Cumrun Vafa - Das Universum in Rätseln

1 Cover

2 Titelseite Cumrun Vafa

3 Impressum Autor Prof. Cumrun Vafa Harvard University Department of Physics 17 Oxford Street Massachusetts Vereinigte Staaten von Amerika Übersetzer Dr. Michael Bär, Wiesloch, Deutschland Titelbild © wacomka/Getty Images Alle Bücher von WILEY-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © 2022 WILEY-VCH GmbH, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Deutschland Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Print ISBN 978-3-527-41406-2 ePDF ISBN 978-3-527-83594–2 ePub ISBN 978-3-527-83595-9 Satz le-tex publishing services GmbH, Leipzig Gedruckt auf säurefreiem Papier. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

4 Widmung Für meine geliebte Frau und lebenslange Freundin , Afarin , und meine lieben Söhne , Farzan, Keyon und Neekon , die meine Inspiration für das Schreiben dieses Buches waren , sowie meine lieben Eltern , Simeen und Javad , die meine Neugierde gefördert haben .

5 Vorwort

6 1 Eine kurze Einführung in die moderne Physik 1.1 Die Anfänge der Naturwissenschaft in der Antike 1.2 Newtonsche Mechanik 1.3 Lagrangesche und hamiltonsche Mechanik 1.4 Maxwells Theorie des Elektromagnetismus 1.5 Aufbruch in die vierte Dimension: Relativitätstheorie 1.6 Die Entdeckung des Zufalls: Quantenmechanik 1.7 Die seltsame Theorie: Quantenfeldtheorie 1.8 Der Weg in die Zukunft: Quantengravitation

7 2 Symmetrie und Erhaltungssätze 2.1 Rätsel zur Motivation 2.2 Symmetrie: Schönheit als Naturprinzip 2.3 Das Noether-Theorem 2.4 Die Erweiterung des Symmetriebegriffs: Supersymmetrie 2.5 Quasikristalle und Quasisymmetrie 2.6 Strings und die Erhaltung der elektrischen Ladung 2.7 Spontane Symmetriebrechung

8 3 Symmetriebrechung 3.1 Und sie bewegt sich doch: Symmetriebrechung und die Bewegung der Erde 3.2 Spontane Symmetriebrechung 3.3 Spontane Symmetriebrechung und Magnetismus 3.4 Verkehrsplanung mit Symmetrie: vier Städte 3.5 Symmetriebrechung und das Higgs-Boson 3.6 Die große Vereinheitlichung der Kräfte 3.7 Supraleitung und Symmetriebrechung 3.8 Ein ungewöhnliches Beispiel: starre Körper 3.9 Rechts und links in der Natur: Händigkeit

9 4 Die Kraft der einfachen und abstrakten Mathematik4.1 Gesetze und Randbedingungen 4.2 Eine kurze Einführung in komplexe Zahlen 4.3 Gravitationslinsen – eine Konsequenz der allgemeinen Relativitätstheorie

10 5 Kontraintuitive Mathematik5.1 Vorbemerkungen 5.2 Paradoxa der Unendlichkeit 5.3 Verrückte Mathematik: Analytische Reihen 5.4 Das Ziegenparadoxon

11 6 Physikalische Intuition6.1 Intuitive Physik 6.2 Galileo Galilei 6.3 Isaac Newton 6.4 Physikalische Intuition in der Mathematik 6.5 Das Heureka des Archimedes 6.6 Der Satz des Pythagoras 6.7 Spezielle Relativitätstheorie 6.8 Statistische Mechanik

12 7 Kontraintuitive Physik 7.1 Auftrieb einmal anders betrachtet 7.2 Warum können Flugzeuge fliegen? 7.3 Warum ist der Nachthimmel dunkel? 7.4 Die Maxwell-Gleichungen 7.5 Einsteins spezielle Relativitätstheorie 7.6 Paradoxa in der Quantenmechanik 7.7 Ununterscheidbarkeit in der Quantenmechanik 7.8 Das EPR-Paradoxon 7.9 Schwarze Löcher 7.10 Holographie: Weniger ist mehr

13 8 Natürlichkeit in der Physik: Dimensionsanalyse8.1 Ein Aha-Erlebnis 8.2 Von großen und kleinen Zahlen: Größenordnungen 8.3 Dimensionsanalyse 8.4 Die Strahlung beschleunigter Ladungen 8.5 Skalierung und konforme Feldtheorien 8.6 Der Natur in die Karten geschaut: natürliche Einheiten 8.7 Schwarze Löcher 8.8 Symmetrie und Natürlichkeit

14 9 Unnatürlichkeit und große Zahlen 9.1 Wie groß ist zu groß: unnatürliche Zahlen 9.2 Das Aufkommen des heliozentrischen Modells und Unnatürlichkeit 9.3 Etwas Zahlentheorie 9.4 Licht und Dunkel: Der Aufbau des Universums 9.5 Die Geometrie der Raumzeit 9.6 Fragen über Fragen 9.7 Längenskalen 9.8 Zeitskalen

15 10 Partner oder Gegner: Religion und Naturwissenschaft 10.1 Grundlegende Fragen 10.2 Naturwissenschaft gegen Religion 10.3 Naturwissenschaft und Religion 10.4 Der Ursprung des Universums 10.5 Einstein und die Religion 10.6 Feynman und die Religion 10.7 Hawking und die Religion 10.8 Pascal und die Religion 10.9 Kausalität und Gott

16 11 Verschiedene Standpunkte: Dualität 11.1 Zwei mathematische Beispiele 11.2 Dualität in der Quantenmechanik 11.3 Maxwells Theorie 11.4 Dualität in der Stringtheorie 11.5 T-Dualität 11.6 Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten und Spiegelsymmetrien 3) 11.7 Sonstige Dualitäten: Geometrie und Kraft 11.8 Dualität in schwarzen Löchern 11.9 Holographie 11.10 Das wignersche Gesetz

17 12 Zusammenfassung 12.1 Symmetrie und Symmetriebrechung 12.2 Eichsymmetrie 12.3 Intuitive Mathematik 12.4 Kontraintuitive Mathematik 12.5 Intuitive und unintuitive Physik 12.6 Natürlichkeit 12.7 Physik und Religion 12.8 Dualität

18 Stichwortverzeichnis

19 End User License Agreement

1 Cover

2 Inhaltsverzeichnis

3 Titelseite Cumrun Vafa

4 Impressum Autor Prof. Cumrun Vafa Harvard University Department of Physics 17 Oxford Street Massachusetts Vereinigte Staaten von Amerika Übersetzer Dr. Michael Bär, Wiesloch, Deutschland Titelbild © wacomka/Getty Images Alle Bücher von WILEY-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © 2022 WILEY-VCH GmbH, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Deutschland Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Print ISBN 978-3-527-41406-2 ePDF ISBN 978-3-527-83594–2 ePub ISBN 978-3-527-83595-9 Satz le-tex publishing services GmbH, Leipzig Gedruckt auf säurefreiem Papier. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1