazu hat dieser jemand eine Energiequelle gebraucht, z. B. eine heisse Sonne in einem kalten Universum. Weshalb gibt es heisse Dinge in einem kalten Universum?Die Antwort darauf könnte mit der Expansion des Universums zusammen hängen. Dieser vierte Teil ist sehr ausführlich und gelungen. Kiefer erklärt, woran man die verschiedenen kosmologischen Modelle durch Beobachtung unterscheiden könnte und welche Beobachtungen gemacht werden. Er stellt fest: „Realistische Alternativen zur Inflation sind zur Zeit nicht in Sicht.“ In ‚Spektrum der Wissenschaft’ vom Juni 2017 äusserten allerdings Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt und Abraham Loeb Kritik am Inflationsmodell, weil es den Beobachtungen widerspreche. Meines Wissens teilen aber die meisten Kosmologen Kiefers Ansicht.Der fünfte Teil befasst sich schliesslich mit dem viel diskutierten Rätsel der Kosmologie, wie die zwei grossen Theorien, die Quantentheorie und die Relativitätstheorie, zusammen geführt werden können. Die Frage drängt sich schon beim Begriff der Zeit auf. Während die Quantenmechanik Newtons absoluten Zeitbegriff übernommen hat, ist in der Relativitätstheorie die Zeit dynamisch. Während die Quantenphysik sich auf der vorgegebenen Bühne Raumzeit abspielt, beschreibt die allgemeine Relativitätstheorie die Dynamik der Bühne selbst. Kiefer schildert die Problematik, dass nämlich die Kombination der zwei Theorien zu Unendlichkeiten führt. Und er stellt auch die wichtigsten Lösungsansätze vor, die Schleifen-Quantengravitation (Loop-Theorie) und die String-Theorie.Der sechste Teil widmet sich der Klärung des Zeitbegriffs, – also Kiefers Fachgebiet. Allerding kann der Autor hierzu nicht mehr als eine vage Ahnung vermitteln, in welche Richtung die Überlegungen gehen. Wenn er schreibt: „Der entscheidende Punkt ist nun, dass die Wheeler-DeWitt Gleichung in bezug auf die „innere“ Zeit (im wesentlichen die Grösse des Universums, siehe Kapitel 5) asymmetrisch ist.“ Und dann weiter diese Asymmetrie diskutiert, dann müsste ich die Gleichungen vor mir sehen, um etwas damit anfangen zu können. Sie aber hinzuschreiben, vermeidet Kiefer aus verständlichen Gründen. Insgesamt würde ich’s so sagen: Claus Kiefer ist ein spannender Autor, was im Buch immer mal wieder aufblitzt. Um das Buch aber zu einem wirklich grossen Werk zu machen, hätte er einen aufsässigen Lektor gebraucht, der die spannenden Themen aus ihm rauslockt. So ist das Buch zu einer recht schönen Lektüre geworden, der aber eine charakteristische, bewegende Aussage fehlt.

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  • Ein Experte berichtet über Kosmologie und Teilchenphysik

    Ein Universum aus Nichts
    PhilippWehrli

    PhilippWehrli

    23. August 2017 um 12:25

    Lawrence Krauss erklärt in diesem Buch, wie unser Universum aus dem Nichts entstanden ist. Tut er das? – Zumindest wurde er heftig kritisiert für diese Behauptung, und zwar auch von Leuten, die durchaus verstanden haben, was er schreibt.Krauss erklärt, wie ein Universum als eine Quantenfluktuation entstehen kann, selbst wenn es davor weder Raum, noch Zeit, noch Materie gibt. Raum, Zeit und Materie entstehen von selbst, ohne die Einwirkung eines Gottes. Sie entstehen zwangsläufig als Vakuumfluktuation. Krauss schreibt dies als unbestrittener Experte, der selbst genau auf diesem Gebiet zu den absoluten Experten zählt.Im Kern basiert die moderne Kosmologie auf der Feststellung, dass die heute in der Welt beobachtbaren Elementarteilchen sehr eng mit der Dynamik des frühen Universums zusammen hängen. Kurz nach dem Urknall, als das Universum sehr klein war, war es unvorstellbar heiss. Als es sich ausdehnte, kühlte es ab, wie Gas abkühlt, wenn wir es aus einer Gasflasche ausströmen lassen. Wenn wir aber zurück rechnen, wie das Universum früher ausgesehen haben muss, dann finden wir einen Moment, an dem es so heiss war, dass aus der Wärmestrahlung Teilchen entstanden sein müssen. Von Experimenten in Teilchenbeschleunigern wissen wir sogar sehr genau, welche Teilchen bei welcher Temperatur entstehen.Dies ist die Spielwiese der Kosmologen. Sie suchen ein Modell für die Expansion des Universums so, dass gerade diejenigen Teilchen entstanden wären, die wir tatsächlich beobachten. Genau auf diesem Gebiet gehört Krauss zur Weltspitze. Er zeigt anhand aktueller Messungen, dass die heute sichtbare Teilchenverteilung exakt dem Standardmodell der Kosmologie entspricht. Er beweist, dass es den Urknall gegeben hat. Allerdings scheint mir, andere Autoren haben die kosmologischen Modelle, also die Expansion des Universums verständlicher und korrekter erklärt, z. B. Edward Harrison, ‚Kosmologie’ oder Claus Kiefer, ‚Der Quantenkosmos’.Krauss zählt zum engeren Kreis der ‚neuen Atheisten’, die mit der militanten Schlagkraft ihrer Bücher gegen den religiösen Fundamentalismus ankämpfen. Richard Dawkins nennt ihn auf dem Cover des Buches den ‚Darwin der Kosmologie’, was suggerieren soll, dass es nun dank Krauss auch für die Entstehung des Universums keinen Schöpfungsakt mehr braucht.Aus dieser kämpferischen Haltung bezieht das Buch seinen Reiz. Es amüsiert, wenn Gläubige gereizt werden. Etwa mit solchen Bemerkungen: „Tatsächlich habe ich mehrere Theologen aufgefordert, anhand von Beweisen das Postulat zu widerlegen, wonach die Theologie zumindest in den letzten 500 Jahren – seit den Anfängen der Naturwissenschaften – nichts zum Wissen beigetragen hat. Bis heute hat noch keiner ein Gegenbeispiel vorgelegt. Das Beste, das ich je erhielt, war die Frage: „Was meinen Sie mit Wissen?““Gläubige wird Krauss kaum überzeugen können. Argumente haben gegen den Glauben noch immer verloren, und die meisten Argumente, die Krauss anführt, sind schon vor Jahrhunderten gescheitert. Lustig ist z. B., wenn er ausgerechnet Newtons Gravitationsgesetz als Beweis nennt, dass es keine Engel braucht, um die Erde auf ihrem Weg zu halten. Denn Newton selber meinte, die Planeten hielten sich deshalb an die Gravitationsgesetze, weil Engel sie genau auf diesen Bahnen hielten. Newton, der mit Prismen das Farbenspektrum im Sonnenlicht untersucht und beschrieben hatte, klagte darüber, dass manche seiner Zeitgenossen die Romantik des Regenbogens zerstört und die Engel obsolet gemacht hätten. So werden sich auch heutige Gläubige durch die Argumente dieses Buches nicht von ihrer Meinung abbringen lassen.Krauss belegt in seinem Buch ausführlich, dass das Urknall Modell durch die Beobachtungen bestätigt, ja bewiesen werde. Aber das Urknall Modell wurde von einem katholischen Priester entdeckt, nämlich von Georges Lemaître. Die grossen Meister der Relativitätstheorie und der Astronomie, Albert Einstein, Arthur Eddington und Fred Hoyle, lehnten die Idee von einem Beginn des Universums vehement ab, weil sie zu katholisch und zu religiös sei. David Bohm nannte die Urheber der Urknalltheorie „praktisch Verräter an der Wissenschaft“, die „wissenschaftliche Fakten unterschlagen, um zu Schlussfolgerungen zu gelangen, die der katholischen Kirche genehm sind“. - Dass es einen Urknall gab, hindert niemand daran, an einen Gott zu glauben.Was Krauss zeigt, ist folgendes (seine Worte, denen ich zustimme): „Sobald wir aber zulassen, dass Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie sich verbinden, können wir diese Argumentation auf den Fall ausdehnen, dass der Raum selbst in die Existenz gezwungen wird.“Natürlich drängt sich da für den Gläubigen die Frage auf: „Wer hat denn dafür gesorgt, dass die Quanten und die Relativitätstheorie gelten? Hat Gott die Welt nicht wunderbar eingerichtet?“In seinem kämpferischen Eifer diskutiert Krauss am Problem vorbei. Wenn wir erklären wollen, wie das Universum aus dem Nichts entstanden ist, müssen wir uns mit dem unendlichen Regress befassen. Egal, ob wir an den Urknall oder an Gott glauben, immer bleiben Fragen offen: „Woher kommen die Naturgesetze?“ Oder: „Wer hat Gott geschaffen?“Der unendliche Regress ist aber nicht ein Problem der Physik, sondern ein Problem der Logik. Wir müssen uns fragen, wie eine Erklärung aussehen muss, die nicht in einen unendlichen Regress führt. Ich denke, so eine Erklärung ist möglich, und ich zeige in meinem Buch ‚Das Universum, das Ich und der liebe Gott’, wie diese Erklärung aussehen könnte. Wenn dies gelingt, wird der entscheidende Durchbruch dazu aber nicht in der Physik kommen, sondern in der Mathematik.Insgesamt hält das Buch nicht, was es verspricht. Wäre es nicht so gross angekündigt worden, wäre ich milder. So aber will ich mit meinen drei Sternen einen falschen Eindruck zurechtrücken. Bei aller Sympathie für die Anliegen des Autors und auf die Gefahr hin, eine Reihe guter Freunde aus der Freidenker Bewegung zu verärgern: Da fehlt noch ein Schlüsselstück, um das Buch mit Darwins Werk vergleichbar zu machen.

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