Das Schicksal des Universums

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1 Das Schicksal des Universums
This is the way the world ends: Not with a bang but with a whimper. T.S. Eliot 1925 So wird die Welt enden: nicht mit einem Knall sondern mit einem Wimmern. Some say the world will end in fire, some say in ice. From what I've tasted of desire I hold with those who favor fire. Robert Frost 1920 Manche sagen, die Welt vergeht im Feuer, manche sagen im Eis. Durch das, was ich von Sehnsucht schmeckte, halt ichs mit denen, die das Feuer vorziehen. Simone Bernhart Max-Planck-Institut für Radioastronomie agn seminar 12-Jan-2006

2 Abriss über Kosmologie
Relativistische Kosmologie basiert auf: dem Kosmologischen Prinzip: das Universum sieht zu jedem Zeitpunkt von jedem Punkt gleich aus dem Weylschen Postulat: Galaxien im Universum sollen sich bewegen wie Elementarteilchen in einer idealen Flüssigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie: Wechselwirkung zwischen Materie und der Raumzeit kosmologisches Prinzip: Universum sieht zu jedem Zeitpunkt von jedem Punkt gleich aus Weylsches Postulat:1923, Galaxien im Universum sollen sich bewegen wie Elementarteilchen in einer idealen Fluessigkeit Allg. Relativitaet: Wechselwirkung zwischen Materie und der Raumzeit Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

3 Abriss über Kosmologie
Friedmann-Gleichungen: Doppler-Effekt Hubble-Parameter: wird gemessen über die Rotverschiebung z = Δλ/λ (λ Wellenlänge) kosmologisch weit entfernter Objekte Friedmann-Gleichungen: entwickelt vom russischen Physiker und Mathematiker Alexander Friedmann, beschreiben theoretisch die möglichen Expansions- und Kontraktionsbewegungen des Universums und folgen aus der allg. Relativität Hubble-Parameter: benannt nach dem us-amerik. Astronomen Edwin Hubble, gibt die Expansionsrate des Universums an Hubble-Konstante H0 ist der heutige Wert heutiger Wert H0 Hubble-Konstante Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

4 Abriss über Kosmologie
Kosmologische Konstante Λ: eingeführt von Einstein, um ein statisches Universum zu beschreiben Gründe für die Existenz von Λ: Hilfreich, wenn die Hubble-Zeit 1/H0 und astrophysikalisch bestimmte Weltalter zu verschiedenen Altern des Kosmos führen. Findet Verwendung in der modernen Quantenfeldtheorie, in der das Vakuum nicht unbedingt ein Zustand mit Energie Null ist, sondern durchaus einen endlichen Erwartungswert haben kann. Diese nichtverschwindende Energiedichte kann man als Eigenschaft der Raumzeit auffassen und somit auch als Komponente einer kosmologischen Konstante. Neuere Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

5 Abriss über Kosmologie
Die experimentelle Bestimmung von Λ erfolgt indirekt über den Bremsparameter. Bremsparameter q0: Rate, mit der die Expansion sich verlangsamt Kritische Dichte ρC: die Materiedichte im Weltall, bei der die Gravitationskräfte die Fluchtgeschwindigkeit gerade so stark abbremsen, dass sich die Geschwindigkeit dem Wert Null nähert, ohne ihn je zu erreichen (entspricht ca. 6 Protonen pro m3) Mittlere Dichte ρ: Dichte der sichtbaren Materie im Universum kosmolog. Dichteparameter: Ω0 = ρ/ρC Mittlere Dichte im Universum: ρ ≈ kg/m3 Kosmol. Dichteparameter: Verhältnis von mittlerer zu kritischer dichte Mittlere Dichte größer als kritische Dichte: Expansion wird zum Stillstand kommen und sich umkehren, omega > 1 – geschlossenes Universum (Kugel), Winkelsumme > 180° Mittlere Dichte kleiner als kritische Dichte: Weltall wird ewig weiterexpandieren, omega < 1 – offenes Universum (Sattel), Winkesumme < 180° Mittlere Dichte = kritische Dichte: omega = 1 – euklidische Fläche, ewige Expansion, euklidische Geometrie, Winkelsumme 180° 1 pc = 31 bio km; 1 pc = 3,26 Lj Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

6 Abriss über Kosmologie
Chronologische Klassifikation der Friedmann-Universen: 1917 Einstein: statisches, geschlossenes Universum, Einführung von Λ 1917 de Sitter: beschleunigte Expansion, flaches, materiefreies Universum, nur mit dynamischem Λ; verletzt das Machsche Gesetz (keine Raumzeit ohne Materie)! 1922 Friedmann: Friedmann-Gleichungen, enthalten sämtliche Universen (auch statischen Einstein-Kosmos); interessantes Modell: oszillierende Universen – abwechselnde Expansion und Kontraktion 1925 Lemaitre: expandierendes Universum; Annahme: zeitl. Zurückverfolgung der Expansion führt zu “Geburt des Raumes” (Nature-Artikel 1931) – “Vater der Urknall-Theorie” Danach folgen viele Verfeinerungen der urspr. Modelle 1981 A. Guth: inflationäres Universum (Phase extrem rascher Expansion unmittelbar nach dem Urknall) Friedmann: negatives lambda, dunkle Energie stoppt expansion und verursacht kontraktion – danach wieder expansion usw.; zu moderne vorstellung für damalige zeit (avantgardistisch) Inflationstheorie, erklärte auf elegante weise mehrere kosmologische probleme: u.a. heute sichtbares universum weist keine messbare raumkrümmung auf – erklärung: die beobachtete flachheit des raumes ist lediglich eine folge seiner ungeheuren ausdehnung, wir sehen nur einen kleinen ausschnitt (kugel mit unendl. großem radius) macht einige interessante Vorhersagen, die durch Beobachtungen bestätigt werden sollten - später Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

7 Beobachtungsergebnisse
1929 Hubble weist nach, dass das Weltall tatsächlich expandiert 1933 Fritz Zwicky: Coma-Haufen (Galaxienhaufen aus über 1000 Galaxien) wird nicht allein durch die Masse seiner sichtbaren Bestandteile (Sterne) zusammengehalten; das 400-fache dieser Masse sei notwendig, damit der Haufen nicht auseinanderfliegt -> Dunkle Materie 1998 finden durch Beobachtung von Typ 1a Supernovae zwei Teams unabhängig voneinander heraus, dass das Universum beschleunigt anstatt abzubremsen (Schmidt-Gruppe am Mount-Stromlo-Observatorium in Australien und Perlmutter-Gruppe der Berkeley-Laboratorien in Californien) Beide Gruppen dachten, sie hätten einen Fehler gemacht: SN sollten in der Vergangenheit eigentlich heller gewesen sein, wenn die Expansion abnimmt, aber sie waren schwächer. Eine Anti-Schwerkraft verursachte das Auseinanderstreben der Galaxien, auch bekannt als Dunkle Energie -> Λ ! Hubble beobachtet anhand der Rotverschiebung (Dopplereffekt), dass der Andromedanebel M31 weit ausserhalb der Milchstrasse liegt sie hatten q gemessen ueber die Entfernung (durch die Helligkeit) und Verlangsamung (aufgrund der Rotverschiebung) der SN; daraus ergibt sich die Expansionsrate fuer die Vergangenheit und jetzt für diese Entdeckung gewannen beide Gruppen den Shaw-Preis für Astronomie 2006, der mit 1mio $ dotiert ist und ihnen im September verliehen wird. Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

8 Beobachtungsergebnisse
Kosmische Mikrowellenstrahlung (CMB): Beleg für die Urknalltheorie, stammt aus der Zeit etwa Jahre nach dem Urknall und lag bei etwa 3000 K; während der weiteren Expansion nimmt die Wellenlänge der Hintergrund-strahlung durch Rotverschiebung zu, sie ist heute als Strahlung messbar, die einer Temperatur von 2,73 K entspricht. Beobachtungen der Fluktuationen in der kosmischen Hintergrund-strahlung u.a. mit COBE (Cosmic Background Explorer) und später mit WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) bestätigten, dass das Universum flach ist und für immer expandiert. WMAP COBE Vorhersage der inflationstheorie: fluktuationen in der kosmischen hintergrundstrahlung, sehr klein ~ K mehrere Instrumente untersuchten die Fluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung: COBE, boomerang (balloon observations), maxima (mm anisotropy exp imaging array) und DASI (Suedpol); man erwartete fuer ein offenes Universum, dass die Flecken in der Hintergrundstrahlung ~ 0.5Grad voneinander entfernt sein muessten, fuer ein geschlossenes Univers. 1.5 Grad und fuer ein flaches 1 Grad man fand ein flaches Universum mit einer Messungenauigkeit von ca. 15% WMAP verbesserte das Ergebnis auf einen Fehler von nur 2% Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

9 Beobachtungsergebnisse
Für ein inflationäres Universum: Expansion des Universums Milliarden Jahre Relative Größe des Universums Dunkle Materie + Dunkle Energie beeinflussen die Expansion des Universums Zeitl. Entwicklung des universums von der zeit jahre nach dem urknall bis heute – erste sterne nach 400 mio. jahren, entwicklung der galaxien und planeten usw. Inflationäres Universum: kurz nach dem Urknall gab es eine extrem schnelle Ausdehnung des Universums Dichteparameter = Anteil Materie (omega M) + Anteil kosmolog. Konst. (omega lambda) Für ein inflationäres Universum ist die Dichte nahe der kritischen Dichte 1, was durch die Beobachtungen bestätigt wurde Dichte setzt sich zusammen aus sichtbarer (ca. 4%) und dunkler materie (ca. 23%) sowie aus dunkler energie (ca. 73%) Charles Lineweaver von der University of New South Wales in Sidney: "Vergleicht man das Universum mit einem Cappuccino, dann ist der Kaffee die seltsame Vakuum-Energie. Die ebenso rätselhafte Dunkle Materie ist die Milch. Und die Planeten, Sterne und Galaxien sind das Schokoladenpulver auf dem Schaum."             agn seminar 12-Jan-2006

10 Drei alternative Szenarien
“Big Crunch” – das Universum kollabiert “Big Freeze/Chill” – stetige immerwährende Expansion “Big Rip” – ewige beschleunigende Expansion Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

11 Bad Muenstereifel 05. Juli 2006
Zeitleiste 13,5 Mrd. Jahre 5 Mrd. Jahre -4 Die entwicklung des unversum innerhalb 1 jahr, 1 sekunde entspricht 500 jahren Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

12 Bad Muenstereifel 05. Juli 2006
Zeitleiste 5x109 Jahre: Sonne bläht sich zum Roten Riesen auf 1017 Jahre: Weisse Zwerge werden ausgekühlt sein zu schwarzen Zwergen 1019 Jahre: Galaxien werden verdampft sein 1020 Jahre: Planeten werden aus ihren Bahnen geschleudert oder in die Sterne gestürzt sein, um die sie kreisen 1023 Jahre: tote Sterne werden aus den Galaxienhaufen verdampft sein – die Haufen zerfallen – die kosmische Hintergrundstrahlung wird abgekühlt sein auf ~10(-13) K Alles außer den schwarzen Löchern wird ionisieren (Ionisation heißt jeder Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen entfernt werden, so dass das Atom oder Molekül als Ion zurückbleibt.) Sonne verschluckt Merkur und Venus Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

13 Bad Muenstereifel 05. Juli 2006
Zeitleiste Schwarze Löcher werden wahrscheinlich aufgrund der sog. Hawking-Strahlung verdampfen – solche mit der Masse der Sonne in ca Jahren und galaktische schwarze Löcher in ungefähr 1099 Jahren. Neutronensterne werden entweder ionisieren oder in schwarze Löcher umgewandelt (“quantentunneln”), die dann verstrahlen. Schließlich wird alle Materie aufgrund des sog. Tunneleffekts in Eisen verwandelt sein, was ungefähr Jahre dauern wird – wahrscheinlich setzt vorher der Protonen-Zerfall ein (1032 Jahre). Falls Schwarze Zwerge oder Planeten nicht ionisieren oder sich durch Protonen-Zerfall auflösen, könnten sie möglicherweise in festes Eisen tunneln – dieses verdampft entweder oder wandelt sich um in ein Schwarzes Loch, das dann verstrahlt innerhalb von Jahren. Die Teilchendichte wird gegen Null gehen – jedes Teilchen wird vom Rest der Welt abgeschnitten sein durch einen sog. kosmologischen Horizont – es wird keine Interaktion mehr möglich sein. Der Protonen-Zerfall beginnt in Jahren Stephen hawking, britischer astrophysiker, ‚Eine kurze Geschichte der Zeit‘, ‚Das Universum in der Nussschale‘, ALS (amyotrophe Lateralsklerose-degenerative nervenerkrankung), seit 1968 im Rollstuhl, seit 1985 auf Sprachcomputer angewiesen bhs werden photonen und andere teilchen emittieren, aber dieser prozess wird schliesslich aufhören Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

14 Kurze Geschichte der Eschatologie
von Jim Holt, 2004 Freeman Dyson, Princeton: “Time Without End” 1979, “ein Universum, das wächst ohne Grenzen in Reichhaltigkeit und Komplexität, ein Universum des Lebens, dass ewig besteht...” – die Menschheit wird einen ‘Winterschlaf’ halten Leben mit Bewusstsein in Form von interstellaren Staub-/Plasmawolken Die Beschleunigung könnte wieder abnehmen, wenn man das Quintessenz-Modell zugrunde legt anstelle des ‘Dunkle Energie’-Szenarios Ed Witten, Princeton: Favorisiert das Quintessenz-Modell, die fortlaufende Expansion ist möglicherweise nur vorübergehend Protonen zerfallen in 1033 Jahren oder so – Auflösung aller Materie Eschatologie gr., die äußersten/letzten Dinge Dyson: englisch-US-amerikanischer Physiker iund Mathematiker, Physik-Prof. in Princeton, im Ruhestand Dyson-Sphäre: Eine Dyson-Sphäre ist ein hypothetisches Konstrukt, das einen Stern im Idealfall vollständig kugelförmig umschließt, um dessen Energie absorbieren oder umlenken und damit optimal nutzen zu können. Dyson: hibernate, humanity could survive, match your metabolism to falling temp., thinking your thoughts ever more slowly and hibernating for longer and longer periods while unimportant information is dumped into the void as waste heat Witten: der wohl führende theoretische Physiker unsere Zeit, String-Theorie Krauss: theoretischer Physiker (Teilchenphysik, Kosmologie, Astrophysik), Autor von ‚Die Physik von Star Trek‘ Lawrence Krauss, Case Western, Cleveland: “Wir scheinen im schlimmsten aller möglichen Universen zu leben.” Leben ist dem Untergang geweiht – in jedem Fall Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

15 ...Eschatologie Frank Tipler, Tulane University, New Orleans:
1994 "Die Physik der Unsterblichkeit - Moderne Kosmologie, Gott und die Auferstehung der Toten", der ‘Big Crunch’ als glücklichstes aller Enden Am Ende des Universums kumuliert alles virtuell oder materiell Existierende im Punkt Omega und bildet die Gottheit in diesem […] unendlichen Moment, weil dort die Information vollkommen ist - es entsteht durch unendliche Information der vollendete Gott in der Ewigkeit. Theologie als Teilgebiet der Physik Michio Kaku, City College in New York: “Rettungsboot”-Szenario: ein “Wurmloch” öffnen, durch das wir in ein neues Universum entkommen können; benötigt eine vereinheitlichte Theorie der Physik, um das Wurmloch zu stabilisieren Die menschliche Entwicklung mag 100,000 Jahre dauern, aber es ist immer noch genug Zeit übrig Tipler: Prof. der mathematischen Physik, in der Fachwelt stoßen Tiplers Dartstellungen auf zum Teil heftige und - mit Ausnahmen - einhellige Kritik. Kritisiert wird vor allem, dass sein Szenario auf einer Vielzahl von unrealistischen Annahmen beruht von denen jede so hochspekulativ ist, dass man sie einzeln ins Reich der Phantasie verbannen müsse. Zudem wird der teleologische und weltanschaulich/religiöse Charakter als unwissenschaftlich kritisiert. Kaku: theoretischer Physiker, Stringtheorie, hat zahlreiche populärwissenschaftliche Bücher veröffentlicht (u.a. Im Paralleluniversum), von denen nur sehr wenige in Deutschland erschienen sind Gott: Astrophysiker, "Zeitreisen in Einsteins Universum“, Zeitreisen im Prinzip möglich, zumindest in die Zukunft, J. Richard Gott III, Princeton: Kopernikanisches Prinzip: ‘Wir sind nichts besonderes (Erde nicht Mittelpunkt des Universums)' Die Menschheit wird mit 95% Wahrscheinlichkeit zwischen 5100 und 7,8 Millionen Jahren aussterben agn seminar 12-Jan-2006

16 Bad Muenstereifel 05. Juli 2006
Ein Ende mit Schrecken... Heutige Annahme: das Universum befindet sich in einem wirklichen Vakuum, d.h., das Vakuum im All befindet sich im Zustand niedrigster Energie (Grundzustand) Sidney Coleman und Frank De Luccia, "Gravitational Effects on and of Vacuum Decay" (etwa: "Die Wirkungen, die von der Gravitation auf den Zerfall des Vakuums ausgeübt werden") 1980: was, wenn sich das heutige Vakuum nicht im Grundzustand befindet, sondern in einem langlebigen metastabilen Zustand, der eines Tages zerfällt (wie z.B. ein Urankern)? Der Vakuum-Zerfall könnte an einem zufälligen Ort im Raum beginnen mit einer kleinen Blase echten Vakuums, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, dabei immer größere Gebiete falschen Vakuums absorbiert und in echtes Vakuum umwandelt, wobei alles auf ihrem Weg vernichtet wird. Andererseits: Umkehrung dieses Phänomens als Rettung für unser Universums 3 minutes of lead time before we on earth realize the existence of such a bubble led to intensive discussions among the physicists Martin Rees (Cambridge-Prof. für Kosmologie und Astrophysik) und Piet Hut (Princeton-Prof. für Astrophysik) entwickelten die Theorie, dass Teilchenbeschleuniger unabsichtlich eine solche Blasé kreieren könnten.... Blase falschen Vakuums als „Kind“-Universums, dass sich aufblähen und damit sehr rasch in einem Urknall zu einem großen Universum ausdehnen würde, Vorstellung eines Gummituchs, das an einer Stelle eine Blase bildet, die sich ausdehnt. Dieser Ballon bildet eine Art Kind-Universum, das durch etwas wie eine Nabelschnur oder ein "Wurmloch" mit dem Mutter-Universum verbunden ist. Vom Mutter-Universum aus wirkt die Öffnung des Wurmlochs wie ein schwarzes Loch. Diese Anordnung ist instabil, das schwarze Loch verdampft rasch unter der Einwirkung des Hawking-Effekts und verschwindet vollständig aus dem Mutter-Universum. Als Ergebnis wird das Wurmloch abgezwickt, und aus dem nunmehr vom Mutter-Universum getrennten Kind-Universum wird ein neues, unabhängiges und eigenständiges Universum. Dieses Modell legt die Schlußfolgerung nahe, daß unser eigenes Universum auf die beschriebene Weise als Nachkömmling eines anderen Universums entstanden ist. Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 agn seminar 12-Jan-2006

17 oder doch eher ein Schrecken ohne Ende ...?
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