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KZO Wetzikon GUT, Inflation, erste Teilchen Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold.

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Präsentation zum Thema: "KZO Wetzikon GUT, Inflation, erste Teilchen Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold."—  Präsentation transkript:

1 KZO Wetzikon GUT, Inflation, erste Teilchen Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold

2 Folie Nr. 2 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Zeitliche Entwicklung des Kosmos Zeit Raum GUT s 10 9 y Protogalaxien, erste Sterne 3 min. Nukleosynthese s Baryonenerzeugung p, n erzeugt s Entkopplung von Strahlung und Materie y 5 · 10 9 y Galaxien

3 Folie Nr. 3 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Vorbemerkung: Quantenvakuum Fragestellung: «Wurde das Universum aus dem Nichts geschaffen?» => Untersuchung des «Nichts»: Vakuum. Quantenmechanik: Heisenbergsche Unschärferelation (man kann nicht gleich- zeitig Impuls p und Ort x eines Teilchens genau messen, Unschärfe h ist die Plancksche Konstante). x · p h x p x p h

4 Folie Nr. 4 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Vorbemerkung: Quantenvakuum |2 Paul Adrien Maurice Dirac ( ) rechnet eine Gleichung aus, die als Lösungen negative Energien für Elektronen zulässt! Vorstellung: Es existieren negative Energieniveaus, welche immer vollständig mit e – besetzt sind (dann kann nach dem Pauli-Prinzip kein e – mit E > 0 in diesen Zustand kommen). Auch das Vakuum könnte nach dieser Vorstellung mit lauter e – mit negativen Energien besetzt sein. Diesen Zustand nennt man Dirac-Quantenvakuum. Es gibt Experimente mit Hinweis auf dessen Existenz (z.B. Casimir- Effekt).

5 Folie Nr. 5 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Vorbemerkung: Quantenvakuum |3 Damit haben wir einen Mechanismus zur Teilchenerzeugung «aus dem Nichts», falls es Strahlung im Universum gibt: Ein Photon fällt ins Quantenvakuum ein und hebt ein e– mit E 0: Es entsteht ein Elektron-Positron-Teilchenpaar. E > 0 E < 0 e+e+ e–e–

6 Folie Nr. 6 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Vorbemerkung: Paarerzeugung Die Elektron-Positron-Paarerzeugung auf der letzten Folie benötigt Strahlung mit der Energie von ungefähr 1 MeV (da Masse eines Elektrons bzw. eines Positrons etwa 0,5 MeV ist). Die Temperaturen im frühen Universum waren T >> 1 MeV, es gab genügend Energie auch für viel schwerere Teilchen.

7 Folie Nr. 7 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Aus dem Gleichsetzen von kinetischer und potentieller Energie im Falle eines Photons, welches einem schwarzen Loch entfliehen will, erhält man: Und daraus mit v = c: Vorbemerkung: Schwarze Löcher m v 2 = G c 2 = 2 G R = 2 G Schwarzschild- Radius 1 2 M m R M R M c2c2

8 Folie Nr. 8 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Vorbemerkung: Planck-Skala Aus und folgt, mit R = x Die Physik beginnt also erst s nach dem Urknall! t PL nennt man die Planck-Zeit. x · p h M := m PL = g R := l PL cm t PL := s R = 2 G M c2c2 h c 2 G l PL c

9 Folie Nr. 9 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Die Zeit s bis s: GUT Die Physik beginnt also s nach dem Urknall, danach ist das Universum mit physikalischen Theorien beschreibbar. Die erste Epoche nennt an die «Grosse Vereinheitlichung», welche mit der «Grand Unified Theory» (GUT) behandelbar ist. Bei den hohen Energien von E GeV sind alle Fundamentalkräfte gleich stark bis auf die Gravitation (vgl. nächste Folie).

10 Folie Nr. 10 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Vereinigung der Wechselwirkungen Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung Grand Unified Theory (GUT) Theory of Everything (TOE) niedrige Energie hohe Energie E/GeV Bei genügend hohen Energien vereinigen sich die fundamentalen Wechselwirkungen.

11 Folie Nr. 11 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Grund für Vereinigung der WW Weshalb sind alle Wechselwirkungen ab einer gewissen Energie gleich stark? Stellen uns Dirac-Quantenvakuum vor und darin ein Proton. Die virtuellen Elektronen mit negativen Energiezuständen lagern sich an das Proton an in einer Wolke. Bei hohen Energien kommt jedes geladene Teilchen einfach in die Wolke hinein aufgrund seiner hohen kinetischen Energie. Je näher ein geladenes Teilchen jedoch in die Wolke hineinkommt, desto stärker ist die elektromagnetische Kraft, die es verspürt. Die elektromagnetische Kraft wird also bei hohen Energien stärker. Die Argumente für die anderen Wechselwirkungen laufen ähnlich. Bei Quarks passiert genau das Gegenteil (schwache/starke Wechselwirkung). p+p –

12 Folie Nr. 12 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Die Zeit s bis s: Inflation Viele Gründe sprechen dafür, dass das Universum zu dieser frühen Zeit enorm aufgebläht werden musste (Ausdehnung des Raumes schneller als c!): Horizontproblem (nächste Folie) Problem der ursprünglichen Grösse beim Zurückrechnen (übernächste Folie)

13 Folie Nr. 13 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Inflation: Horizontproblem Die violetten Linien bilden den «Horizont». Das Gebiet innerhalb des Horizonts wird gerade noch erreicht vom Licht im sich ausdehnenden Universum. Die gelben Linien sind Lichtstrahlen, welche das grösste Gebiet andeuten, welches wir beim Mikrowellenhintergrund beobachten können. Gebiete, welche mit einem ? markiert sind, liegen ausserhalb des violetten Horizonts, aber innerhalb der beobachteten Hintergrundstrahlung. Die ? Gebiete konnten also niemals miteinander in Kontakt stehen – weshalb kommt dann davon eine homogene Mikrowellenstrahlung? Lösung des Problems: Inflation (blaue Linie). Das Universum dehnte sich am Anfang sehr stark aus. ? ? CMB = Cosmic Background

14 Folie Nr. 14 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Inflation: Rasche Ausdehnung

15 Folie Nr. 15 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Inflation: Raumverhältnisse beobacht- bares Universum Reales Universum Durchmesser 1 mm (von heute zurückgerechnet) Durchmesser 3 · cm (= c · s) Ohne Inflation ist das Universumexakt so gross, wie wir es sehen – aber zur Zeit t = s zu gross! Mit Inflation ist das Universum grösser als wir es heute sehen, aber zur Zeit t = s genau so gross, wie es realistisch sein konnte.

16 Folie Nr. 16 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Inflation: Flachheitsproblem Die Inflation kann auch einen Teil der Frage klären, warum das Universum heute so «flach» ausschaut: Der Raum wurde so stark aufgebläht, dass er lokal flach aussieht, während er global eine andere Geometrie haben kann.

17 Folie Nr. 17 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Entstehung der ersten Teilchen Den Mechanismus zur Erzeugung liefert die Paarerzeugung (Diskutiert beim Quanten- vakuum). Waren die nötigen Energien vorhanden? Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung haben heute 3 · eV. Das Universum ist sicher um einen Faktor gewachsen => 3 · eV · = 3 · 10 6 eV = 3 MeV (Masse e – = 0,511 MeV, Masse p Masse n 940 MeV, es konnten also Elektron-Positron-Paare entstehen, aber keine schwereren Teilchen – p und n sind erst nach 3 Minuten entstanden)

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19 Folie Nr. 19 Astronomie. GUT, Inflation, Erste Teilchen. Kosmologie ist schön.


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