Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute

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1 Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute Uwe-Jens Wiese Albert Einstein Center for Fundamental Physics Institut fu r Theoretische Physik, Universita t Bern 100 Jahre Kirche Biberist-Gerlafingen Reformierte Kirchgemeinde Biberist-Gerlafingen, 19. April 2010

2 Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute Uwe-Jens Wiese Albert Einstein Center for Fundamental Physics Institut fu r Theoretische Physik, Universita t Bern 100 Jahre Kirche Biberist-Gerlafingen Reformierte Kirchgemeinde Biberist-Gerlafingen, 19. April 2010

3 Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute Uwe-Jens Wiese Albert Einstein Center for Fundamental Physics Institut fu r Theoretische Physik, Universita t Bern 100 Jahre Kirche Biberist-Gerlafingen Reformierte Kirchgemeinde Biberist-Gerlafingen, 19. April 2010

4 Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute Uwe-Jens Wiese Albert Einstein Center for Fundamental Physics Institut fu r Theoretische Physik, Universita t Bern 100 Jahre Kirche Biberist-Gerlafingen Reformierte Kirchgemeinde Biberist-Gerlafingen, 19. April 2010

5 Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute Uwe-Jens Wiese Albert Einstein Center for Fundamental Physics Institut fu r Theoretische Physik, Universita t Bern 100 Jahre Kirche Biberist-Gerlafingen Reformierte Kirchgemeinde Biberist-Gerlafingen, 19. April 2010

6 Outline Die Expansion des Universums Der Aufbau der Materie Wie alles begann... Evidenz für dunkle Materie Evidenz für Vakuumenergie... und wie es weitergeht Grosse offene Fragen

7 Outline Die Expansion des Universums Der Aufbau der Materie Wie alles begann... Evidenz für dunkle Materie Evidenz für Vakuumenergie... und wie es weitergeht Grosse offene Fragen

8 Die Urknalltheorie des Jesuitenpaters: Basierend auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entwickelte der Jesuitenpater Georges Lemaitre ( ) die Urknalltheorie.

9 Die Urknalltheorie des Jesuitenpaters: Basierend auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entwickelte der Jesuitenpater Georges Lemaitre ( ) die Urknalltheorie.

10 Die Urknalltheorie des Jesuitenpaters: Basierend auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entwickelte der Jesuitenpater Georges Lemaitre ( ) die Urknalltheorie. Abhängig von der Gesamtenergie und der Zusammensetzung des Universums wird sich dieses ewig ausdehnen (gebremst oder beschleunigt) oder schliesslich wieder in sich zusammenstürzen.

11 Edwin Hubble ( ): Alle Galaxien entfernen sich von uns, und zwar um so schneller je weiter sie entfernt sind.

12 Das Hubble Weltraum Teleskop zeigt selbst in einem engen Winkelbereich tausende von extrem weit entfernten Galaxien.

13 Edwin Hubble ( ): Alle Galaxien entfernen sich von uns, und zwar um so schneller je weiter sie entfernt sind.

14 Edwin Hubble ( ): Alle Galaxien entfernen sich von uns, und zwar um so schneller je weiter sie entfernt sind.

15 Outline Die Expansion des Universums Der Aufbau der Materie Wie alles begann... Evidenz für dunkle Materie Evidenz für Vakuumenergie... und wie es weitergeht Grosse offene Fragen

16 Die Materie besteht aus Atomen:

17 Die Materie besteht aus Atomen:

18 Die Materie besteht aus Atomen: Ein Atom besteht aus Kern und Elektronenhülle (Grösse m).

19 Die Materie besteht aus Atomen: Ein Atom besteht aus Kern und Elektronenhülle (Grösse m).

20 Die Materie besteht aus Atomen: Ein Atom besteht aus Kern und Elektronenhülle (Grösse m). Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen (Grösse m).

21 Die Materie besteht aus Atomen: Ein Atom besteht aus Kern und Elektronenhülle (Grösse m). Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen (Grösse m).

22 Die Materie besteht aus Atomen: Ein Atom besteht aus Kern und Elektronenhülle (Grösse m). Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen (Grösse m). Protonen (uud) und Neutronen (ddu) bestehen aus je drei Quarks.

23 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte:

24 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte: Die Gravitation ist langreichweitig aber schwach.

25 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte: Die Gravitation ist langreichweitig aber schwach.

26 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte: Die Gravitation ist langreichweitig aber schwach. Die elektrischen Kräfte sind viel stärker.

27 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte: Die Gravitation ist langreichweitig aber schwach. Die elektrischen Kräfte sind viel stärker.

28 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte: Die Gravitation ist langreichweitig aber schwach. Die elektrischen Kräfte sind viel stärker.

29 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte: Die Gravitation ist langreichweitig aber schwach. Die elektrischen Kräfte sind viel stärker. Die schwache und die starke Kernkraft treiben die Sonne an.

30 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte: Die Gravitation ist langreichweitig aber schwach. Die elektrischen Kräfte sind viel stärker. Die schwache und die starke Kernkraft treiben die Sonne an.

31 Man unterscheidet vier fundamentale Kräfte: Die Gravitation ist langreichweitig aber schwach. Die elektrischen Kräfte sind viel stärker. Die schwache und die starke Kernkraft treiben die Sonne an. Die fundamentalen Teilchen und Kräfte werden im Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschrieben.

32 Outline Die Expansion des Universums Der Aufbau der Materie Wie alles begann... Evidenz für dunkle Materie Evidenz für Vakuumenergie... und wie es weitergeht Grosse offene Fragen

33 Einsteins Relativitätstheorie und das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sind eine brisante Mischung:

34 Einsteins Relativitätstheorie und das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sind eine brisante Mischung:

35 Einsteins Relativitätstheorie und das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sind eine brisante Mischung: Der Urknall war keine punktförmige Explosion. Er hat vor 13.7 Milliarden Jahren überall im Universum gleichzeitig stattgefunden.

36 Nach 1 Sekunde: 1000 mal heisser als das Zentrum der Sonne (10 Milliarden Grad)

37 Nach 1 Sekunde: 1000 mal heisser als das Zentrum der Sonne (10 Milliarden Grad)

38 Nach 1 Sekunde: 1000 mal heisser als das Zentrum der Sonne (10 Milliarden Grad) Zu Beginn bestand das Universum aus einem heissen Gas aus Materie und Antimaterie.

39 Nach 1 Sekunde: 1000 mal heisser als das Zentrum der Sonne (10 Milliarden Grad) Zu Beginn bestand das Universum aus einem heissen Gas aus Materie und Antimaterie. Etwa 1 Sekunde nach dem Urknall haben sich Materie und Antimaterie fast vollständig ausgelöscht.

40 Nach 1 Sekunde: 1000 mal heisser als das Zentrum der Sonne (10 Milliarden Grad) Zu Beginn bestand das Universum aus einem heissen Gas aus Materie und Antimaterie. Etwa 1 Sekunde nach dem Urknall haben sich Materie und Antimaterie fast vollständig ausgelöscht. Dadurch enstand eine gigantische Zahl von Photonen (Lichtteilchen), die heute die kosmische Mikrowellen Hintergrundstrahlung bilden.

41 Nach 1 Minute: 100 mal heisser als das Zentrum der Sonne (1 Milliarde Grad)

42 Nach 1 Minute: 100 mal heisser als das Zentrum der Sonne (1 Milliarde Grad)

43 Nach 1 Minute: 100 mal heisser als das Zentrum der Sonne (1 Milliarde Grad)

44 Nach 1 Minute: 100 mal heisser als das Zentrum der Sonne (1 Milliarde Grad) Schon eine millionstel Sekunde nach dem Urknall sind aus Quarks Protonen und Neutronen entstanden.

45 Nach 1 Minute: 100 mal heisser als das Zentrum der Sonne (1 Milliarde Grad) Schon eine millionstel Sekunde nach dem Urknall sind aus Quarks Protonen und Neutronen entstanden. Etwa 1 Minute nach dem Urknall entstehen aus Protonen und Neutronen die ersten Atomkerne.

46 Nach 1 Jahr, am 1. Geburtstag des Universums

47 Nach 1 Jahr, am 1. Geburtstag des Universums

48 Nach 1 Jahr, am 1. Geburtstag des Universums Es gab noch nicht einmal Atome, aus denen man dem Universum eine Geburtstagstorte hätte backen können.

49 Nach 1 Jahr, am 1. Geburtstag des Universums Es gab noch nicht einmal Atome, aus denen man dem Universum eine Geburtstagstorte hätte backen können.

50 Nach 1 Jahr, am 1. Geburtstag des Universums Es gab noch nicht einmal Atome, aus denen man dem Universum eine Geburtstagstorte hätte backen können. Erst Jahre später wird jemand die erste Kerze ausblasen.

51 Nach Jahren: 5000 Grad

52 Nach Jahren: 5000 Grad

53 Nach Jahren: 5000 Grad Etwa Jahre nach dem Urknall hat sich das Universum so weit abgekühlt, dass Elektronen und Atomkerne erstmals neutrale Atome bilden.

54 Nach Jahren: 5000 Grad Etwa Jahre nach dem Urknall hat sich das Universum so weit abgekühlt, dass Elektronen und Atomkerne erstmals neutrale Atome bilden. Bis dahin war das Universum von einer milchigen Ursuppe von Elementarteilchen erfüllt. Ab jetzt wird es für die Lichtteilchen der kosmischen Hintergrundstrahlung durchsichtig.

55 Nach Jahren

56 Nach Jahren

57 Nach Jahren Etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall verdichten sich Wolken von Wasserstoffgas unter ihrer eigenen Gravitatonsanziehung und gebären die ersten Sterne.

58 Nach Jahren

59 Nach Jahren

60 Nach Jahren Etwa 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall enstand aus interstellarem Gas und dem Sternenstaub explodierter Supernovae unser Sonnensystem und schliesslich etwa 10 Milliarden Jahre nach dem Urknall das Leben.

61 Nach Jahren Etwa 9 Milliarden Jahre nach dem Urknall enstand aus interstellarem Gas und dem Sternenstaub explodierter Supernovae unser Sonnensystem und schliesslich etwa 10 Milliarden Jahre nach dem Urknall das Leben. Der Mensch (homo sapiens) entwickelte sich vor etwa Jahren. Er hat somit nur ein Hunderttausendstel der bisherigen Geschichte des Universums miterlebt.

62 Outline Die Expansion des Universums Der Aufbau der Materie Wie alles begann... Evidenz für dunkle Materie Evidenz für Vakuumenergie... und wie es weitergeht Grosse offene Fragen

63 Der Schweizer Astronom Fritz Zwicky ( ): Es muss neben der leuchtenden auch dunkle Materie geben.

64 Der Schweizer Astronom Fritz Zwicky ( ): Es muss neben der leuchtenden auch dunkle Materie geben.

65 Der Schweizer Astronom Fritz Zwicky ( ): Es muss neben der leuchtenden auch dunkle Materie geben. Allerdings ist dunkle Materie nicht dunkel sondern durchsichtig. Sie leuchtet einfach nicht.

66 Rotationskurve einer entfernten Galaxie: Galaxien enthalten mehr als nur leuchtende Materie.

67 Large Hadron Collider am CERN:

68 LHC Ring und ATLAS Detektor:

69 LHC Ring und ATLAS Detektor:

70 LHC Ring und ATLAS Detektor: Teilchenkollision im ATLAS Detektor:

71 Outline Die Expansion des Universums Der Aufbau der Materie Wie alles begann... Evidenz für dunkle Materie Evidenz für Vakuumenergie... und wie es weitergeht Grosse offene Fragen

72 Sehr weit entfernte Supernova Explosionen zeigen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt.

73 Sehr weit entfernte Supernova Explosionen zeigen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt.

74 Der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Satellit misst heute die kosmische Hintergrundstrahlung und erlaubt uns so, um 13.7 Milliarden Jahre zurückzuschauen.

75 Die kosmische Hintergrundstrahlung

76 Die kosmische Hintergrundstrahlung Die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung sind 1 Sekunde nach dem Urknall durch Auslöschung von Materie und Antimaterie entstanden.

77 Die kosmische Hintergrundstrahlung Die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung sind 1 Sekunde nach dem Urknall durch Auslöschung von Materie und Antimaterie entstanden. Noch heute, 13.7 Milliarden Jahre später, liefern sie uns ein Bild des Universums wie es Jahren nach dem Urknall aussah.

78 Die kosmische Hintergrundstrahlung Die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung sind 1 Sekunde nach dem Urknall durch Auslöschung von Materie und Antimaterie entstanden. Noch heute, 13.7 Milliarden Jahre später, liefern sie uns ein Bild des Universums wie es Jahren nach dem Urknall aussah. Die winzigen Temperaturschwankungen der Strahlung zeigen genau wie die sehr weit entfernten Supernova Explosionen, dass das Universum von Vakuumenergie dominiert wird, die den gesamten Kosmos erfüllt.

79 Outline Die Expansion des Universums Der Aufbau der Materie Wie alles begann... Evidenz für dunkle Materie Evidenz für Vakuumenergie... und wie es weitergeht Grosse offene Fragen

80 Das Universum dehnt sich seit dem Urknall vor 13.7 Milliarden Jahren aus, jetzt und auch in Zukunft sogar beschleunigt.

81 Das Universum dehnt sich seit dem Urknall vor 13.7 Milliarden Jahren aus, jetzt und auch in Zukunft sogar beschleunigt. Die beschleunigte Expansion ist auf Vakuumenergie zurückzuführen.

82 Neue Erkenntnisse der letzten 10 Jahre: Anteile der Gesamtenergie des Universums:

83 Neue Erkenntnisse der letzten 10 Jahre: Anteile der Gesamtenergie des Universums: 73 %: Vakuumenergie

84 Neue Erkenntnisse der letzten 10 Jahre: Anteile der Gesamtenergie des Universums: 73 %: Vakuumenergie 23 %: dunkle Materie

85 Neue Erkenntnisse der letzten 10 Jahre: Anteile der Gesamtenergie des Universums: 73 %: Vakuumenergie 23 %: dunkle Materie 4 %: leuchtende Materie

86 Outline Die Expansion des Universums Der Aufbau der Materie Wie alles begann... Evidenz für dunkle Materie Evidenz für Vakuumenergie... und wie es weitergeht Grosse offene Fragen

87 Das Komplexeste im Universum

88 Das Komplexeste im Universum ist das menschliche Gehirn

89 Das Komplexeste im Universum ist das menschliche Gehirn Warum haben die Naturkonstanten genau die richtigen Werte, um intelligentes Leben zu ermöglichen?

90 Das Komplexeste im Universum ist das menschliche Gehirn Warum haben die Naturkonstanten genau die richtigen Werte, um intelligentes Leben zu ermöglichen? Wenn dies nicht der Fall wäre, gäbe es niemanden, der solche Frage stellen würde.

91 Das Komplexeste im Universum ist das menschliche Gehirn Warum haben die Naturkonstanten genau die richtigen Werte, um intelligentes Leben zu ermöglichen? Wenn dies nicht der Fall wäre, gäbe es niemanden, der solche Frage stellen würde. (Verzweifelter?) Erklärungsversuch durch das antropische Prinzip:

92 Das Komplexeste im Universum ist das menschliche Gehirn Warum haben die Naturkonstanten genau die richtigen Werte, um intelligentes Leben zu ermöglichen? Wenn dies nicht der Fall wäre, gäbe es niemanden, der solche Frage stellen würde. (Verzweifelter?) Erklärungsversuch durch das antropische Prinzip: Wir leben in dem Teil eines gigantischen Multiversums, in dem die Naturgesetze so beschaffen sind, dass menschliches Leben möglich ist.

93 Das Komplexeste im Universum ist das menschliche Gehirn Warum haben die Naturkonstanten genau die richtigen Werte, um intelligentes Leben zu ermöglichen? Wenn dies nicht der Fall wäre, gäbe es niemanden, der solche Frage stellen würde. (Verzweifelter?) Erklärungsversuch durch das antropische Prinzip: Wir leben in dem Teil eines gigantischen Multiversums, in dem die Naturgesetze so beschaffen sind, dass menschliches Leben möglich ist. Aber es könnte auch ganz anders sein...

94 Wir wissen, dass wir Vieles noch nicht wissen:

95 Wir wissen, dass wir Vieles noch nicht wissen: Woraus besteht dunkle Materie?

96 Wir wissen, dass wir Vieles noch nicht wissen: Woraus besteht dunkle Materie? Was verbirgt sich hinter der Vakuumenergie?

97 Wir wissen, dass wir Vieles noch nicht wissen: Woraus besteht dunkle Materie? Was verbirgt sich hinter der Vakuumenergie? Welche Rolle spielen wir?

98 Wir wissen, dass wir Vieles noch nicht wissen: Woraus besteht dunkle Materie? Was verbirgt sich hinter der Vakuumenergie? Welche Rolle spielen wir? Und wir ho ren nicht auf, zu fragen.

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