BigBang
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Hauptseminar Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Professor Dr. W. de Boer - Professor Dr. M. Feindt Die Urknalltheorie „Big Bang“ referiert von: Robert Guth Einleitung: Die Urknalltheorie beschreibt im wesentlichen das „frühe Universum“ oder genauer gesagt, die zeitliche Entwicklung nach dem Urknall. Doch was ist der Urknall? Hierbei handelt sich es nicht um eine Explosion im klassischen Sinne, sondern vielmehr verdanken wir den Namen „Big Bang“ (engl. Großer Knall) seinem Kritiker, Sir Fred Hoyle, welcher scherzhaft die Theorie vom Urknall, unglaubwürdig erscheinen lassen wollte. Der Urknall stellt vielmehr den Beginn unseres Universum, der sogenannte Stunde Null. Aus der ursprünglichen Singularität (mathematisch gesehen der Punkt, wo die Raumzeit und die betrachteten Massen, bei einer extrem hohen Dichte und einer geringen Ausdehnung zusammen fallen), entsteht der Raum, die Zeit und die Materie. Die Phasen: Bei der Expansion des uns bekannten Kosmos durchlief dieser mehrere extrem kurze Phasen, welche sich unmittelbar in Sekundenbruchteilen nach dem Urknall ereigneten. Wir unterscheiden diese Phasen wie folgt: Die Plank-Ära Bei einer Zeit von kleiner 10-43 s versagen die physikalischen Gesetze. Die 4 Grundkräfte der Physik bilden eine „Urkraft“. Die wahrscheinliche Temperatur liegt bei 1023 Kelvin und die wahrscheinliche Dichte bei 1094 g/cm³. Die GUT-Ära Nach der Zeit von 10-43 s wird die Gravitation von der „Urkraft“ abgespalten. Aus X-Teilchen den sogenannten X-Bosonen werden ständig Teilchen und Antiteilchen erzeugt. Ursprung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Das Inflationäre Universum Bei einer Temperatur von 1027 K und einer Zeit von 10-36 s kommt es zu einer raschen Expansion des Universums der sogenannten Inflation. Es wird die starke Wechselwirkung abgespalten und im Zeitraum von 10-35 bis 10-33 s beträgt der Ausdehnungsfaktor 1050. Sie erklärt folgende Phänomene: Großräumige Strukturen wie Galaxien im Kosmos, geringe Krümmung des Raumes, die globale Homogenität des Kosmos und das Nichtvorhandenseins von magnetischen Monopol. Die Quark-Ära Die Temperatur sinkt nach einer Zeit von 10-33 s auf 1025 K ab. Es bilden sich Quarks und Anti-Quarks (Baryogenese, schwere Teilchen). Die XBosonen sterben aus und es bildet sich das Quark-Gluonen-Plasma. Nach t = 10-12 s und T = 1016 K sind die 4 Grundkräfte vorhanden. Die Hadronen-Ära Die Temperatur liegt nun nach 10-6 s bei 1013 K. Die Quarks vereinigen sich zu sogenannten Hadronen und beim Zerfall dieser (sinkenden Temperatur) bilden sich die Neutronen und Protonen sowie deren AntiTeilchen. Bei der Umwandlung von Neutronen in Protonen und umgekehrt entstehen die Neutrinos. Die Dichte beträgt 1013 g/cm³ Die Leptonen-Ära In der Zeit von 10-4 s bis 1 s sinkt die Temperatur von 1012 K auf 1010 K. Es kommt zur Erzeugung von Leptonen-Paaren und es stellt sich ein Verhältnis von Protonen zu Neutronen ein (6:1),imsgesamt bleiben nur 1 Milliardstel Protonen und Neutronen übrig. Es kommt zur Bildung von Elektronen und Positronen. Die Dichte fällt auf 1013 g/cm³. Am Ende der Leptonen-Ära nach einer Zeit von 1 s und einer Temperatur von 1010 K erfolgt die Zerstrahlung der Lepton.Antileptonen-Paare. Die Nukleosynthese Bei einer Temperatur unterhalb von 109 K und einer Zeit von 10 s, bilden sich die ersten Atomkerne durch Kernfusion. 4H++, D+, 3He++, 7Li++ Bei ca. 75% Protonen, ca. 25% Helium und 0,001% Deuterium findet man Spuren von Lithium und Beryllium. Das Ende Strahlungs-Ära und der Beginn Materie-Ära Nach 10 000 Jahren fällt die Energiedichte der Strahlung unter die der Materie, man spricht von der materiedominierten Ära. Die Entkopplung der Hintergrundstrahlung Bei einer Temperatur von 3 000 K und einer Zeit von 400 000 Jahren bilden sich die ersten stabilen Atomkerne. Die Wellenlänge der abgekoppelten Hintergrundstrahlung nimmt bei der weiteren Expansion zu. Die Hintergrundstrahlung entspricht einer Temperatur von 2,73 K Die Bildung großräumiger Strukturen Aus dunkler Materie bilden sich, nach t > 106 Jahren, die Halos, welche als Gravitationssenken dienen, in denen sich die sichtbare Materie sammelt. Die Geburt von Galaxien und Sternen Bei einer Zeit von größer 108 Jahren, entstehen die Sterne aus verdichteten Gaswolken und in den Sternen entstehen durch Kernfusion die schweren Elemente bis zum Eisen. Die Elemente die schwerer als Eisen sind, bilden sich, wenn schwere Sterne explodieren (Supernova). Hier liegt die Entsehung des Sonnensystems Wichtige Eigenschaften Rotverschiebung Da das Weltall expandiert wird auch die Wellelänge des Lichts gestreckt, die Rotverschiebung nimmt zu. Die kosmologische Rotverschiebung unterscheidet sich von derjenigen, die der Doppler-Effekt hervorrufen würde. Akustische Wellen Antreibende Kraft: der Photonendruck Rücktreibende Kraft: die Gravitation Geringer Druck: Gravitationskollaps Großer Druck: Oszillation (akustische Welle) eine wichtige Größe Das Verhältnis von der Dichte zur kritischen Dichte nennt man , dieser Wert gibt uns Auskunft über die Form des Universums. Krümmung des Raumes k = +1 Geschlossenes, endliches Universum, sphärische Krümmung k = -1 Offenes, unendliches Universum, hyperbolische Krümmung. k=0 Flaches, unendliches Universum, ohne Krümmung (euklidisch) Bestandteile des Universum 70% Dunkle Energie 26% Nichtbaryonische Dunkle Materie 3,6% Baryonische Dunkle Materie 0,4% Leuchtende Materie Historische Entwicklung 1912: Rotverschiebung Entdecker: der amerikanische Astronom Vesto Slipher Bestätigung: von dem deutschen Astronom Carl Wilhelm Wirtz 1915: Allgemeine Relativitätstheorie Begründer: der deutsche Physiker Albert Einstein 1922: Theoretische Beschreibung des Universums Begründer: der russische Physiker und Mathematiker Alexander Alexandrowitsch Friedmann 1923: Der Andromedanebel ist außerhalb der Milchstraße Nachweis von: Edwin Powell Hubble einem US-amerikanischen Astronom 1929: Expansionsrate des Universums Berechnung von: Edwin Powell Hubble einem USamerikanischen Astronom 1927 1933 Erste Urknalltheorie Begründer: der belgische Priester und Physiker Abbé Georges Edouard Lemaître 1948: Theorie von der Entstehung des Kosmos Begründer: die US-amerikanischen Physiker George Gamow, Ralph A. Alpher und Robert C. Herman 1965: kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung Entdecker: die US-amerikanischen Physiker Arno Penzias Wilson und Robert Woodrow 1979: Weylkrümmungshypothese Begründer: der englische Mathematiker und theoretischer Physiker Sir Roger Penrose 1981: Die Theorie des inflationären Universums Begründer: der US-amerikanische Kosmologe und theoretischer Physiker Alan Guth Weiterentwicklung: der russische Kosmologe Andrei Dmitrijewitsch Linde 1986: Anordnung von Galaxienhaufen Entdeckung: durch die US-amerikanischen Astronome und Astrophysiker Valerie de Lapparent, Margaret Geller und John Huchra 1990: Bestimmung von kosmologischen Parametern Satellit: COBE (Cosmic Background Explorer) 2001: Messungen zur Berechnung von kosmologischen Größen Satellit: WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Quellenangaben: Einführung in die Kosmologie: Michael Rastetter /Andre´ Sopczak / Wim de Boer Kosmologie für helle Köpfe: Harald Lech / Jörn Müller Vortrag: Prof. Wim de Boer Vorlesung: Prof. Drexlin, Astroteilchenphysik http://www.weltderphysik.de/de/1092.php http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall (Darstellungen und Bilder)
