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)
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