Licht und Materie E-Book

Oliver Morsch

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Erlebnis Wissenschaft
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2012

Seitenzahl: 373

Beschreibung

Dies ist eine Beziehungsgeschichte, deren Hauptpersonen beim Sonnenbaden eine äußerst wichtige Rolle spielen: das Licht und die Materie. Dass Sonnenlicht unsere Haut wärmen und bräunen kann, wissen wir. Doch Licht und Materie können noch ganz andere Dinge: Wer hätte gedacht, dass Licht nicht nur wärmen, sondern auch kühlen kann? Oder dass man mit gebündeltem Licht nicht nur Löcher ins Papier brennen, sondern auch ganz winzig kleine, einzelne Atome festhalten kann? Und was haben Lichtteilchen mit Geheimcodes zu tun? Oliver Morsch, Physiker und Wissenschaftsjournalist, zeigt Ihnen in diesem kurzweiligen und sehr verständlich geschriebenen Buch, dass viele heutige Errungenschaften und zukünftige Technologien auf den Erkenntnissen der Atomphysik beruhen. Viel Spaß beim Lesen!

Leseprobe

Erlebnis Wissenschaft bei WILEY-VCH

J. Audretsch (Hrsg.) Verschränkte WeltFaszination der Quanten2002, ISBN 3-527-40318-3

H. Bolz GenComics2001, ISBN 3-527-30420-7

U. Deichmann Flüchten, Mitmachen, VergessenChemiker und Biochemiker in der NS-Zeit2001, ISBN 3-527-30264

J. Emsley Parfum, Portwein, PVC ...Chemie im Alltag I1997, ISBN 3-527-29423-6

H. Emsley Sonne, Sex und SchokoladeChemie im Alltag II1999, ISBN 3-527-29774-X

J. Emsley, P. Fell Wenn Essen krank macht2000, ISBN 3-527-30261-1

J. Emsley Phosphor – ein Element auf Leben und Tod2001, ISBN 3-527-30421-5

H. Genz Gedankenexperimente1999, ISBN 3-527-28882-1

P. Häußler Donnerwetter – Physik2001, ISBN 3-527-40327-2

H. Hellmann Zoff im ElfenbeinturmGroße Wissenschaftsdispute2000, ISBN 3-527-29984-X

R. Hoffmann Sein und ScheinReflexionen über die Chemie1997, ISBN 3-527-29418-X

F. Krafft Vorstoß ins UnerkannteLexikon großer Naturwissenschaftler1999, ISBN 3-527-29656-5

G. Kreysa Fusionsfieber1998, ISBN 3-527-29627-1

J. Koolman, H. Moeller, K.-H. Röhm (Hrsg.) Kaffee, Käse, Karies ...Biochemie im Alltag1998, ISBN 3-527-29530-3

O. Morsch Licht und MaterieEine physikalische Beziehungsgeschichte2003, ISBN 3-527-30627-7

M. Pehnt Energierevolution Brennstoffzelle?Perspektiven – Fakten – Anwendungen2001, ISBN 3-527-30511-4

H.-J. Quadbeck-Seeger, A. Fischer (Hrsg.) Die Babywindel und 34 andereChemiegeschichten2000, ISBN 3-527-30262-X

D. Raabe Morde, Macht, MonetenMetalle zwischen Mythos und Hightech2001, ISBN 3-527-30419-3

M. Reitz Gene, Gicht und GallensteineWenn Moleküle krank machen2001, ISBN 3-527-30313-8

M. Reitz Auf der Fährte der ZeitMit naturwissenschaftlichen Methodenvergangene Rätsel entschlüsseln2003, ISBN 3-527-30711-7

M. Schneider Teflon, Post-it und ViagraGroße Entdeckungen durch kleine Zufälle2002, ISBN 3-527-29873-8

E. Unger Auweia Chemie1998, ISBN 3-527-29538-0

H. Zankl Fälscher, Schwindler, ScharlataneBetrug in Forschung und Wissenschaft2003, ISBN 3-527-30710-9

Dr. Oliver Morsch Università di Pisa Dipto. di Fisica Via Buonarroti 2 I-56127 Pisa Italien

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Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de>abrufbar.

© 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim

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ISBN: 978-3-527-30627-5 ePDF ISBN: 978-3-527-64105-5 ePub ISBN: 978-3-527-64104-8 mobi ISBN: 978-3-527-64106-2

Inhaltsverzeichnis

titelseiteErlebnis Wissenschaft bei WILEY-VCHTitelImpressumDanksagungGeleitwortEinleitung1 - Haben Sie eines gesehen?Die Geschichte der Atomhypothese2 - Das Geheimnis des RegenbogensEine kurze Geschichte des Lichts3 - Von Rosinenkuchen und PlanetensystemenAtommodelle und die Geburt der Quantentheorie4 - Lichtwellen im GleichtaktDer Laser und seine Anwendungen5 - Der Widerspenstigen ZähmungSirup aus Licht und zornige Götter6 - Die Entdeckung der LangsamkeitAnwendungen der Laserkühlung7 - Gleich und gleich gesellt sich gernEinstein, Bose und das Superatom8 - Vertauschte RollenWie man Licht zum Stillstand bringt9 - Gefangene im Dienst der WissenschaftEinzelhaft und Quantensprünge10 - Zeilingers ZaubertricksVon geheimen Botschaften und parallelen Welten11 - Unternehmen ZukunftAtome, Licht und neue TechnologienInternet-AdressenLiteraturempfehlungenLiteraturverzeichnisGlossarNamensregisterSachregister

Danksagung

Ein Buch zu schreiben, kann mitunter eine recht nervenaufreibende Sache sein. Umso angenehmer ist es dann, wenn die Lektorin einen stets aufmuntert und beruhigt. Dafür danke ich Frau Gudrun Walter von WILEY-VCH, die dieses Buch von der Planung bis zur Fertigstellung mit ruhiger Hand betreut hat.

Außer guten Nerven und einem ruhigen Gegenpol braucht ein Autor aber auch »Versuchskaninchen«, die sein Manuskript probelesen und ihm sagen, an welchen Stellen das Geschriebene überhaupt keinen Sinn mehr ergibt. Mein Dank gilt daher André Morsch, Katharina Neuser-von Oettingen, Beate Sauter-Köder, Heinrich Stauff und Thomas Weber, die Teile dieses Buchs gelesen und zahlreiche Verbesserungsvorschläge gemacht haben. Für das, was auch jetzt noch unlesbar oder unverständlich ist, trage ich natürlich die alleinige Verantwortung.

Den Physikern Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und William D. Phillips danke ich für interessante Gespräche und Informationen aus erster Hand vor allem zur Geschichte der Laserkühlung und Bose-Einstein-Kondensation. Meiner Kollegin Donatella Ciampini gebührt Dank für ihre Mithilfe beim Erstellen einiger Abbildungen.

Ein umfassender Dank von Herzen für all das, was ich hier nicht aufzählen kann, geht schließlich an meine Eltern, Heidi und Arnold Morsch. Ihnen widme ich dieses Buch.

Geleitwort

Atome sind die Bausteine der Natur. Da Atome so klein sind, können wir sie nicht direkt sehen, und der Nachweis der atomaren Struktur der Materie ist eine große Errungenschaft der Wissenschaft. Laserlicht hat sich als einzigartiges Werkzeug erwiesen, Atome zu kontrollieren und Materie mit neuartigen Eigenschaften zu erzeugen. Forschung mit Licht und Atomen hat in den letzten Jahren wissenschaftliche Schlagzeilen gemacht – von der kältesten Materie im Weltall über die Teleportation bis zur Verlangsamung von Licht. Diese dramatischen Ergebnisse illustrieren in einer anschaulichen Weise Konzepte moderner Physik und erlauben es Laien, die Welt der Materiewellen und der Quantenmechanik kennen zu lernen. Oliver Morsch vermittelt dies in seinem Buch in einzigartiger Weise. Als Wissenschaftler steht er selbst an der vordersten Front der Forschung und ist mit allen Aspekten der jüngsten Entwicklungen vertraut. Ihm ist es gelungen, seine Sachkenntnis ohne Formeln in einfacher Sprache auszudrücken, die selbst für den Laien verständlich ist. Er erfüllt hiermit einen Anspruch, den ich an mich und andere Wissenschaftler stelle. Wenn man sein Gebiet voll versteht, kann man Sachverhalte in einfachen Bildern ausdrücken und das Wesentliche kurz und prägnant ohne technische Details vermitteln. Dies ist wichtig – nicht nur im Dialog mit der Öffentlichkeit, sondern auch unter Wissenschaftlern.

Oliver Morschs Buch vermittelt nicht nur interessante Wissenschaft, sondern erzählt auch eine spannende Geschichte, eine Geschichte von aufregenden Entdeckungen und Forschern, die mit Liebe und Leidenschaft zu immer tieferen Einblicken in die Natur kommen. Herr Morsch schreibt über Wissenschaftler, die er nicht nur als Autor interviewt hat, sondern als Kollegen seit vielen Jahren kennt. Das Ergebnis ist ein Buch, das sowohl die wissenschaftliche als auch die menschliche Seite moderner Forschung in einer Weise schildert, die selbst mir unter die Haut geht.

Boston, November 2002

Wolfgang KetterleJohn D. Mac Arthur Professor für Physik Massachusetts Institute of Technology – Nobelpreis für Physik 2001 –

Einleitung

Wenn man an einem wolkenlosen Sommertag auf dem Balkon liegt und die Sonnenstrahlen auf der Haut spürt, dann kommen einem viele Gedanken. Südsee und Sandstrand sind sicher darunter, und vielleicht erinnert man sich auch daran, am Abend noch die Blumen zu gießen. Aber wer denkt bei einem Sonnenbad schon an CD-Spieler oder Atomuhren?

In diesem Buch wollen wir genau das tun. Es geht dabei um eine Beziehungsgeschichte, deren Hauptpersonen auch beim Sonnenbad vorkommen: Licht und Materie. Dass das Sonnenlicht unsere Haut wärmen und bräunen kann, wissen wir. Doch Licht und Materie können noch auf ganz andere Art und Weise aufeinander einwirken. Wer hätte zum Beispiel gedacht, dass Licht nicht nur wärmen, sondern auch äußerst gut kühlen kann? Oder dass man mit gebündeltem Licht nicht nur Löcher in Papier brennen, sondern auch einzelne Atome festhalten kann? Und was haben Lichtteilchen mit Geheimcodes zu tun? All das wollen wir uns in diesem Buch ansehen.

Im Laufe des 20. Jahrhunderts hat sich unser Wissen vom Aufbau der Materie und vom Wesen des Lichts explosionsartig vermehrt. Dieses Wissen führte schließlich zu technologischen Revolutionen wie der Elektronik und dem Laser, und ständig kommen neue Anwendungen hinzu. Einen kleinen Abriss dieser Entwicklung will dieses Buch geben. Über all den nützlichen und segensreichen Anwendungen möchte ich aber auch zeigen, dass Physiker in ihrer Forschung vor allem von einer Kraft angetrieben werden: der Neugier. Auch wenn es im Rückblick oft so erscheint, als sei ein bestimmtes Gerät zielstrebig von schlauen Wissenschaftlern entwickelt worden, so ist die zeitliche Reihenfolge doch meist umgekehrt.

Das Gebiet, das auf den folgenden Seiten dargestellt werden soll, ist so umfangreich, dass ich notwendigerweise nur einen kleinen Ausschnitt behandeln kann. Nach den einführenden Kapiteln zur Atomphysik und zur Geschichte des Lichts werden wir daher gleich in die aktuelle Forschung springen, die in den letzten Jahren für einige Schlagzeilen und Nobelpreise gesorgt hat. Insbesondere den Nobelpreis des Jahrs 2001 für die Bose-Einstein-Kondensation und die möglichen Anwendungen, die sich aus dieser Forschungsrichtung ergeben, werde ich ausführlich besprechen.

Dieses Buch wendet sich in erster Linie an Nicht-Physiker, die wissen möchten, was es mit der Atom- und Laserphysik auf sich hat. Daher habe ich auf ein umfangreiches Verzeichnis der Originalliteratur verzichtet. Wer aber dennoch Informationen aus erster Hand sucht, der wird sie in den Übersichtsartikeln und Fachbüchern finden, die jeweils im Text erwähnt werden.

Auch eine ausgewogene Darstellung der Leistungen einzelner Forschungsgruppen war in der Kürze eines populärwissenschaftlichen Buchs nicht möglich. Die Erwähnung bestimmter Forscher oder Institutionen ist daher in den meisten Fällen keine bewusste Hervorhebung, sondern eine willkürliche Auswahl meinerseits, um dem Leser einen Einblick in die Welt der Physik zu geben.

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Haben Sie eines gesehen?Die Geschichte der Atomhypothese

Wer heute an der Westküste der Türkei Urlaub macht und sich ein wenig von den Touristenhotels und Ferienclubs entfernt, der stößt auf einen Reichtum an Überresten antiker Kulturen, wie es ihn nur in wenigen Gegenden der Welt gibt. Zwischen den beliebten Ferienzielen Izmir und Bodrum findet man unzählige Orte mit klingenden Namen: Efesus, Bergama (Pergamon) und Troja lassen erahnen, dass hier vor mehr als 2000 Jahren der »Mittelpunkt der Welt« war, wie die Bewohner Ioniens (so hieß dieser Landstrich damals) selbst von sich behaupteten. Im Mündungsgebiet des Menderes liegt das von Touristen häufig zugunsten von Didim (mit dem berühmten Orakel) und Troja links liegen gelassene, unscheinbare Örtchen Milet. Dort beginnt um das Jahr 600 v. Chr. unsere Geschichte. [Eine ausführliche Geschichte der Atomhypothese findet sich in Pullman (1998). Die Darstellung in diesem Kapitel stützt sich hauptsächlich auf Informationen aus Pullmann (1998), Berr (1997) und Lindley (2001).]1

Vorspiel in Griechenland

Damals war die Westküste Kleinasiens natürlich noch ein Teil des antiken Griechenland, und Milet kein verschlafenes Dörfchen, sondern eine wichtige Seemacht, mit vier Häfen und Kolonien bis hinauf an die Schwarzmeerküste. Die Einwohner Milets fühlten sich damals vermutlich aus den gleichen Gründen so wohl dort, aus - denen heute in Scharen Besucher an die Ägäis kommen: »Der schönste Himmel und das beste Klima der Welt« [de Crescenzo (1990)], schrieb Herodot, und das allgemeine Wohlbefinden trug sicherlich auch dazu bei, dass der Handel florierte und sich so mancher Mileter dazu bemüßigt fühlte, nicht nur fleißig Geld zu verdienen, sondern auch »über Gott und die Welt« nachzudenken.

Die Westküste der Türkei, mit den geografischen Bezeichnungen des antiken Griechenland.

Und so begann der Ingenieur Thales von Milet zu jener Zeit, sich darüber Gedanken zu machen, woraus die ihn umgebende Welt aufgebaut sei. Natürlich hatten schon vor ihm Menschen über den Anfang der Welt nachgedacht, über die Entstehung der belebten und unbelebten Natur. Doch bis dahin war dies alles in einem mehr oder weniger religiösen Rahmen geschehen, und die treibenden Kräfte waren die Götter gewesen. Thales aber schlug ein neues Kapitel auf, da er als einer der Ersten versuchte, aus alltäglichen Beobachtungen natürlicher Phänomene Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Veränderungen der Materie zu ziehen. Damit begann die lange Tradition der Naturphilosophie, die Fragen an die Natur stellte und sich später zu den modernen Naturwissenschaften entwickelte.