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Lob der Asymmetrie
in der Welt der Teilchen und im Universum
Gerhard J. WagnerPhysikalisches InstitutUniversität Tübingen
03.06.2002 Lob der Asymmetrie 2
Kosmologie als empirische Wissenschaft
Urknallmodell als moderner Schöpfungsmythos
Die Welt im Größten und im Kleinsten:-Kosmologie und Teilchenphysik
Entwicklung der Kosmologie zur empirischen Wissenschaft-Neue Fenster zum Weltall und Supercomputer-Sonderrolle: Universum einmalig
Was hat das mit Symmetrie zu tun?
03.06.2002 Lob der Asymmetrie 3
Inhalt
1. Symmetrie in der Teilchenphysik
2. Symmetrien in der Kosmologie
3. Erfolge und Probleme des Urknallmodells
4. Strukturen im Kosmos
5. Überraschung bei Supernovae
6. Dominanz von Materie über Antimaterie
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1.Symmetrie bei den Kernbausteinen
Bausteine der Atomkerne:
Neutronen q = 0 Protonen q = 1eBis 1964 einige hundert verwandte (kurzlebige) Teilchen im Zoo der Elementarteilchen
Seltsamkeit
Charme
el.Ladung
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Quarkmodell
Jedes dieser Baryonen ( =„schwere Teilchen“) enthält 3 Quarks (Gell-Mann und Zweig )
z.B. Proton = uud Neutron = udd Atomkerne (baryonische Materie)
Keine freien Quarks ! Drittelzahlige Ladung bestätigt durch Experimente
6 Quarktypen u.a.: up Ladung: +2/3 e down - 1/3 e strange - 1/3 e und Seltsamkeit charm +2/3 e und Charme
PhysikalischesPhysikalisches
Physikalisches Institut Uni T:
Physikalisches Institut Uni T:
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Teilchen – Antiteilchen Symmetrie
Elektron – Positron
Masse gleich auf 8 ppb
Ladungsbetrag gleich auf 40 ppb
Proton – Antiproton Masse, Ladungsbetrag gleich auf 500ppb
Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen
Masse und Lebensdauer gleich
Gegenseitige Vernichtung/Zerstrahlung
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2. Kosmologie
Kosmologisches Prinzip (Einstein, 1915): Weltall ist homogen und isotrop
2 Mio Galaxien auf 10% des Himmels bis zu einer Tiefe von 2 Mrd Lichtjahren
Translations-und Rotations-symmetrie !
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Methode: Rotverschiebung von Spektrallinien Doppler-Effekt
Fluchtbewegung
Hubble (1929) entdeckt Fluchtbewegung derGalaxien
MpcskmH
rHv
/680
je weiter entfernt, umso rascher die Flucht
Beobachter nicht ausgezeichnet!!Verschiebung von Ca-Linien bei 5 Galaxien
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Modell des Urknalls
Das Weltall hat einen Anfang. Vor 12 bis 16 Mrd Jahren „Explosion“ aus einem Punkt der Raumzeit:
Urknall = Big Bang (George Gamow 1948)
Danach Ausdehnung gegen die Schwerkraft
Geometrische Interpretation der Rotverschiebung
)(/1 0 emtLLz
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Rotverschiebung und Alter
Blick in die Ferne ist zugleich ein Blick in die Vergangenheit.
Abhängigkeit der Rotverschiebungvom Zeitpunkt* der Emission z
______*)Im Detail vom Weltmodell abhängig
)(/1 0 emtLLz
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Temperaturentwicklung
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3.Erfolge und Probleme des Urknallmodells
1. Rotverschiebung
2. Bildung und Häufigkeit der primordialen Atomkerne
3. Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
Erfolge betreffen Zeiten größer als 1s
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Primordiale Nukleosynthese
Urknallmodellbeschreibt erfolgreichdie Nukleosyntheseder leichtesten Elemente
Einziger Parameterist dabei das Verhältnis vonBaryonen- zu Photonen-zahl :
100 104
10 100 1000 s 2.8 h
10-2
10-4
10-6
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Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
1948 von Gamow vorhergesagt.1965 von Penzias und Wilson zufällig entdeckt.
Eigentlich:Wärmestrahlung von 3000Kjedoch rotverschoben um Faktor 1100
Ausgesandt bei t= 400 000 a als der Kosmos durchsichtig wurde. FrühestesSignal vom Urknall.
Daraus ergibt sich (für heute):Photonendichte n = 4.1 108 / m³Baryonendichte nB= 0 .17 / m³
Wärmestrahlung von 2.7281 Kmit extremer Genauigkeit
GHz
mm
150
2
max
max
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Isotropie der Hintergrundstrahlung
Resultate von COBE (1992)
Temperaturdifferenzenvon etwa 20 d.h.
*)nach Korrektur auf Pekuliarbewegung der Erde
Winkelauflösung 7° x 7°(200 Vollmondscheiben).
Isotropie ist eine gute Annahmeauf dieser Skala:
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Probleme des Urknallmodells
1. Horizontproblem
2. Flachheitsproblem
3. Monopolproblem
4. Strukturbildung
Lösung (A. Guth ; A. Linde):Auftreten einer inflationären Phase: der Kosmos dehnt sich zwischen 10-34 s und 10-32 s um den Faktor 1030 aus
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Horizontproblem
Zwei Signale, die uns heute erreichen, sind im Standardmodell nicht kausal verknüpft.
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Lösung des Horizontproblems
...es sei denn, es gab eine inflationäre Phase, in der sich das Universum mitÜberlichtgeschwindigkeitausdehnte
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Flachheit im inflationären Modell
Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt (Eddington 1919)-also auch durch die Massen im Weltall.
Wenn Lichtstrahlen per definitionem„geradeaus“ laufen sollen,bedeutet das, dass der Raum u.U. gekrümmt ist.
Das Inflationsmodell sagt ein „flaches“ Universum voraus (Abb.).
Unverständlich im Standardmodell, weil sich jede ursprüngliche Abweichung von der Flachheitbeliebig verstärken sollte.krit Vorhersage:
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4. Strukturen im Kosmos
Symmetriebrechung:
Weltall nicht homogen(zum Glück für uns)
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Die Winkelauflösung von Boomerang
Probleme: -gute Winkelauflösung für cm- und mm-Wellen mit Richtantennen -Infrarotuntergrund von Umgebung und Milchstraße
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Start des Boomerang Ballons
10 Tage in 38 km Höhe um den Südpol
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Ergebnisse von Boomerang
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Ergebnis zur Raumkrümmung
Der Raum ist euklidisch (flach)
wie vom inflationären Modell vorhergesagt.
Methode:ein sphärisch gekrümmterRaum vergrößert- wie eineSammellinse
06.01 krit
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Leistungsspektrum der Hintergrundstrahlung
stützt das inflationäreUrknallmodell
1° 1/2° 1/3°
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5. Aktuelle Ergebnisse von fernen Supernovae
Überwachung ferner Galaxien
Zwar alle 300 Jahre eine Supernova pro Galaxie, aber:
ein Ausschnitt von Vollmond-größe zeigt nach 5 MinutenBelichtung 5000 Galaxien
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Ferne Supernova
Wo ist die Supernova?Rotverschiebung z=0.66
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Beschleunigte Expansion?
Ferne Supernovae vom Typ 1a zeigen eine kleinere Rotverschiebung als aufgrund ihrer Helligkeit, d.h ihres Abstands erwartet: Sie entfernen sich langsamer!
Da sie alt sind, könnte dies bedeuten, dass das Weltall früher langsamer expandierte als heute. Beschleunigung widerspricht dem Standard-Urknallmodell.
Möglicher Hinweis auf Antigravitation ( bei großen Abständen)
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Folgen für das Weltalter
a)konstante b)verzögerte c)beschleunigte Expansion
Weltalter damit möglicherweise größer als angenommen.
Gleichmäßige Verzögerte Beschleunigte Expansion
Zeit
Räumliche Ausdehnung
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Einsteins Kosmologische Konstante
Zeldovich (1965): Vakuumenergie
Heute: Skalares Feld
„Dunkle Energie“
Antigravitation
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Dichteverteilung
kos.Kon.
Baryonen leuchtend
dunkleM kos.Kon.dunkleMBaryonenleuchtend
leuchtend
Dunkle Energie
Dunkle Materie
Baryonen
krit )1.01(
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Schicksal des Universums
Beschleunigte Expansionwahrscheinlich
Das sichtbare Universumwird sehr leer werden
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Dichtefluktuationen
Aus Quantenfluktuationenentstanden in der InflationSaatgalaxien
Nach Hinweisen auf Inflation zurück zum Strukturproblem:Durch Gravitation keine Strukturen aus einem homogenenSubstrat
Im heißen Zustand desfrühen Universumsbilden und vernichtensich laufend Teilchen.
Es entstehen statistischlokale Dichteerhöhungenvon mikroskopischer Größe sog. Quantenfluktuationen
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Entstehung von Strukturen
Im Jahre 400 000, als das Universum etwa 1/1000. seiner heutigen Größe hatte, war das Volumen, das heute die Milchstraße bildet, etwa 0.5% dichter als die Nachbarregionen.
Nachricht von solchen Dichteunterschieden in der kosmischen Mikrowellenstrahlung: Flecken etwas kühler.
Dieser Flecken expandierte etwas langsamer wegen der Gravitationsanziehung.Folge:Dichteunterschied nahm zu. Nach 15 Mio Jahren (z=100) auf etwa 5%.
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Galaxien-Entwicklung
Blicke indie tiefeVergangenheit
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Grobstrukturen im UniversumFilamente, Wände und Lücken
Typische Lochdurchmesseretwa 25 Mpc.
Homogenität also erst bei Mittelungüber gewaltigeSkalen(<150 Mpc)
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Tatsächliche Grobstrukturen
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Bisherige Ergebnisse
1. Das sichtbare Universum ist wahrscheinlich euklidisch (flach).
2. Es expandiert möglicherweise sogar beschleunigt.
3. Die baryonische Materie macht nur wenige Prozent des Universums aus. Wir kennen wederdie dunkle Materie, noch die dunkle Energie.
4. Strukturen sind vermutlich durch Inflation aus mikroskopisch kleinen Quantenfluktuationen entstanden.
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6. Dominanz der Materie
-Eine weitere für unsere Existenz wichtige Asymmetrie: Im Universum bisher keine Inseln von Antimaterie entdeckt
-Diese Asymmetrie ist nur scheinbar extrem.Tatsächlich gab es 1 Mikrosekunde nach dem Urknall eine minimale Asymmetrie:
Pro (1Mrd + 1) Quarks gab es 1Mrd Antiquarks
Hieraus entwickelte sich die baryonische Materie im Universum.
Rest steckt in Hintergrundstrahlung
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Problem für die TeilchenphysikUrsprünglich gab es gleich viele Teilchen wie
Antiteilchen.(Dies ist beim inflationären Modell sogar notwendig wegen der Verdünnung jeden Überschusses)
Wie entstand aber dann die Asymmetrie?1. Prozesse, welche die Baryonenzahl ändern2. Materie muss sich anders verhalten als Antimaterie Bisher nur zwei Beispiele gefunden:
- Zerfall der K-Mesonen (1964)- Zerfall von B-Mesonen (2001)
Ergebnis bisher: Die beobachte Asymmetrie ist zu gering, die Dominanz der Materie zu erklären.
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Experimente gehen weiter
Urknall-Situation im Labor
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Zusammenfassung
1. Teilchenphysik und Kosmologie weisen hochgradige Symmetrien auf.
2. Jedoch: Symmetriebrechungen in der Frühphase des Universums sorgten für
- Saatgalaxien - Dominanz der Materie.
Ergo:
Ohne Symmetriebrechungen säßen wir nicht hier
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