Der Urknall Beleg für die Urknalltheorie Der Urknall Der Urknall war der Beginn von allem, also Materie, Energie, Raum, Zeit und den Naturgesetzen. Eine physikalische Beschreibung ist daher absolut unmöglich. Planck-Zeit (t = 10-43 s; T = 1023 K) Die Planck-Zeit beschreibt den Zeitraum zwischen 0 s bis 10-43 s. Über diesen Zeitraum liefert die Quantenphysik keine Beschreibungen, da die Zeit für Zeiten kleiner als die Planck-Zeit ihre Kontinuität verliert. Das gleich gilt für Räume kleiner als 10-35 m. Demnach hatte die Planck-Zeit keine Dauer. Trotzdem wird davon ausgegangen, dass die vier Grundkräfte (Gravitation, Elektromagnetische, schwach und starke Wechselwirkung) der Natur vereint vorlagen. Wann genau sich die Gravitation von den anderen Kräfte (GUT-Kräften) abspaltete ist momentan nicht bekannt - vermutlich jedoch kurz nach dem Urknall. Inflationäre Universum (t = 10-36 s; T = 1027 K) In dieser Phase spaltete sich die starke Wechselwirkung von der GUT-Kräft ab. Vermutlich ist die dabei frei werdende Energie die Ursache der überlichtschnelle Ausdehnung des Raum. Dies steht nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, da diese überlichtschnelle Bewegungen im Raum und nicht des Raumes verbietet. Das junge Universum expandierte von einer Größe kleiner als ein Proton um den Faktor 1050 auf einen Radius von ca. 10cm. Logarithmische Darstellung der Expansion des Universums Beleg für die Urknalltheorie Topophase (t = 10-15 s; T = 1025 K) Ein kurzzeitiger Temperaturanstieg machte es möglich, dass aus der Strahlung schwere Teilchen entstehen konnten, welche jedoch gleich wieder zerfielen. Die Rotverschiebung Die Rotverschiebung bei elektromagnetischen Wellen tritt u.a. bei einer Relativbewegung des Sender gegenüber dem Empfängers auf. Da sich das Universum und mit ihm die Raum-Zeit stetig beschleunigt ausdehnt, wird der Lichtweg gestreckt und somit die Frequenz verkleinert, damit ist das Licht ins rote verschoben. Rechnet man diese Expansion zurück ergibt sich, dass vor ca. 15 Mrd. Jahren alles auf einen Punkt konzentriert war. Illustration der Rotverschiebung der Spektralinien für einen weit entfernten Supergalaxienhaufen (BAS11) rechts im Vergleich zur Sonne links. Quark-Ära (t = 10-33 s; T = 1025 K) Das Universum war nun soweit abgekühlt, dass sich Quarks und Antiquarks bildeten. Jedoch war die Temperatur noch zu hoch, dass sich Nukleonen bilden konnten. Statt dessen bildete sich Quark-Gluonen-Plasma, Protonen und Neutronen bestehen aus jeweils drei Quarks. Protonen bestehen z.B. aus zwei Up Quarks und einem Down Quark. Die Grundkräfte (t = 10-12 s; T = 1016 K) Die Elektroschwache Kraft spaltete sich in die schwache und die elektromagnetische Kraft auf. Damit war der Zerfall der Urkraft in die vier bekannten Grundkräfte beendet. Hadronen-Ära(t = 10-6 s; T = 1013 K) Durch die gesunkene Temperatur war es den Quarks möglich sich zu schwereren Teilchen zu verbinden, den so genannten Hadronen. Von diesen waren Neutronen und Protonen stabil, welche sich ständig in einander umwandelten und dabei Neutrinos emittierten. Spiralförmige Flugbahn eines Elektrons und Positrons Ende der Leptonen-Ära(t = 100 s; T = 1010 K) Auf Grund der weiteren Abkühlung vernichten sich auch die letzten Leptonen-Paare. Auch hier kommt es zu einem Überschuss von „normalen“ Elektronen. Beginn der Leptonen-Ära(t = 10-4 s; T = 1012 K) Protonen und Neutronen kollidierten größtenteils mit ihren Antiteilchen und vernichteten sich damit gegenseitig. Ein Milliardstel an Protonen „überlebte“ jedoch und stellt damit die heutige Materie. Die geringe Temperatur ermöglichte lediglich die Bildung von Leptonen-Paaren wie Elektron und Positron. Auch bei diesem Leptonen-Paar bildete sich ein Überschuss zugunsten der „normalen“ Materie. Die Entstehung der Sterne (t= 1016 s; T = 100 K) Während der Inflation kam vermehrt es zu Quantenfluktuationen, dadurch kam es zu einer nicht gleichmäßigen Dichteverteilung. Unter dem Einfluss der Gravitation verdichtet sich die Materie an diesen Punkten. Somit bildeten sich die ersten Sterne und Galaxien. Diese hatten eine vergleichsweise geringe Lebenserwartung. Durch Supernovae wurden schwere Elemente in den Raum geschleudert und bildeten damit die Grundlage für Sonnensystem. Dieser Sternenstaub formten auch unseren Planeten . Gegenseitige Auslöschung eines Positrons und Elektrons unter Energiefreisetzung Nukleosynthese (t= 101 s; T = 109 K) In dem Zeitraum von 10 Sekunden bis 5 Minuten nachdem Urknall vereinigten sich Protonen und Neutronen mit Hilfe der Kernfusion zu den ersten Atomkernen. Es bildete sich 25% Helium-4, Spuren von Deuterium,Tritium, Helium-3, Lithium, Beryllium und 75% Wasserstoffkerne.(Protonen). Schematische Darstellung eines Heliumkerns Darstellung unserer Sonne und der Milchstraße Grafische Darstellung des Urknalls Die kosmische Hintergrundstrahlung (t= 1013 s; T = 103 K) Kosmischen Hintergrundstrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich welche fast gleichmäßig aus allen Richtungen kommt. Der Schmiereffekt ist dabei kleiner als 0,001%. Die Hintergrundstrahlung entstand ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall. Indem sich die ersten Atome bildeten, hatten die Photonen keinen Streupartner (Elektronen) mehr, damit waren sie entkoppelt und bildeten elektromagnetische Strahlung. Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung aufgenommen durch den Satelliten COBE (Mission: 1989-1993) © Sven Osterland