Die Urknalltheorie - Institut für Experimentelle Kernphysik

Die Urknalltheorie
Katharina Knott
09. Mai 2014
1 Einführung - Die Entwicklung unseres Weltbildes
Unsere Vorstellung von der Erde, dem Sonnensystem und unserem gesamten Universum
hat sich im Laufe der Geschichte stetig verändert und den neuen Beobachtungen angepasst. Die Erkenntnisse, dass die Erde kugelförmig ist und sich gemeinsam mit anderen
Planeten unseres Sonnensystems auf Ellipsenbahnen um die Sonne bewegt, kamen erst
nach und nach. Unser Sonnensystem liegt am Rande einer Galaxie, der Milchstraße,
die mit Milliarden anderer Galaxien in den Weiten des Universum verstreut ist. Man
entdeckte, dass das Licht dieser Galaxien in den roten Frequenzbereich verschoben ist,
und schloss daraus, dass sie sich von uns fortbewegen, die Theorie des expandierenden Universums entstand. Die Geschwindigkeit ist laut Hubbles Gesetz proportional zur
Entfernung der Galaxien von uns. Dies, in Kombination mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie führte dazu, dass Lemaı̂tre 1931 erstmals die Idee eines Uratoms, in dem
alles zu Beginn der Zeit konzentriert gewesen war, postulierte. Es entstand die Theorie,
dass diese Anfangszustand von extremer Hitze und Druck bestimmt worden war, gefolgt
von einer überlichtschnellen Ausdehnung des Raumes. Die bestehende Urknalltheorie
über das Verhalten des Universums in seiner Entwicklung ist weitgehend anerkannt, vor
allem durch die Vorhersagen, die in der Praxis bewiesen werden konnten.
2 Die Entwicklung des Universums - ein Zeitstrahl
2.1 Urknall
Die zeitliche Rekonstruktion der Geschichte unseres Universums bis hin zum Urknall ist
wissenschaftlich fundiert und weitgehend anerkannt. Für den Zeitraum vor bzw. während
dem Urknall stellt sich die Sache anders dar. Die Theorien, was vor dem Urknall gewesen
sein könnte, reichen vom Nichts bis zu mehreren früheren Universen. Fakt ist jedoch,
wir wissen nicht, was vor dem Urknall war. Ähnlich sieht es mit dem Urknall selbst aus.
Eine physikalische Beschreibung dessen, was während des Big Bang passierte ist nicht
möglich, da Raum, Zeit und Materie erst beim Urknall entstanden, diese aber für eine
Beschreibung zwingend notwendig wären.
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Abbildung 1: Schematischer Zeitstrahl der Universumsentwicklung. Bild des Urknalls:
http : //www.zdf.de/terra − x/big − bang − contra − schoepf ergott −
24628266.html (Stand 04.05.14)
2.2 Planck-Ära (vor 10−43 s)
In der Planck-Ära sind alle 4 Grundkräfte in einer Urkraft vereinigt. Über den Zustand
des Universums
q kann noch keine Aussage getroffen werden, da es kleiner als die Plan-
≈ 10−35 m ist. Solange die Planckzeit tp = lcp ≈ 10−43 s unterschritten
cklänge lp = Gh̄
c3
ist, liegt die Zeit nicht als Kontinuum vor, es kann somit keine Beschreibung stattfinden.
2.3 GUT-Ära (von 10−43 s bis 10−35 s)
Die GUT-Ära beginnt bei einer Temperatur von T = 32 K. In dieser Phase spaltet
sich die Gravitation von der Urkraft ab, die schwache, starke und elektromagnetische
Wechselwirkung bleiben jedoch als drei ununterscheidbare Aspekte einer Gesamtkraft,
der X-Kraft, vereinigt. GUT steht für Grand United Theory, die Große Vereinheitliche
Theorie, die besagt, dass die Grundkräfte verschiedene Aspekte einer allgemeinen Kraft
sind.
2.4 Inflation (von 10−35 s bis 10−30 s)
An die GUT-Ära schließt sich die Inflation an, die überlichtschnelle Ausdehnung des
Raumes auf das 1050 -fache seiner ursprünglichen Größe. Die Inflation erklärt beispielsweise das Horizontproblem (Orte, die jetzt weit auseinander sind, müssen früher in
Zusammenhang gestanden haben) und das Fehlen magnetischer Monopole.
2.5 Quark-Ära (von 10−30 s bis 10−6 s)
Bei einer Temperatur von T = 1025 K bilden sich stabile Quarks und Antiquarks. Auch
andere Teilchen werden aus Strahlung gebildet, zerfallen jedoch sofort wieder. Die Ma-
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terie liegt in einem Quark-Gluonen-Plasma vor.
2.6 Hadronen-Ära (von 10−6 s bis 1 min)
Bei einer Temperatur von T = 1013 K beginnt die Bildung von Hadronen aus Quarks und
Antiquarks. Nach 10−4 s endet die Bildung von Protonen und Antiprotonen bzw. Neutronen und Antineutronen aus Strahlung. Es bleibt nur die Rückreaktion, und die Teilchen
annihilieren. Übrig bleibt 1 Teilchen aus 1 Mrd.+1 Teilchen und 1 Mrd. Antiteilchen.
Protonen und Neutronen wandeln sich unter Produktion von Neutrinos ineinander um.
Nach 1 s stoppt die Paarbildung von Elektronen und Positronen aus Strahlung, auch sie
annihilieren fast komplett. Die Zusammenschließung von Protonen und Neutronen zu
Deuteronen (Deuterium-Kernen) beginnt, das Reaktionsprodukt ist jedoch noch nicht
stabil.
2.7 Nukleosynthese (von 1 min bis 3 min)
Bei einer Temperatur von T = 109 K werden die Deuteronen stabil, aus ihnen bilden sich
mit weiteren Protonen und Neutronen Tritium-, Helium-3- und Helium-4-Kerne. Nach
3 min endet die Synthese, dann liegen 25% Helium-4, Spuren von Helium-3, Deuteronen,
Tritium und Lithium und 75% Protonen, also Wasserstoffkerne vor.
2.8 Rekombination (nach 400.000 Jahren)
Ab T = 4000 K bilden die Atomkerne mit den Elektronen Atome. Das Universum wird
strahlungsdurchlässig, da nur noch Photonen mit diskreten Energien mit den Elektronen
in den Atomen wechselwirken können.
2.9 Bildung großräumiger Strukturen (nach 1 Mio. Jahren)
Die Materie beginnt, der Gravitation zu folgen, und sammelt sich an Stellen größerer
Materiedichte. Gaswolken kollabieren unter ihrer Gravitation und bilden Sterne. Die ersten Sterne brennen nur circa 3-10 Millionen Jahre, dann enden sie in einer Supernova,
wobei die entstandenen massereicheren Stoffe ins Universum geschleudert werden und
Grundstoff für neue Sterne sind. Es bilden sich immer größere Strukturen: Sternhaufen,
Galaxien, Galaxienhaufen, ...
Nach 9 Milliarden Jahren entsteht schließlich unser Sonnensystem und weitere 4,7 Milliarden Jahre später sind wir in der Gegenwart angekommen.
3 Experimentelle Evidenzen
3.1 Rotverschiebung und Expansion
Fast alle Spektren von anderen Galaxien sind, wenn das Licht auf der Erde ankommt, rotverschoben. Dies wird auf den Dopplereffekt zurückgeführt und ergibt mit diesem, dass
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sich die Galaxien von uns entfernen. Laut dem Hubble-Gesetz v = H ·r ist die Geschwinkm
digkeit proportional zur Entfernung der Galaxien. Die Hubblekonstante H = 22, 8 s·Lj
ist das Maß, wie sich die Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Abstand vergrößert.
Früher wurde vermutet, dass sich die Expansion aufgrund der Gravitation verlangsamt.
1998 wurde jedoch festgestellt, dass beobachtete Supernovae deutlich schwächer sichtbar
waren als erwartet, man schloss daraus, dass die Expansion schneller als erwartet ablaufen müsse, dass eine beschleunigte Expansion vorliege. Da dies aber nicht zum heutigen
Zustand passt, wurde vermutet, dass die Expansion erst gebremst und dann beschleunigt
ablief. Dieser Übergang wurde 2001 auf einen Zeitpunkt vor etwa 5 Milliarden Jahren
geschätzt.
3.2 Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
1948 postulierten Alpher, Gamow und Herman die Theorie eines heißen Urknalls. Daraus
sagten sie einen Hintergrund aus Schwarzkörperstrahlung hervor, die noch heute vorhanden sein müsste, lediglich mit der Zeit an Energie verloren hätte. Ihre ersten Schätzungen
lagen bei T = 5 − 50 K. Diese Theorie blieb unbeachtet, bis sich Anfang der 1960er Jahre
ein weiterer Forscher damit beschäftigte und ebenfalls zu den gleichen Voraussagen kam.
Entdeckt wurde die Hintergrundstrahlung letztendlich 1964 von Penzias und Wilson, die
bei der Untersuchung einer Antenne ein permanentes Störgeräusch verzeichneten. Nachdem sie Abhängigkeiten von der Erdatmosphäre, ferner Galaxien und Verschmutzung
ausgeschlossen hatten, erfuhren sie von der Arbeit der Forscher und erkannten, dass ihr
Störung die gesuchte Hintergrundstrahlung war. Für diese Entdeckung erhielten sie 1978
den Nobelpreis.
Drei Generationen von Satelliten (COBE, WMAP und Planck) untersuchten ab 1989
die Hintergrundstrahlung und erhielten einen Wert von T = 2, 725 K.
Die Hintergrundstrahlung hat ihren Ursprung in der Zeit der Rekombination, als das
Universum strahlungsdurchlässig wurde, da die Photonen nur noch bei diskreten Energien mit den Elektronen wechselwirken konnten, und sich die mittlere Weglänge bis zu
einer Wechselwirkung stark vergrößerte.
3.3 Häufigkeit leichter Elemente
Man geht heute davon aus, dass die verschiedenen Elemente bei Kernfusionsprozessen
und Supernovae entstanden sind. Von einigen leichten Elementen ist jedoch so viel vorhanden, dass dies als Erklärung nicht ausreicht. Dieser Überschuss an unerklärlicher
Materie besteht vor allem bei Helium-4, aber auch Deuterium, Helium-3, Tritium und
Lithium. Diese Messungen passen zur Theorie der Nukleosynthese nach dem heißen Urknall.
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Quellenverzeichnis
Roos, Matts: Introduction to Cosmology; John Wiley & Sons Ltd, 2003
Hawking, Stephen: Die kürzeste Geschichte der Zeit; Rowohlt Verlag, 2005
Hawking, Stephen: Die illustrierte kurze Geschichte der Zeit; Rowohlt Verlag, 2000
Weinberg, Steven: Die ersten drei Minuten; R. Piper & Co. Verlag, 1977
Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 7/2004, S. 42ff ”Das Tempo der Expansion”,
Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg
Skript der Kosmologievorlesung im SS 2004, Prof. Dr. Wim de Boer, erhältlich unter
www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/ deboer/
Folien der Kosmologievorlesung im SS 2012, Prof. Dr. Wim de Boer, erhältlich unter
www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/ deboer/
http://der-kosmos.de/unser universum.htm (Stand 02.05.14)
http://www.geocities.ws/rolobter/diplom/astro/urknall.html (Stand 03.05.14)
http://de.wikipedia.org/wiki/Edwin Hubble (Stand 02.05.14)
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall (Stand 01.05.14)
http://www.zeit.de/2008/17/OdE26-Kosmos-Stichworte (Stand 03.05.14)
http://de.wikipedia.org/wiki/Gro%C3%9Fe vereinheitlichte Theorie (Stand 01.05.14)
http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Planck-L%E4nge.html (Stand 05.05.14)
http://de.wikipedia.org/wiki/Kosmologie (Stand 02.05.14)
http://particle.astro.ru.nl/hs0607/A-Burger.pdf (Stand 05.05.14)
http://www.scilogs.de/einsteins-kosmos/planck-mission-der-esa-neue-karte-derhintergrundstrahlung/ (Stand 06.05.14)
http://www.sternenhimmel-aktuell.de/Weltall-02.htm (Stand 06.05.14)
http://de.wikipedia.org/wiki/Rotverschiebung (Stand 06.05.14)
http://www.physik.tu-berlin.de/institute/IFFP/moses/Subsites/themenseiten/
blackbody/bb index.html (Stand 06.05.14)
http://www.genesisnet.info/schoepfung evolution/i42486.php (Stand 07.05.14)
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