Bøger i Facetten serien

Wir leben im Zeitalter der Information und glauben, da wir mit dem Computer etwas vollig Neues geschaffen haben. Dem ist jedoch nicht so. Seit Millionen von Jahren bilden sich in der Natur informations- verarbeitende Systeme, die weitaus komplexer als die von Menschen geschaffenen Systeme sind. Worin ahneln und worin unterscheiden sich biologische und kunstliche Informationssysteme? Auf diese Frage soll hier eine Antwort gefunden werden. Hierzu werden Berei- che der Informationsverarbeitung in naturlichen Systemen vorgestellt, zu denen es entsprechende in kunstlichen Systemen gibt - Zelle und zellularer Automat, naturliche und Softwareinfektion, Evolution und genetischer Algorithmus sowie Gehirn und Neuronale Netze. Der anschlieende Vergleich lat ubergeordnete Zusammenhange erken- nen. Dieses Buch uberschreitet Fachgrenzen - u. a. umfat es Bereiche der Informatik, der Medizin, der Biologie und der Biochemie und wendet sich in erster Linie an den interessierten Laien. Abschlieend Dankeschon: Frau Dr. H. Schuster danke ich herz- lich fur die freundliche Durchsicht des Manuskriptes und ihre wert- vollen Hinweise. Frau Dr. A. Schulz und dem Verlag Vieweg danke ich vielmals fur ihr aufgeschlossenes Entgegenkommen und ihre Mit- hilfe bei der Verwirklichung dieses Buches. Zusmarshausen, im Marz 1997 C. Borchard-Tuch V Inhaltsverzeichnis Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1 Information ist uberall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2 Aspekte des Informationsaustauschs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1. 3 Ubersicht uber das Folgende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 Zelle und Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2. 1 Die Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2. 1. 1 Die Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2. 1. 2 Der Informationsaustausch zwischen Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2. 1. 3 Kommunikationsmolekule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ziel des Buches ist es, Grundbegriffe aus der Wahrscheinlichkeitsrechnung und Statistik, die auch sonst im taglichen Leben oft benutzt werden, fur jedermann moglichst anschaulich und verstandlich darzustellen. Speziell werden folgende Bereiche behandelt: Zufallsexperimente, Haufigkeiten, Chancengleichheit, kombinatorische Methoden, geometrische Wahrscheinlichkeit, allgemeine Wahrscheinlichkeit, Zufallszahlen und Simulationen, Unabhangigkeit, Mittelwerte, Zufallsvariable und deren Erwartungswerte, Gesetz der groen Zahlen, Bevolkerungsaufbau und Lebenserwartung (Sterbetafel) und etwas uber die "e;statistische Luge"e;. Die Chancen beim Lotto werden in einem sehr umfangreichen Anhang untersucht. Dort soll gezeigt werden, da man wegen der Chancengleichheit aller fast 14 Millionen moglichen Tippreihen nicht gegen den Zufall spielen kann. Ein Gewinn hangt also vom Zufall ab. Das Verhalten der Spieler wird an einigen typischen Gewinnquoten aufgezeigt. Bei Reihen mit vielen "e;Geburtstagszahlen"e; konnen die Quoten extrem niedrig sein. Das gleiche gilt fur Reihen mit "e;Mustern"e;. Um das Verhalten der Spieler aufzuzeigen, wurden 6,8 Millionen an einem Wochenende tatsachlich abgegebene Reihen untersucht.

Der Ton macht die Physik - das ist eine gelungene Mischung aus verstandlich dargestellter Wissenschaft und musikalischen Hintergrundinformationen, die die Welt des Musikhorens und -spielens mit allem Drum und Dran erlautert. Charles Taylor hat in vielen Vortragen, die er vor Kindern hielt, so viel Erfahrung gesammelt, da er den Stoff "e;kinderleicht"e; fast spielerisch verpackt, und ist als emeritierter Physikprofessor doch Wissenschaftler genug, um ihn absolut systematisch und auf dem heutigen Stand der Forschung zu diskutieren. Angefangen von den Grundlagen der Physik des Schalls, der Horphysiologie und der Instrumentenkunde arbeitet er sich uber die Entstehung und Verstarkung von musikalischen Tonen zu den einzelnen Instrumentengruppen vor. Diese werden dann der Reihe nach unter die Lupe genommen (Saiten-, Blas- und elektronische Instrumente). Schritt fur Schritt versteht der Leser immer besser, was hinter einem Mozartschen Klavierkonzert, einer Beethovensinfonie oder einem Schubertlied steht, weshalb Tonleitern zwar lastig, aber nichtsdestotrotz sinnvoll - vor allem fur Tasteninstrumente sind, warum das Gehirn das alles in Musikgenu umsetzt und vieles mehr. Ein Kapitel uber Raumakustik vervollstandigt die detailreiche und oft witzige Darstellung.

Dieses Buch liefert eine Sozialgeschichte der modernen theoretischen Physik am Beispiel Arnold Sommerfelds, des nach Einstein einflureichsten und bedeutendsten theoretischen Physikers unseres Jahrhunderts. Der Autor zeigt, da die theoretische Physik sich keineswegs nur durch geniale Ideen zu einer der modernen Wissenschaften des 20. Jahrhunderts entwickelte, sondern auch durch soziale Faktoren wie personliche Anerkennung, missionarischer Eifer beim Verbreiten eigener Ideen, Fortschrittsglauben, wirtschaftliche Randbedingungen, Erwartungen des Staates (Atombombe!), Nationalismus, Erwartungen der Wirtschaft, Wissenschaft als Kulturgut beinflut wurde.

Schwarze Locher sind die wohl faszinierendsten Objekte, die die moderne Astronomie gefunden hat. Sie sind bereits zur Legende geworden, und es ranken sich Mythen und Fantasien um sie. Sind sie wirklich die Monster im Weltall, die die Sterne und alles um sich herum bedrohen, oder sind sie nur theoretische Modelle, die aus der Relativitatstheorie entspringen, aber nie eine Chance haben, entdeckt zu werden. Auf dem Weg zur Beantwortung dieser Fragen nimmt uns der Autor mit auf eine faszinierende Reise durch Raum und Zeit. Er erklart, wie Sterne geboren werden, aufleuchten und schlielich sterben. Er fuhrt uns in die seltsame Welt der Supernovae, Rontgensterne und Quasare. Wir reisen bis ans Ende des Universums und an die Grenzen der modernen Physik. Neben den beiden franzosischen Auflagen liegt bereits auch eine englische Auflage vor.Rezension in "e;Sirius"e; Nr.1 S.6 (...) ber schwarze Lcher ist schon viel geschrieben worden doch das vorliegende Buch darf von sich in Anspruch nehmen, da es wohl zu der kleinen Schar derjenigen Werke zu zhlen ist, die zum Verstndnis schwarzer Lcher enorm beitragen knnen. (...)(...) Das Buch ist in einer fesselnden Art geschrieben, was auch ein Verdienst der deutschen bersetzung ist, do da man kaum noch zu lesen aufhren kann. (...)

Lichtenberg, der geistreiche Spötter, hat über die Mathematiker einmal gesagt: Die Mathematik ist eine gar herrliche Wissenschaft, aber die Mathe­ matiker taugen oft den Henker nicht. Es ist fast mit der Mathematik wie mit der Theologie. So wie die der letztern Beflissenen, zumal wenn sie in )fmtern stehen, Anspruch auf einen besondern Kredit von Heilig­ keit und eine nähere Verwandtschaft mit Gott machen, obgleich sehr viele darunter wahre Taugenichtse sind, so verlangt sehr oft der soge­ nannte Mathematiker für einen tiefen Denker gehalten zu werden, ob es gleich darunter die größten Plunderköpfe gibt, die man nur finden kann, untauglich zu irgendeinem Geschäft, das Nachdenken erfordert, wenn es nicht unmittelbar durch jene leichte Verbindung von Zeichen geschehen kann, die mehr das Werk der Routine, als des Denkens sind. 1) In diesem Buch soll gezeigt werden, daß die Mathematiker nicht alle "Plunder­ köpfe" im Sinne Lichtenbergs sind. Gerade die Beschäftigung mit der Mathe­ matik hat zu allen Zeiten zu originellem Denken angeregt; ja, man ist auf diese Weise zu Erkenntnissen gekommen, die weit über die Mathematik hinaus von hoher Bedeutung sind. Wir erinnern an die Folgerungen, die die Pythagoreer aus der Existenz inkommensurabler Strecken gewonnen haben. Weiter ist die Begründung der formalen Logik zu erwähnen und die moderne Grundlagenforschung mit ihren erkenntnistheoretischen Aussagen. Auf der anderen Seite haben Forscher wie Archimedes oder John von Neumann es verstanden, die Einsichten einer formal interpretierten Mathematik für die Lösung schwieriger technischer Probleme zu nutzen.

Das Wort "e;Elementarteilchenphysik"e; ist immer noch weit verbreitet als Bezeichnung desjenigen Teilgebiets der Physik, das sich mit den kleinsten Bausteinen der Materie und deren Wechselwirkungen untereinander beschaftigt, obwohl die meisten Objekte (Teilchen), mit denen in dieser Disziplin umgegangen wird, aus heutiger Sicht alles andere als elementar sind. Dieses Buch ist fur all jene geschrieben, die gerne wissen wollen, was die Forscher an diesen kleinsten Teilchen so fasziniert und warum die Ergebnisse ihrer Arbeit solche Auswirkungen auf das Verstandnis der Welt und ihrer Entstehung haben.

Gerald Holton warnt mit Hilfe eines der größten Wissenschaftler unseres Jahrhunderts - Albert Einstein - vor der heutigen "Romantischen Rebellion", die für alle Fehler unserer heutigen Gesellschaft die Wissenschaft verantwortlich machen will und ein neues Denken propagiert. Dadurch, daß er die Einsteinsche Gedankenwelt sorgfältig durchleuchtet, zeigt er, daß die Spitzenergebnisse der Wissenschaft auf sehr viel Intuition beruhen und daß die moderne Wissenschaft in der Tat ein kreativer Ausdruck der westlichen Zivilisation ist.

Die Astronomie ist die älteste aller Wissenschaft; sie konnte nur entstehen, weil der irdische Himmel, anders als auf der Venus, nicht immer wolkenverhangen ist. Seit 60000 Jahren beobachtet der Mensch den Himmel und versucht die "Sterne zu deuten". Erst die Weltraumfahrt und die Radio-Röntgen-und Neu­ trinoastronomie hat ganz neue "Fenster zum All" aufgestoßen und sie damit wieder zu einer der modernsten und aktuellsten Forschungsrichtung gemacht. Dieses Buch ist aus einer Vorlesung entstanden, welche der Autor im Som­ mersemester 1993 an der Universität zu Köln gehalten hat. Sie war als "Lust­ vorlesung" konzipiert, d.h. mit vielen Bildern und Dias, aber ohne Prüfungs­ und Scheinzwang, und wandte sich an Hörer aller Fakultäten, einschließlich der sehr interessierten Senioren. Am Anfang konnte sie sich auf eine dankba­ rerweise überlassene Ausarbeitung einer Vorlesung stützen, die Friedrich W. Hehl 1982 in Köln mit dem gleichen, an ein Kinderlied erinnernden Titel ge­ halten hatte. Tatsächlich hat der Autor nur die "wesentlichen" Punkte im Titel dazwischengestreut, um anzudeuten, daß die sehr stürmische und fruchtbare neuere Entwicklung der Astronomie größtenteils berücksichtigt ist.

Anhand von Beispielen aus der bildenden Kunst, der Graphik, der Musik, der Dichtung und der Physik arbeitet der Autor Analogien zwischen ästhetischer Wahrnehmung und physikalischen Phänomenen heraus. Im Mittelpunkt der Untersuchung steht dabei die Brechung der Symmetrie und der damit verbundene Gewinn an Information.Kann ein System mehrere gleichwertige, nicht zu unterscheidende Zustände einnehmen, so bedeutet die Entscheidung für einen bestimmten Zustand, daß eine Symmetrie gebrochen wird. Besonders deutlich wird dies bei der Betrachtung von doppeldeutigen Strukturen: Der beim Betrachter ausgelöste Wahrnehmungsprozeß ähnelt der Symmetriebrechung, die bei spektroskopischen Untersuchungen von Atomen und Molekülen durch die Einstrahlung von Energie ausgelöst wird.

In derUmgangssprache besitzt das Wort Symmetrie zwei verschie­ dene Bedeutungen. Erstens bedeutet es dasselbe wie Ausgewogenheit, Harmonie und Schonheit. Zweitens dasselbe wie Spiegelsymmetrie. Der Symmetriebegriff der Physik prazisiert und verallgemeinert den Begriff Spiegelsymmetrie der Umgangssprache. Er kann auf Objekte im Raum, auf den Raum selbst, auf die Zeit, auf Aufgaben und Losungen und auf die N aturgesetze angewendet werden. Dies Buch ist den Symmetrien der Naturgesetze und ihren Bre­ chungen gewidmet. Sonst noch aufgenommenes dient zur Illustration. Alle Symmetrien verbindet ihre Beziehung zur Unbeobachtbarkeit. Eine Transformation ist genau dann eine Symmetrietransformation, wenn nicht beobachtet werden kann, ob sie durchgefiihrt wurde. Das ist, sehr verkiirzt, ein Hauptthema des Buches. Das Buch "Symmetrie - Bauplan der Natur" eines der Autoren (Genz 1987a) enthiilt die Ankiindigung einer Broschiire mit den in dem populiirwissenschaftlichen Buch unterdriickten Formeln. Statt der ge­ plant en Broschiire ist nun dieses Buch entstanden. Es erziihlt das Sym­ metriethema neu - fiir Leser, die iiber bessere Kenntnisse in den Natur­ wissenschaften verfiigen, als sie beim allgemeinen Publikum vorausge­ setzt werden konnen.

Alice sitzt gelangweilt vor dem Fernseher; da fällt ihr Blick auf "Alice im Wunderland", das sie kürzlich gelesen hat. Sie sehnt sich danach, vergleichbare Abenteuer zu erleben, stürzt und fällt in Ohnmacht. In ihrem Traum fällt sie durch den Bildschirm hindurch, wo sie - verkleinert - auf die Elektronen trifft, die als Strahl den Bildschirm zum Leuchten bringen. Das ist erst der Anfang der Geschichte, in der Alice nach und nach die Besonderheiten der Quantenwelt kennenlernt. Sie begegnet Menschen wie Niels Bohr, die sie unter ihre Fittiche nehmen, und steht mit Elektronen und Quarks auf du und du. In dieser neuen Form der Geschichte von Alice beschreibt Robert Gilmore - selbst angesehener Physiker - kenntnisreich und amüsant, welche Besonderheiten uns die Welt der Elektronen und Quarks bietet. Schließlich wird Alice (und damit den Lesern) klargemacht, daß nach 70 Jahren der Forschung auf diesem Gebiet ungelöste Fragen an die Grundlagen der Quantentheorie übriggeblieben sind, die vielleicht nie gelöst werden können.Rezension erschienen in: junge wissenschaftAusgabe / Band 12Jg., Heft 45, S. 60f Feb. 97(...) ist es dem Autor in hervorragender Weise gelungen, eine didaktisch äußerst wertvolle Darstellung der Quantenmechanik zu präsentieren(...)(...)erreicht damit einen wesentlich größerenLeserkreis(...)(...)sehr abgerundetes Bild der Quantenphysik(...)(...)in sehr geschickter Weise(...)(...)in sehr prägnanter Form, jedoch in fachlicher Hinsicht völlig korrekt(...)(...)Als besonders gelungen darf man die Übersetzung aus dem englischen Original bezeichnen(...)(...)Sehr lobenswert erwähnt werden muß wohl auch die vom deutschen Übersetzer vorgenommene Aktualisierung beim inzwischen gelungenen Nachweis des top-Quark am Fermilab(...)(...)Der rezensent ist davon überzeugt, daß auch der versierte Physiker dieses Buch mit großem Genuß lesen muß(...)

Albert Einsteins grundlegende Arbeiten zur Relativitatstheorie Karl von Meyenn Unter der ungewohnlich groBen Anzahl hervorragender Gelehrter und Naturwissenschaftler, die das 20. Jahrhundert in seinem Verlaufe hervor­ gebracht hat, nimmt Albert Einstein weiterhin eine einzigartige Sonder­ stellung ein. Seine drei beriihmten Abhandlungen aus dem Jahre 1905, von denen eine die Relativitatstheorie begriindete, hatten ihn innerhalb von wenigen Jahren sprungartig von seiner Berner AuBenseiterstellung in den Mittelpunkt des allgemeinen wissenschaftlichen Lebens der damali­ gen Zeit versetzt. Internationalen Ruhm erlangte er aber erst durch die Bestatigung seiner aufgrund der allgemeinen Relativitatstheorie vorherge­ sagten Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne, die wahrend einer total en Sonnenfinsternis im Mai 1919 beobachtet werden konnte. Aber schon im September 1906, wahrend der Naturforscherversamm­ lung in Stuttgart, hatte der angesehenste Physiker des Deutschen Reiches Max Planck Partei fUr die "Lorentz-Einsteinsche Theorie" des deformier­ baren Elektrons ergriffen. Obwohl die bei dieser Gelegenheit diskutierten Kaufmannschen Ablenkbarkeitsmessungen von Elektronen eher zUgun­ sten der konkurrierenden Kugel-Theorie des starren Elektrons von Max Abraham (1903) ausgelegt werden konnten, war Planck (1906a) "wegen der groBartigen Vereinfachung aller Probleme der Elektrodynamik" von der Richtigkeit des Einsteinschen Gedankens uberzeugt. Die "experimen­ telle Bestatigung der Lorentz-Ensteinschen Theorie" wurde dann tatsach­ lich zwei Jahre spater durch Alfred Bucherer (1908) erbracht.