Die Natur lässt sich mathematisch beschreiben d.h. es gibt Strukturen und Gesetzmässigkeiten

Die Natur lässt sich mathematisch beschreiben d.h. es gibt Strukturen und Gesetzmässigkeiten Die Gesetze der Physik gelten im ganzen Universum Physik kann man verstehen d.h. grundsätzlich kann man das Universum verstehen Man braucht dazu tiefe Kenntnisse der Physik und der Mathematik vieles ist noch unerforscht, es gibt noch viel zu tun!...nicht nur allgemeine Relativitätstheorie (Gravitation), sondern auch Quantenmechanik und Teilchenphysik... HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 3 HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 4

Annahme: Das Universum sei statisch und unendlich Dann gäbe es in allen Richtungen von der Erde unendlich viele Sterne. Lichtfluss L 1,r von einem Stern der Leuchtkraft mit der Entfernung r von der Erde: L 1,r = 4πr 2 Lichtfluss L r von allen Sternen der mittleren Leuchtkraft mit der Entfernung r von der Erde, bei konstanter Sterndichte n: dl r = 4πr 2 n 4πr 2 dr r r Lichtfluss L von allen Sternen der mittleren Leuchtkraft des gesamten Universums: L = r = r = 4πr n 4πr 2 dr = n dr = 2 Die Annahme eines unendlichen Universums ist falsch, da unendlich viel Sternenlicht auf die Erde käme, und so der Nachthimmel hell sein müsste! r =0 r =0 HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 5 Frühzeit bis Mittelalter Die Erde liegt im Zentrum. Der Mond, die Planeten, die Sonne, sowie die Sterne drehen sich alle um die Erde. Das Universum wurde von einer göttlichen Macht in dieser Form so geschaffen. HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 6

16-tes Jahrhundert Nicolai Kopernikus schlägt ein Heliozentrisches Universum vor. Die Sonne liegt im Zentrum Die Planeten drehen sich um die Sonne. Aristarch von Samos (3. Jahrhundert v. Chr.) hatte schon ein heliozentrisches Weltbild vorgeschlagen; sowie Die Erde ist ein Planet, der Mond dreht sich um die Erde. Die Sterne konzentrieren sich in der Milchstrasse. Indische Astronomen im 5. Jahrhundert und persische Astronomen 13. Jahrhundert HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 7 HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 8

30. Dezember 1924 Edwin Hubble entdeckt, dass es weitere Galaxien ausserhalb unserer Milchstrasse gibt. Erde HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 9 HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 10

HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 11 10 18 km 3 10 19 km 1.2 10 4 km 6 10 9 km HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 12

Das Universum ist homogen das heißt, es stellt sich einem Beobachter unabhängig von dem Punkt des Raumes, indem er sich befindet, immer gleich dar. Das Universum ist isotrop das heißt, es stellt sich dem Beobachter unabhängig von der Beobachtungsrichtung im Raum immer gleich dar. Dies gilt selbstverständlich nur für grossen Strukturen, mit Ausdehnungen von 100 Mio Lichtjahren oder mehr. die Erde ist kein spezieller Ort! Jeder ausserirdische Astrophysiker sieht von seinem Planeten in seinem Sonnensystem seiner Galaxie aus die selben Strukturen wie ein irdischer Astrophysiker. HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 14

Kosmologisches Prinzip Homogen Isotrop Allgemeine Relativitätstheorie Albert Einstein 1917 G μν + Λg μν = 8πG T c 4 μν Energieerhaltung Thermodynamik δq = de + δpv = 0 Big Bang Modell 2 a = 8πG a 3 ρ kc 2 a + Λc 2 2 3 a a = 4πG ρ + 3p 3 c 2 + Λc 2 3 Expansion des Universums Alter des Universums Grossräumige Strukturen Alter der ältesten Sterne und Galaxien Kosmische Hintergrundstrahlung Häufigkeit der Elemente HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 15 1927 George Lemaître (katholischer Priester, Physiker & Astronom) formuliert, dass sich das Universum ausbreitet. Basierend auf dem kosmologischen Prinzip, sowie unter Verwendung der Einstein schen Relativitätstheorie. Big Bang Modell HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 16

1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich entfernte Galaxien umso schneller bewegen, je weiter sie von uns entfernt sind: v H 0 D Das Universum dehnt sich aus erster experimenteller Test des Big Bang Modells HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 17 Sonne: 8 Minuten Zentrum der Milchstrasse: 28 000 Jahre Erde Andromeda M31: 2.2 10 6 Jahre 3 10 9 Jahre HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 18

Das Universum ist endlich, hat einen Anfang (Big Bang) und dehnt sich aus. Von wie weit her kann Licht die Erde erreichen? Kann man evtl. den Big Bang sehen? Am Anfang war das Universum so heiss, dass sich keine komplexen Objekte formen konnten. Selbst einzelne Atome waren instabil. Licht aus dieser Zeit streute an geladenen Teilchen (z.b. Elektronen, Protonen) und konnte sich so nicht frei ausbreiten. Nach 380 000 Jahren war das Universum soweit abgekühlt, dass sich Elektronen und Protonen zu neutralen Wasserstoffatomen vereinen konnten. Ab dann konnten sich die Photonen frei bewegen. Diese Photonen sind heute als kosmische Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich messbar. HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 19 Erste Messung 1965 1978 Nobelpreis an Penzias und Wilson Die horizontale Linie wird durch die Milchstrasse verursacht, und hat nichts mit der Hintergrundstrahlung zu tun. Das Universum hat eine konstante Hintergrundstrahlung, die in alle Richtungen gleich ist. Sie entspricht der Strahlung eines Körpers der 2.75 K warm ist. HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 20

COBE - 1989 WMAP - 2001 PLANCK - 2009 M. Maris - 09 HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 21 Erste Messung 1965 1978 Nobelpreis an Penzias und Wilson 1989 Seither wird die kosmische Hintergrundstrahlung immer besser und genauer vermessen; seit 1989 mit Satelliten. 2001 2009 Planck Die horizontale Linie wird durch die Milchstrasse verursacht, und hat nichts mit der Hintergrundstrahlung zu tun. 2006 Nobelpreis an Mather und Smoot HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 22

Das älteste Licht, das sich 380 000 Jahre nach dem Big Bang abkoppeln konnte ist heute im Mikrowellenbereich noch sichtbar. Eine Photographie des Nachglühens des Big Bang. Perfekte Schwarzkörperstrahlung mit einer Temperatur T=2.7250 K. Temperaturvariationen sind als rote und grüne Flecken sichtbar und sind extrem klein: T=2.7250 ± 0.0002 K Diese äusserst kleinen Variationen in der Temperaturverteilung geben Aufschluss über die Homogenität des Universums, über die Formation von Strukturen, über die Zusammensetzung des Universums. HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 23 HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 24

4.6% der Gesamtenergie im Universum stammt von Materie die wir kennen 3.8% Helium & Wasserstoff in Form von interstellarem Gas 0.5% Sterne 0.3% Neutrinos 0.003% schwere Elemente (aus denen auch wir bestehen,...) 23% besteht aus dunkler Materie... 72% ist dunkle Energie.... HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 25 23% Dunkle Materie macht sich durch ihre gravitative Wechselwirkung bemerkbar. Geschwindigkeitsverteilung der Sterne innerhalb von Galaxien. Sterne sind viel zu schnell, und trotzdem an Ihre Galaxie gebunden. es muss mehr Materie vorhanden sein, als die die man sieht! 72% Dunkle Energie. Leerer Raum hat eine Energie, die sich wie Antigravitation auswirkt. Das Universum wird förmlich auseinander gedrückt! Eigentlich müsste die Expansion des Universums abnehmen, da die Gravitation der Ausdehnung entgegenwirkt. Mathematisch klar: Kosmologische Konstante. Physikalische Interpretation...??? HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 26

HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 27 Alter: 13.75 ±0.17 Milliarden Jahre Durchmesser: 93 Milliarden Lichtjahre Das älteste Licht, das wir sehen können, ist 13 Milliarden Jahre alt. Der Raum selbst hat sich aber auch gedehnt. Raum kann sich schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnen. Die maximale Geschwindigkeit mit der sich ein Körper durch den Raum bewegen kann ist trotzdem bloss Lichtgeschwindigkeit. Nicht das ganze Universum kann von der Erde aus gesehen werden. Temperatur: T = 2.7250±0.0002 K Dichte: ρ = 9.9x10-30 gcm -3 4% Materie: 1 H-Atom pro 4m 3 # Protonen: ca 10 80 Masse: 10 53 kg HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 28

380 000 Jahre nach dem Big Bang Licht kann sich frei bewegen und führt so zur kosmischen Hintergrundsstrahlung Die Physik der Frühzeit t = ~0...380 000 Jahre kann auf der Erde erforscht werden. Teilchenphysik Die elementaren Teilchen und ihre Wechselwirkungen dominieren zu dieser Zeit das Universum. Beschleuniger Experimente Mit Teilchenbeschleunigern können elementare Teilchen erzeugt werden und ihre Wechselwirkungen erforscht werden. z.b. Der LHC am CERN HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 29 Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält Goethe s Faust Dass der LHC mit seinen Detektoren erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält

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HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 33 Teilchenphysiker nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E Impuls p der Projektile kann man kleinste Strukturen erkennen Teilchen-Wellenlänge λ = (de Broglie 1924) h (Plank sche Konstante) p (Impuls) Elektron Elektron Proton HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Astronomische Gesellschaft Bern 34

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> < 0,01 m Kristall 1/10 000 000 1/10 1/10 000 1/10 1/1000 10-9 m Molekül 10-10 m Atom 10-14 m Kern 10-15 m Proton <10-18 m Quark, Elektron Stecknadelkopf: 10-3 m = 0,001 m Elektron, Quark: <10-18 m = 0,000 000 000 000 000 001 m Punktförmig? HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 43 Teilchenphysiker nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E Impuls p der Projektile kann man neue Teilchen erzeugen E = mc 2 Energie = Masse Lichtgeschwindigkeit im Quadrat (Einstein 1905) HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 44

I Rabi Kommentar zum Muon (1936) Who ordered that? Materieteilchen kommen in 3 Generation vor, wobei jede Generation schwerer ist als die vorherige. Nur Teilchen der ersten Generation sind stabil und bilden so die uns bekannte Materie. Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen zbsp. Antielektron, HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 45 Jede Kuh, jeder Baum, die Steine, die Menschen, die Planeten, die Sonne, die Sterne, und alles Andere bestehen aus >99.999 999% leerem Raum Elementarteilchen (<10-18 m Punktförmig?) Elektronen Up-Quarks Down-Quarks Diese werden zusammengehalten durch Photonen Gluonen Vektor-Bosonen Gravitonen Ausserdem können Vektor-Bosonen Elektronen in Neutrinos umändern Jeder Mensch strahlt täglich 340 Millionen Neutrino s aus (20 mg 40 Ka) HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 46

Etwas komplizierter als zbsp E=mc 2. Liefert eine exakte, und überprüfbare Beschreibung aller Messdaten je gemachter Experimente. Diese Formel basiert auf Symmetrien, der Quantenmechanik, der Relativitätstheorie und den Elementarteilchen. Erste Zeile: die fundamentalen Kräfte (elektro-magnetisch, stark, schwach) Zweite Zeile: wie die Kräfte auf Teilchen (Quarks und Leptonen) wirken. Dritte Zeile: wie diese Teilchen durch das Higgs-Teilchen Masse erhalten. Vierte Zeile: ermöglicht das Higgs-Teilchen Riesiger Erfolg im Verständnis der Natur! Elektro-magnetische, starke und schwache Kraft OK. Gravitation (mikroskopisch) noch unklar. Formel beinhaltet ein neues Teilchen! Das Higgs Teilchen gibt es dies wirklich? HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 47 Erste Zeile: die fundamentalen Kräfte (elektro-magnetisch, stark, schwach) Zweite Zeile: wie die Kräfte auf Teilchen (Quarks und Leptonen) wirken. Dritte Zeile: wie diese Teilchen durch das Higgs-Teilchen Masse erhalten. Vierte Zeile: ermöglicht das Higgs-Teilchen HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 48

Wir kennen die Elementarteilchen, ihre Eigenschaften und Wechselwirkungen, das Standardmodell der Teilchenphysik damit kennen wir das Rezept um das Universum aufzubauen Es besteht aus Elementarteilchen Es fand seinen Anfang im Big Bang vor 13.7 Milliarden Jahren Wir können ein Bild der Evolution von allem und jedem aufzeichnen Angefangen mit dem Big Bang Durch Experimente kann dieses Bild überprüft werden HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 49 heutige experimentelle Grenze HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 50

Die Universität Bern ist stark an den Experimenten am LHC am CERN involviert. Junge Forscher haben hier die Gelegenheit bahnbrechende Resultate zu erarbeiten und mit exzellenten international renommierten Physikern zu lernen, zu arbeiten, sich begeistern,... Es gibt noch viel zu tun, der LHC wird etwa 20 Jahre lang Daten liefern und so neue Erkenntnisse liefern. Wer von Euch Lust hat sich hier zu betätigen hat alle Gelegenheit dazu! Physikstudium vorausgesetzt HP Beck - LHEP Bern Physik am Samstag Bern, 29 Januar 2011 52