Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie
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- Hannelore Kuntz
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1 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie Das frühe Universum: Inflation und Strahlungsdominanz Thorsten Beck Universität Stuttgart Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 1/14
2 Die Idee vom Urknall Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 2/14
3 Die Idee vom Urknall Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 2/14
4 Die Idee vom Urknall Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab Das Urknall Modell ( 1930) macht folgende Beobachtungen plausibel: Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 2/14
5 Die Idee vom Urknall Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab Das Urknall Modell ( 1930) macht folgende Beobachtungen plausibel: Die Galaxien-Rotverschiebung und damit die derzeitige Expansion des Universums Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 2/14
6 Die Idee vom Urknall Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab Das Urknall Modell ( 1930) macht folgende Beobachtungen plausibel: Die Galaxien-Rotverschiebung und damit die derzeitige Expansion des Universums Das Spektrum der Hintergrundstrahlung des Universums Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 2/14
7 Die Idee vom Urknall Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab Das Urknall Modell ( 1930) macht folgende Beobachtungen plausibel: Die Galaxien-Rotverschiebung und damit die derzeitige Expansion des Universums Das Spektrum der Hintergrundstrahlung des Universums Die Grenze in der Altersverteilung der Sterne bei etwa 13 Milliarden Jahren Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 2/14
8 Die Idee vom Urknall Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab Das Urknall Modell ( 1930) macht folgende Beobachtungen plausibel: Die Galaxien-Rotverschiebung und damit die derzeitige Expansion des Universums Das Spektrum der Hintergrundstrahlung des Universums Die Grenze in der Altersverteilung der Sterne bei etwa 13 Milliarden Jahren Die Häufigkeit der Elemente im All (insbesondere Wasserstoff, Deuterium und die Isotope des Helium) Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 2/14
9 Der Anfang Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
10 Der Anfang Idealisierung des Kosmos: Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
11 Der Anfang Idealisierung des Kosmos: Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
12 Der Anfang Idealisierung des Kosmos: Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum Friedmann-Modelle, konstante Krümmung Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
13 Der Anfang Idealisierung des Kosmos: Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum Friedmann-Modelle, konstante Krümmung Anfangspunkt (Singularität?!) Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
14 Der Anfang Idealisierung des Kosmos: Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum Friedmann-Modelle, konstante Krümmung Anfangspunkt (Singularität?!) Die ersten Momente: Heisenbergsche Unschärferelation Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
15 Der Anfang Idealisierung des Kosmos: Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum Friedmann-Modelle, konstante Krümmung Anfangspunkt (Singularität?!) Die ersten Momente: Heisenbergsche Unschärferelation t E 2 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
16 Der Anfang Idealisierung des Kosmos: Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum Friedmann-Modelle, konstante Krümmung Anfangspunkt (Singularität?!) Die ersten Momente: Heisenbergsche Unschärferelation t E 2 Planck Länge: l p = Planck Zeit: t p = G c 1, m 3 G c 5, s 5 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
17 Der Anfang Idealisierung des Kosmos: Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum Friedmann-Modelle, konstante Krümmung Anfangspunkt (Singularität?!) Die ersten Momente: Heisenbergsche Unschärferelation t E 2 Planck Länge: l p = Planck Zeit: t p = G c 1, m 3 G c 5, s 5 Kleinere Längen oder Zeiten entziehen sich dem derzeitigen physikalischen Verständnis Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 3/14
18 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 4/14
19 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 4/14
20 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0 starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 4/14
21 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0 starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen Elektroschwache Kraft: Vereinigung aus em-kraft und schwacher Kraft Austauschteilchen: Photonen, W +, W, Z 0 -Bosonen Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 4/14
22 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0 starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen Elektroschwache Kraft: Vereinigung aus em-kraft und schwacher Kraft Austauschteilchen: Photonen, W +, W, Z 0 -Bosonen Bei Temperaturen kleiner Kelvin (t = s) kommt es zu einer spontanen Symmetriebrechung. W und Z-Bosonen erhalten Masse durch das Higgs-Feld. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 4/14
23 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0 starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen Elektroschwache Kraft: Vereinigung aus em-kraft und schwacher Kraft Austauschteilchen: Photonen, W +, W, Z 0 -Bosonen Bei Temperaturen kleiner Kelvin (t = s) kommt es zu einer spontanen Symmetriebrechung. W und Z-Bosonen erhalten Masse durch das Higgs-Feld. Elektromagnetische- und Schwache Kraft Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 4/14
24 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0 starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen Elektroschwache Kraft: Vereinigung aus em-kraft und schwacher Kraft Austauschteilchen: Photonen, W +, W, Z 0 -Bosonen Bei Temperaturen kleiner Kelvin (t = s) kommt es zu einer spontanen Symmetriebrechung. W und Z-Bosonen erhalten Masse durch das Higgs-Feld. Elektromagnetische- und Schwache Kraft Higgs-Boson: Letztes fehlendes Teilchen im Standardmodell Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 4/14
25 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Übergang zu höheren Energien höhere Symmetrie GUT (SU(5)) Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 5/14
26 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Übergang zu höheren Energien höhere Symmetrie GUT (SU(5)) Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 5/14
27 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Übergang zu höheren Energien höhere Symmetrie GUT (SU(5)) Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen SU(5) SU(3) SU(2) U(1) Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 5/14
28 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Übergang zu höheren Energien höhere Symmetrie GUT (SU(5)) Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen SU(5) SU(3) SU(2) U(1) X-Kraft starke-, schwache-, elektromagnetische WW Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 5/14
29 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Übergang zu höheren Energien höhere Symmetrie GUT (SU(5)) Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen SU(5) SU(3) SU(2) U(1) X-Kraft starke-, schwache-, elektromagnetische WW Wo bleibt die Gravitation?? Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 5/14
30 Der Hochenergiekosmos Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell Übergang zu höheren Energien höhere Symmetrie GUT (SU(5)) Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen SU(5) SU(3) SU(2) U(1) X-Kraft starke-, schwache-, elektromagnetische WW Wo bleibt die Gravitation?? Stringtheorie, M-Branen-Theorie Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 5/14
31 Strahlungsdominanz Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
32 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
33 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Materiedichte ρ mat V (t) R(t) 3, ρ(t) = ρ 0 R 3 0 R(t) 3, ρ mat R(t) 3 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
34 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Materiedichte ρ mat V (t) R(t) 3, ρ(t) = ρ 0 R 3 0 R(t) 3, ρ mat R(t) 3 Strahlungsdichte ρ rad Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
35 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Materiedichte ρ mat V (t) R(t) 3, ρ(t) = ρ 0 R 3 0 R(t) 3, ρ mat R(t) 3 Strahlungsdichte ρ rad Rotverschiebung z = λ λ 0, R(t 0 ) R(t) = z + 1 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
36 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Materiedichte ρ mat V (t) R(t) 3, ρ(t) = ρ 0 R 3 0 R(t) 3, ρ mat R(t) 3 Strahlungsdichte ρ rad Rotverschiebung z = λ λ 0, R(t 0 ) R(t) = z + 1 Energie eines Quants R(t) 1 ρ rad R(t) 4 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
37 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Materiedichte ρ mat V (t) R(t) 3, ρ(t) = ρ 0 R 3 0 R(t) 3, ρ mat R(t) 3 Strahlungsdichte ρ rad Rotverschiebung z = λ λ 0, R(t 0 ) R(t) = z + 1 Energie eines Quants R(t) 1 ρ rad R(t) 4 Planck-Kurven Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
38 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Materiedichte ρ mat V (t) R(t) 3, ρ(t) = ρ 0 R 3 0 R(t) 3, ρ mat R(t) 3 Strahlungsdichte ρ rad Rotverschiebung z = λ λ 0, R(t 0 ) R(t) = z + 1 Energie eines Quants R(t) 1 ρ rad R(t) 4 Planck-Kurven u ν dν = 8 πν2 c 3 h ν exp(hν/k B T) 1 dν Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
39 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Materiedichte ρ mat V (t) R(t) 3, ρ(t) = ρ 0 R 3 0 R(t) 3, ρ mat R(t) 3 Strahlungsdichte ρ rad Rotverschiebung z = λ λ 0, R(t 0 ) R(t) = z + 1 Energie eines Quants R(t) 1 ρ rad R(t) 4 Planck-Kurven u ν dν = 8 πν2 c 3 h ν exp(hν/k B T) 1 dν Was passiert beim Übergang zu anderem Skalenfaktor R? Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
40 Strahlungsdominanz Größe des Universums Krümmungsradius Skalenfaktor R(t) Materiedichte ρ mat V (t) R(t) 3, ρ(t) = ρ 0 R 3 0 R(t) 3, ρ mat R(t) 3 Strahlungsdichte ρ rad Rotverschiebung z = λ λ 0, R(t 0 ) R(t) = z + 1 Energie eines Quants R(t) 1 ρ rad R(t) 4 Planck-Kurven u ν dν = 8 πν2 c 3 h ν exp(hν/k B T) 1 dν Was passiert beim Übergang zu anderem Skalenfaktor R? Planck-Spektrum bleibt erhalten, bei geänderter Temperatur T = T R/R T R(t) 1 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 6/14
41 Die Quark-Ära Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 7/14
42 Die Quark-Ära [Zeit: kleiner 10 5 s, Temperatur: größer K] Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 7/14
43 Die Quark-Ära [Zeit: kleiner 10 5 s, Temperatur: größer K] Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 7/14
44 Die Quark-Ära [Zeit: kleiner 10 5 s, Temperatur: größer K] Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren Antiteilchen Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 7/14
45 Die Quark-Ära [Zeit: kleiner 10 5 s, Temperatur: größer K] Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren Antiteilchen Hierzu muss die Strahlungsenergie von der Größenordnung der Teilchen-Ruheenergie sein. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 7/14
46 Die Quark-Ära [Zeit: kleiner 10 5 s, Temperatur: größer K] Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren Antiteilchen Hierzu muss die Strahlungsenergie von der Größenordnung der Teilchen-Ruheenergie sein. Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen und bilden sich wieder. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 7/14
47 Die Quark-Ära [Zeit: kleiner 10 5 s, Temperatur: größer K] Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren Antiteilchen Hierzu muss die Strahlungsenergie von der Größenordnung der Teilchen-Ruheenergie sein. Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen und bilden sich wieder. Viel mehr passiert nicht Die große Wüste Mit Absinken der Temperatur hören die Teilchenbildungsprozesse sukzessive auf. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 7/14
48 Die Quark-Ära [Zeit: kleiner 10 5 s, Temperatur: größer K] Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren Antiteilchen Hierzu muss die Strahlungsenergie von der Größenordnung der Teilchen-Ruheenergie sein. Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen und bilden sich wieder. Viel mehr passiert nicht Die große Wüste Mit Absinken der Temperatur hören die Teilchenbildungsprozesse sukzessive auf. Ein Überschuss an Materie blieb bei diesem Prozess übrig. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 7/14
49 Nukleosynthese Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 8/14
50 Nukleosynthese [Zeit: 1 2 min, Temperatur: K] Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 8/14
51 Nukleosynthese [Zeit: 1 2 min, Temperatur: K] Zusammensetzung des Universums heute: 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 8/14
52 Nukleosynthese [Zeit: 1 2 min, Temperatur: K] Zusammensetzung des Universums heute: 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest Bei Temperaturen über K sind die gebildeten Kerne nicht stabil Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 8/14
53 Nukleosynthese [Zeit: 1 2 min, Temperatur: K] Zusammensetzung des Universums heute: 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest Bei Temperaturen über K sind die gebildeten Kerne nicht stabil Kernreaktionen: p + ν e n + e + p + e n + ν e Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 8/14
54 Nukleosynthese [Zeit: 1 2 min, Temperatur: K] Zusammensetzung des Universums heute: 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest Bei Temperaturen über K sind die gebildeten Kerne nicht stabil Kernreaktionen: im thermischen Gleichgewicht: p + ν e n + e + p + e n + ν e n n exp( (m n m p )c 2 ) 1 n p kt 5 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 8/14
55 Nukleosynthese [Zeit: 1 2 min, Temperatur: K] Zusammensetzung des Universums heute: 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest Bei Temperaturen über K sind die gebildeten Kerne nicht stabil Kernreaktionen: im thermischen Gleichgewicht: p + ν e n + e + p + e n + ν e n n exp( (m n m p )c 2 ) 1 n p kt 5 Dieses Verhältnis blieb nach Abkühlung unter K und Ausfrieren von Protonen und Neutronen erhalten. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 8/14
56 Nukleosynthese Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 9/14
57 Nukleosynthese Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren n + p H 2 + γ Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 9/14
58 Nukleosynthese Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren n + p H 2 + γ Mit der Existenz von Deuterium gings erst richtig los: Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 9/14
59 Nukleosynthese Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren n + p H 2 + γ Mit der Existenz von Deuterium gings erst richtig los: H 2 + H 2 He 2 + n H 2 + H 2 H 3 + p H 3 + H 2 He 4 + n Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 9/14
60 Nukleosynthese Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren n + p H 2 + γ Mit der Existenz von Deuterium gings erst richtig los: H 2 + H 2 He 2 + n H 2 + H 2 H 3 + p H 3 + H 2 He 4 + n Häufigkeit von Helium: 4 (n n/2) n n +n p = 2 (n n/n p ) 1+(n n /n p ) = 0.33 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 9/14
61 Nukleosynthese Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren n + p H 2 + γ Mit der Existenz von Deuterium gings erst richtig los: H 2 + H 2 He 2 + n H 2 + H 2 H 3 + p H 3 + H 2 He 4 + n Häufigkeit von Helium: 4 (n n/2) n n +n p = 2 (n n/n p ) 1+(n n /n p ) = 0.33 Grund für Abweichung vom heutigen Wert: Zerfallszeit des Neutrons. n p + e + ν e Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 9/14
62 Die ersten Jahre Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
63 Die ersten Jahre [Temperatur: K] Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
64 Die ersten Jahre [Temperatur: K] Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor allem Strahlung Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
65 Die ersten Jahre [Temperatur: K] Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor allem Strahlung Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik) Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
66 Die ersten Jahre [Temperatur: K] Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor allem Strahlung Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik) Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 3 u = 1 3 ρc2. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
67 Die ersten Jahre [Temperatur: K] Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor allem Strahlung Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik) Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 3 u = 1 3 ρc2. v S = p ρ = c 2 3 = c 3 Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
68 Die ersten Jahre [Temperatur: K] Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor allem Strahlung Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik) Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 3 u = 1 3 ρc2. v S = p ρ = c 2 3 = c 3 Dichtezunahmen erhitzen das Fluid, Dichteabnahmen kühlen Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
69 Die ersten Jahre [Temperatur: K] Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor allem Strahlung Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik) Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 3 u = 1 3 ρc2. v S = p ρ = c 2 3 = c 3 Dichtezunahmen erhitzen das Fluid, Dichteabnahmen kühlen Temperaturschwankungen Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
70 Die ersten Jahre [Temperatur: K] Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor allem Strahlung Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik) Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 3 u = 1 3 ρc2. v S = p ρ = c 2 3 = c 3 Dichtezunahmen erhitzen das Fluid, Dichteabnahmen kühlen Temperaturschwankungen Akustische Phänomene in der Hintergrundstrahlung auffindbar! Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 10/14
71 Probleme des Modells Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
72 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
73 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
74 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
75 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
76 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Horizontproblem Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
77 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Horizontproblem Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
78 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Horizontproblem Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis Fehlen der Gravitation im Standard-Modell Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
79 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Horizontproblem Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis Fehlen der Gravitation im Standard-Modell Zu wenig sichere empirische Daten Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
80 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Horizontproblem Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis Fehlen der Gravitation im Standard-Modell Zu wenig sichere empirische Daten... Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
81 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Horizontproblem Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis Fehlen der Gravitation im Standard-Modell Zu wenig sichere empirische Daten Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
82 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Horizontproblem Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis Fehlen der Gravitation im Standard-Modell Zu wenig sichere empirische Daten Vorstellung vom Urknall keineswegs eine "Theory of everything" Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
83 Probleme des Modells Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in Verbindung stehen können. Es bleiben viele offene Fragen: Flachheitsproblem Horizontproblem Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis Fehlen der Gravitation im Standard-Modell Zu wenig sichere empirische Daten Vorstellung vom Urknall keineswegs eine "Theory of everything" Weiterentwicklung der Theorie Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 11/14
84 Die Inflation Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 12/14
85 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 12/14
86 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung. (Symmetriebrechung) Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 12/14
87 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung. (Symmetriebrechung) Ähnlich Phasenübergang bei realem Gas, nicht spontan. Unterkühlung, latente Wärme. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 12/14
88 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung. (Symmetriebrechung) Ähnlich Phasenübergang bei realem Gas, nicht spontan. Unterkühlung, latente Wärme. Latente Wärme ist zeitlich konstant. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 12/14
89 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung. (Symmetriebrechung) Ähnlich Phasenübergang bei realem Gas, nicht spontan. Unterkühlung, latente Wärme. Latente Wärme ist zeitlich konstant. Falls latente Wärme die anderen Energiedichten dominiert: Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 12/14
90 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung. (Symmetriebrechung) Ähnlich Phasenübergang bei realem Gas, nicht spontan. Unterkühlung, latente Wärme. Latente Wärme ist zeitlich konstant. Falls latente Wärme die anderen Energiedichten dominiert: R (t)/r(t) = 8πG 3 σ = H R (t) = Ha R(t) = R 0 (t) exp(ht) Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 12/14
91 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 13/14
92 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] Exponentielles Anwachsen des Skalenfaktors Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 13/14
93 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] Exponentielles Anwachsen des Skalenfaktors Erklärt den kausalen Zusammenhang der Hintergrundstrahlungen aus entgegengesetzten Raumrichtungen Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 13/14
94 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] Exponentielles Anwachsen des Skalenfaktors Erklärt den kausalen Zusammenhang der Hintergrundstrahlungen aus entgegengesetzten Raumrichtungen Inflation glättet den Raum Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 13/14
95 Die Inflation [Zeit: s, Temperatur: K] Exponentielles Anwachsen des Skalenfaktors Erklärt den kausalen Zusammenhang der Hintergrundstrahlungen aus entgegengesetzten Raumrichtungen Inflation glättet den Raum Kleinste Quantenfluktuationen konnten sich zu makroskopischen Störungen aufblähen Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 13/14
96 Schluss... to be continued.. Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 14/14
97 Schluss... to be continued.. Literatur- und Bild-Quellen: 1. Weigert & Wendker: Astronomie und Astrophysik 2. Scientific American: Edition February Bild der Wissenschaft: Ausgabe November Hauptseminarvortrag Uni-Karlsruhe, Die Grundlagen der Urknall-Theorie, Michael-Ralph Pape Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie p. 14/14
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Urknall im Tunnel: Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München
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