der urknall
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Der Urknall. Wie unser Universum aus fast Nichts entstand. Die großen Fragen. Woraus besteht das Universum ? Wie sah das Universum am Anfang aus ? Plasma ! und vorher ? Woraus haben sich Strukturen entwickelt ? - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Der UrknallDer UrknallWie unser Universum Wie unser Universum
aus fast Nichts aus fast Nichts entstandentstand
Die großen FragenDie großen Fragen Woraus besteht das Universum ?Woraus besteht das Universum ? Wie sah das Universum am Anfang aus ?Wie sah das Universum am Anfang aus ? Plasma ! und vorher ?Plasma ! und vorher ? Woraus haben sich Strukturen Woraus haben sich Strukturen
entwickelt ?entwickelt ? Gibt es Leben und Intelligenz in anderen Gibt es Leben und Intelligenz in anderen
Regionen des Universums ?Regionen des Universums ? Woher kommen Materie und Strahlung ?Woher kommen Materie und Strahlung ? Was war vor dem Urknall ?Was war vor dem Urknall ? Was wird aus unserem Universum in der Was wird aus unserem Universum in der
Zukunft ?Zukunft ? Was liegt außerhalb unseres Horizonts ?Was liegt außerhalb unseres Horizonts ?
Grenzen der PhysikGrenzen der Physik
über die Schwierigkeit , Antworten zu über die Schwierigkeit , Antworten zu finden …finden …
Thermische GrenzeThermische Grenze Energiegrenze , AuflösungsgrenzeEnergiegrenze , Auflösungsgrenze RaumgrenzeRaumgrenze KomplexitätsgrenzeKomplexitätsgrenze Grenzen der jetzigen Gesetze der Physik Grenzen der jetzigen Gesetze der Physik
??
Thermische GrenzeThermische Grenze
Das frühe Universum war im Das frühe Universum war im thermischen Gleichgewicht .thermischen Gleichgewicht .
Das Universum “ vergisst “ !Das Universum “ vergisst “ ! Werfen Sie einmal ein Buch auf die Werfen Sie einmal ein Buch auf die
Sonne und versuchen , es 10 000 Sonne und versuchen , es 10 000 Jahre später zu lesen …Jahre später zu lesen …
andererseits : nur wenige Größen werden zurandererseits : nur wenige Größen werden zurBeschreibung des frühen Universums benötigt !Beschreibung des frühen Universums benötigt !
Thermisches Thermisches GleichgewichtGleichgewicht
Energie ~ Masse ~ TemperaturEnergie ~ Masse ~ Temperatur
Welche Teilchensorten gibt es mit Welche Teilchensorten gibt es mit Masse Masse < < Temperatur ?Temperatur ? ( Elektronen ,Quarks , Photonen , ( Elektronen ,Quarks , Photonen ,
Neutrinos , Neutrinos , W-Bosonen , …???? )W-Bosonen , …???? ) Was ist ihre Masse ?Was ist ihre Masse ?
Elementarteilchen - PhysikElementarteilchen - Physik
Näher an den UrknallNäher an den Urknall
Je näher an den Urknall, desto höher Je näher an den Urknall, desto höher die Temperatur und Energie der die Temperatur und Energie der TeilchenTeilchen
Physik bei hohen Energien weniger Physik bei hohen Energien weniger gut bekanntgut bekannt
Erst ab 10Erst ab 10-12 -12 Sekunden abb : Im Sekunden abb : Im wesentlichen bekannte Physikwesentlichen bekannte Physik
Teilchenphysik nähert sich Teilchenphysik nähert sich UrknallUrknall
vor Zeiten von 10vor Zeiten von 10-12-12 Sekunden abb Sekunden abb sind die Teilchen mit Masse < sind die Teilchen mit Masse < Temperatur nicht experimentell Temperatur nicht experimentell bekanntbekannt
LHC erforscht Physik , die für 10LHC erforscht Physik , die für 10-12-12 Sekunden abb wichtig istSekunden abb wichtig ist
spontane Symmetriebrechung , spontane Symmetriebrechung , Phasenübergang Phasenübergang
Energiegrenze …Energiegrenze …
EnergiegrenzeEnergiegrenze
LHC , CERN , GenfLHC , CERN , Genf
KomplexitätsgrKomplexitätsgrenzeenze
Galaxien-Galaxien-EntstehungEntstehung
Komplexitätsgrenze :Komplexitätsgrenze :
Details der GalaxienentstehungDetails der Galaxienentstehung
vermutlich nicht wichtigvermutlich nicht wichtig
für Verständnis der Entwicklung des für Verständnis der Entwicklung des
Universums als GanzemUniversums als Ganzem
Grenzen der Gesetze : Grenzen der Gesetze : Waren die Naturkonstanten Waren die Naturkonstanten
konstant ?konstant ?
Gelten die Gesetze der Physik auch noch Gelten die Gesetze der Physik auch noch eine Minute abb ?eine Minute abb ?
Oder hatten damals Naturkonstanten Oder hatten damals Naturkonstanten andere Werte ?andere Werte ?
anderes Verhältnis anderes Verhältnis Elektronmasse/ProtonmasseElektronmasse/Protonmasse
oder andere Gravitationskonstante , oder ???oder andere Gravitationskonstante , oder ???
ΩΩbb = = 0.0450.045
nur 4,5 % des Universums bestehen aus Atomen : bekannt von
Hintergrundstahlung , Nucleosynthese
400 000 Jahre abb400 000 Jahre abbAtomphysikAtomphysik
Minute abbMinute abbKernphysikKernphysik
Präzise Bestätigung Präzise Bestätigung unseres unseres
Verständnisses der Verständnisses der Physik und Physik und KosmologieKosmologie
Auch vor 13.7 Milliarden Auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Konstanten Jahren hatten die Konstanten
der Physik die der Physik die
( fast ) gleichen Werte( fast ) gleichen Werte
Wir verfügen über Wir verfügen über zuverlässiges Wissen über zuverlässiges Wissen über die Entwicklung des die Entwicklung des Universums Universums seit den ersten 10 seit den ersten 10 -12 -12 Sekunden !Sekunden !
aber vorher ?aber vorher ?
Abenteuerreise an den Abenteuerreise an den Anfang der WeltAnfang der Welt
Eternal Eternal inflationinflationA. LindeA. Linde
Was ist reell ?Was ist reell ?Was ist Vorstellung ?Was ist Vorstellung ?
Was ist pure Was ist pure Spekulation ?Spekulation ?
Quantenfluktuationen Quantenfluktuationen am Urknallam Urknall
werden beobachtbar !werden beobachtbar !
Inflationäres UniversumInflationäres Universum
Ca 10 Ca 10 -30-30 - 10 - 10 -40 -40 Sekunden abbSekunden abb Entstehung der primordialen Entstehung der primordialen
FluktuationenFluktuationen aus Quantenfluktuationenaus Quantenfluktuationen
Signale vom Urknall !Signale vom Urknall !
Das Vakuum ist nicht leer !Das Vakuum ist nicht leer !
QuantenfelderQuantenfelder
Fluktuierende Felder : Feldwerte Fluktuierende Felder : Feldwerte ändern sich mit Zeit und im Raumändern sich mit Zeit und im Raum
Quantenfluktuationen im Quantenfluktuationen im VakuumVakuum
Quantentheorie ist Quantentheorie ist probabilistischprobabilistisch
Quantentheorie gibt nur Quantentheorie gibt nur WahrscheinlichkeitenWahrscheinlichkeiten für für
verschiedene Verläufe ( Trajektorien , Geschichten ) verschiedene Verläufe ( Trajektorien , Geschichten )
Quantentheorie für Quantentheorie für FelderFelder
MittelwertMittelwert Fluktuationen um Mittelwert : Fluktuationen um Mittelwert :
gekennzeichnet durch Korrelationengekennzeichnet durch Korrelationen Unschärfe – Prinzip ( Heisenberg ) :Unschärfe – Prinzip ( Heisenberg ) :
Untergrenze für Stärke der Untergrenze für Stärke der FluktuationenFluktuationen
Inflationäres UniversumInflationäres Universum
Ca 10 Ca 10 -30-30 - 10 - 10 -40 -40 Sekunden abbSekunden abb Entstehung der primordialen Entstehung der primordialen
FluktuationenFluktuationen aus Quantenfluktuationenaus Quantenfluktuationen
Signale vom Urknall !Signale vom Urknall !
t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )
t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )
Kosmische Strukturbildung im GrossrechnerKosmische Strukturbildung im GrossrechnerSimon White, Mainz, 1.7.Simon White, Mainz, 1.7.
StrukturbildungStrukturbildung
Aus winzigen Anisotropien wachsen Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universumsdie Strukturen des Universums
Sterne , Galaxien, GalaxienhaufenSterne , Galaxien, Galaxienhaufen
EinEin primordiales primordiales Fluktuationsspektrum beschreibtFluktuationsspektrum beschreibt allealle Korrelatonsfunktionen !Korrelatonsfunktionen !
(1) Die Strukturen im (1) Die Strukturen im Universum sind aus Universum sind aus
Quantenfluktuationen während Quantenfluktuationen während des Urknalls entstandendes Urknalls entstanden
Vortrag F.Wilczek, Vortrag F.Wilczek, 20.5.1420.5.14
Unzulänglichkeiten des Unzulänglichkeiten des Friedmann- UniversumsFriedmann- Universums
Warum hat das Warum hat das Universum die kritische Universum die kritische
Dichte ?Dichte ?
Kritische DichteKritische Dichte
ΩΩtot tot =1 =1
flaches flaches UniversumUniversum
ΩΩtot tot >1 >1
KugeloberflächeKugeloberfläche
ΩΩtot tot <1 <1
hyperbolische hyperbolische
GeometrieGeometrie
gekrümmte Bahnen der gekrümmte Bahnen der LichtstrahlenLichtstrahlen
Instabilität der flachen Instabilität der flachen räumlichen Geometrieräumlichen Geometrie
Zeitentwicklung von Zeitentwicklung von ΩΩ für Friedmann- für Friedmann- Gleichung mit gekrümmter GeometrieGleichung mit gekrümmter Geometrie
KausalitätKausalität
Horizont Horizont beibeiCMB - CMB - EmissionEmission
Das Ganze ist mehr als Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teiledie Summe seiner Teile
Physik : Physik : KorrelationenKorrelationen
Langreichweitige Langreichweitige KorrelationenKorrelationen
Korrelationen in der Hintergrundstrahlung Korrelationen in der Hintergrundstrahlung überüber
Abstände , die größer sind als der Horizont Abstände , die größer sind als der Horizont
(2) Grenzen der Einstein- (2) Grenzen der Einstein- Gleichungen:Gleichungen:
kein Verständnis vonkein Verständnis vonHomogenität, Isotropie, flacher Homogenität, Isotropie, flacher
räumlicher Geometrie, räumlicher Geometrie, langreichweitigen Korrelationenlangreichweitigen Korrelationen
Inflationäres UniversumInflationäres Universum
Gleichung für die Gleichung für die kosmologische Evolution : kosmologische Evolution :
Friedmann GleichungFriedmann Gleichung
a(t) : Skalenfaktora(t) : Skalenfaktorρρ(t) : Energie-(t) : Energie- DichteDichte t : Zeitt : Zeit
M M : Planck-Masse: Planck-Masseverknüpft mit verknüpft mit GravitationskonstanGravitationskonstante te GG
Friedmann GleichungFriedmann Gleichung
Mit Friedmann GleichungMit Friedmann Gleichung
läßt sich Evolution desläßt sich Evolution des
Universums einfachUniversums einfach
verstehen verstehen
Spezialfall derSpezialfall der
Einstein GleichungEinstein Gleichung
Friedmann GleichungFriedmann Gleichung
beschreibt die Änderung der beschreibt die Änderung der
kosmologischen Abstände mit der Zeit ; kosmologischen Abstände mit der Zeit ; a(t)a(t) enthält Ableitungenthält Ableitung DifferentialgleichungDifferentialgleichung erlaubt Bestimmung der Zukunft und erlaubt Bestimmung der Zukunft und
Vergangenheit wennVergangenheit wenn aa und und ρρ zu bestimmtem zu bestimmtem ZeitpunktZeitpunkt tt gegebengegeben
benötigt Eigenschaftenbenötigt Eigenschaften
von von ρρ
wenn Materie dominiert :wenn Materie dominiert :
n : n : TeilchendichteTeilchendichte
Expansion Expansion wird wird langsamer , langsamer , wennwennaa größer größer wirdwird
wenn Energiedichte wenn Energiedichte konstant ist :konstant ist :
Dunkle Energie und Dunkle Materie sind (heute) Gegenspieler :Dunkle Energie und Dunkle Materie sind (heute) Gegenspieler :
Dunkle Materie verlangsamt ExpansionDunkle Materie verlangsamt Expansion
Dunkle Energie beschleunigt ExpansionDunkle Energie beschleunigt Expansion
ρρ konstant:konstant:Expansion wird Expansion wird schnellerschnellerwenn wenn aa größer größer wirdwird
wenn Energiedichte wenn Energiedichte konstant ist :konstant ist :
Inflation : Inflation :
Periode mit fast konstanter Periode mit fast konstanter EnergiedichteEnergiedichte
explosionsartige Expansionexplosionsartige Expansion
Inflation = UrknallInflation = Urknall
ρρ konstant:konstant:Expansion wird Expansion wird schnellerschnellerwenn wenn aa größer größer wirdwird
Explosionsartige Expansion der Explosionsartige Expansion der InflationInflation
löst Problem der Kausalität löst Problem der Kausalität
Explosionsartige Expansion der Explosionsartige Expansion der InflationInflation
löst Problem der Kausalität löst Problem der Kausalität und erklärt,und erklärt,
wie wie Information bis heute Information bis heute gespeichert gespeichert werden kann werden kann
Explosionsartige Expansion Explosionsartige Expansion der Inflation erklärt räumlich der Inflation erklärt räumlich
flache Geometrieflache Geometrie
??
??
(3) Fast konstante (3) Fast konstante Energiedichte führt zu Energiedichte führt zu
explosionsartiger Ausdehnung explosionsartiger Ausdehnung des Raumsdes Raums
Inflaton : Inflaton : das Skalarfeld der das Skalarfeld der
InflationInflation
Skalarfeld und Skalarfeld und fast konstante fast konstante EnergiedichteEnergiedichte
potentielle Energie V trägt zur potentielle Energie V trägt zur Energiedichte beiEnergiedichte bei
flaches Potential : langsame flaches Potential : langsame ÄnderungÄnderung
Urknall : Explosion des Urknall : Explosion des RaumsRaums
am Anfang waren Raum und Zeit am Anfang waren Raum und Zeit und Felderund Felder
während der Inflation ist Universum während der Inflation ist Universum leerleer
Materie und Strahlung werden am Materie und Strahlung werden am Ende der Inflation erzeugtEnde der Inflation erzeugt
Erzeugung von Erzeugung von Teilchen, Strahlung und Teilchen, Strahlung und Entropie am Ende der Entropie am Ende der
InflationInflation
Quantenfluktuationes Quantenfluktuationes des des
Skalarfelds sind Skalarfelds sind berechenbarberechenbar
SignaleSignale
Vorhersage der Vorhersage der TemperaturschwankungenTemperaturschwankungen
in Abhängigkeit von Fleckengröße in Abhängigkeit von Fleckengröße ( im Winkel )( im Winkel )
ca 1 ca 1 GradGrad
ca 10 Gradca 10 Grad
KontraKontrastst
WinkelWinkel
(4) Am Anfang war das (4) Am Anfang war das Universum Universum
öd und leer :öd und leer :Skalarfeld, Gravitationsfeld,Skalarfeld, Gravitationsfeld,Quantenfluktuationen der Quantenfluktuationen der
FelderFelder
Chancen der Chancen der Verifizierung ?Verifizierung ?
Es fehlt vereinheitlichte Theorie Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen !aller Wechselwirkungen !
Dennoch : Beobachtungen Dennoch : Beobachtungen geben Aufschluss über extreme geben Aufschluss über extreme frühe Epochen der frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung !kosmologischen Entwicklung !
Vorhersage: Vorhersage: räumlich flaches räumlich flaches
UniversumUniversum
Theorie (Inflationäres Universum )Theorie (Inflationäres Universum )
ΩΩtottot =1.0000……….x =1.0000……….x
Beobachtung ( Planck )Beobachtung ( Planck )
ΩΩtottot =0.99 ( ±0.006) =0.99 ( ±0.006)
ΩΩtottot = = 11
Vorhersagen der Vorhersagen der InflationInflation
Universum hat kritische Dichte ☺Universum hat kritische Dichte ☺
Quantenfluktuationen aus der Zeit der Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung ☺Hintergrundstrahlung ☺
Fluktuationen sind adiabatisch ( erhaltene Fluktuationen sind adiabatisch ( erhaltene Entropie ) ☺Entropie ) ☺
Vorhersagen der Vorhersagen der InflationInflation
Fluktuationen sind Gauss-verteilt ☺Fluktuationen sind Gauss-verteilt ☺
Fluktuationen sind fast skaleninvariant☺Fluktuationen sind fast skaleninvariant☺
Quantenfluktuationen der Metrik führen Quantenfluktuationen der Metrik führen zu Polarisation der kosmischen zu Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung ( B-modes )Hintergrundstrahlung ( B-modes )
(5) Vorhersagen der (5) Vorhersagen der InflationInflation
bisher alle bestätigt !bisher alle bestätigt !
Viele Modelle der Inflation Viele Modelle der Inflation … …
für die meisten Modelle :für die meisten Modelle :
Am Nullpunkt der Zeit werden Am Nullpunkt der Zeit werden Lösungen der kosmologischen Lösungen der kosmologischen Gleichungen singulärGleichungen singulär
Was ist Ursache der Was ist Ursache der Inflation ?Inflation ?
Spekulative Physik ..Spekulative Physik ..
Zusätzliche RaumdimensionenZusätzliche Raumdimensionen ““Kosmologie vor dem Urknall”Kosmologie vor dem Urknall” SuperstringtheorienSuperstringtheorien MultiversumMultiversum Kosmon - InflationKosmon - Inflation
Dunkle EnergieDunkle Energie nur ein Viertel der Enegiedichte des nur ein Viertel der Enegiedichte des
Universums besteht aus MaterieUniversums besteht aus Materie drei Viertel sind völlig gleichmäßig drei Viertel sind völlig gleichmäßig
verteilte Dunkle Energieverteilte Dunkle Energie
Woraus besteht das Woraus besteht das Universum ?Universum ?
Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler EnergieEnergie
Die Expansion des Universums
beschleunigt sich heute !
ähnlich zur Inflationähnlich zur Inflation
Dynamische Dunkle Dynamische Dunkle EnergieEnergie
benötigt Skalarfeld benötigt Skalarfeld ( Kosmon )( Kosmon )
Dieses Feld kann auch für dieDieses Feld kann auch für die
Inflation verantwortlich sein !Inflation verantwortlich sein !
(6) Inflaton = Kosmon ?(6) Inflaton = Kosmon ?Frühe und späte Dunkle Frühe und späte Dunkle
EnergieEnergiekönnen durch ein einziges können durch ein einziges
Skalarfeld beschrieben werdenSkalarfeld beschrieben werden
ZusammenfassungZusammenfassung
(1) Die Strukturen im (1) Die Strukturen im Universum sind aus Universum sind aus
Quantenfluktuationen während Quantenfluktuationen während des Urknalls entstandendes Urknalls entstanden
(2) Grenzen der Einstein- (2) Grenzen der Einstein- Gleichungen:Gleichungen:
kein Verständnis vonkein Verständnis vonHomogenität, Isotropie, flacher Homogenität, Isotropie, flacher
räumlicher Geometrie, räumlicher Geometrie, langreichweitigen Korrelationenlangreichweitigen Korrelationen
(3) Fast konstante (3) Fast konstante Energiedichte führt zu Energiedichte führt zu
explosionsartiger Ausdehnung explosionsartiger Ausdehnung des Raumsdes Raums
(4) Am Anfang war das (4) Am Anfang war das Universum Universum
öd und leer :öd und leer :Skalarfeld, Gravitationsfeld,Skalarfeld, Gravitationsfeld,Quantenfluktuationen der Quantenfluktuationen der
FelderFelder
(5) Vorhersagen der (5) Vorhersagen der InflationInflation
bisher alle bestätigt !bisher alle bestätigt !
(6) Inflaton = Kosmon ?(6) Inflaton = Kosmon ?Frühe und späte Dunkle Frühe und späte Dunkle
EnergieEnergiekönnen durch ein einziges können durch ein einziges
Skalarfeld beschrieben werdenSkalarfeld beschrieben werden
EndeEnde