Anmerkungen zum physikbuch

ALBERT EINSTEIN br /
Am Anfang der modernen Kosmologie stand Albert Einstein. Seine Theorien erlaubten den Wissenschaftlern erstmals, Hypothesen über die Entstehung und den Untergang des Kosmos mathematisch exakt zu formulieren. In der Theorie, d. h. nach Einsteins Formeln, kann es kein in sich ruhendes Universum geben. Genauso wie ein Gas seine Form verändert, wenn man die Ballonhülle entfernt, müssen sich auch die Sterne und Galaxien bewegen -aufeinander zu oder voneinander weg. Es brauche keine geheimnisvollen Schwerkräfte, um die Massen im Raum zusammenzuziehen, sondern, so meinte Einstein, das Vorhandensein von Masse oder anderen Energieformen im Raum könne seine Geometrie verzerren.
An dem Erfolg, den die Einsteinsche Gravitationstheorie hatte, als sie die Expansion des Weltalls vorhersagte, ist besonders bemerkenswert, dass die Einsteinschen Gleichungen das Verhalten des Weltalls insgesamt und nicht nur das von einzelnen seiner Teile beschreiben.
Wenn wir wüssten, wie viel Materie das Weltall enthält und wie sie sich bewegt, könnten diese Gleichungen zumindest theoretisch an jedem Ort und zu jeder Zeit die Geometrie des Raumes und den Verlauf der Zeit festlegen.
Praktisch können wir die Anordnung der Materie des Weltalls nicht so bestimmen, und selbst wenn wir es könnten, wäre die Lösung der Einsteinschen Gleichungen für uns oder auch für die besten unserer heutigen Computer viel zu schwierig.
Die Fähigkeit der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie, das Verhalten des Weltalls im Ganzen zu beschreiben und vorherzusagen, führt zu einem interessanten Dilemma: Sie beschreibt ebenso andere Welten!! Einsteins Gleichungen haben viele Lösungen und jede beschreibt eine andere Welt. Einige Welten sind extrem unregelmäßig, manche drehen sich oder ziehen sich sogar zusammen, statt sich auszudehnen, andere dehnen sich in jede Richtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus oder sind überhaupt statisch. Diese Überfülle möglicher Welten zeigt, dass Einsteins Theorie noch nicht alles sein kann. Es gibt (nach Definition - da wir nur diese Welt kennen) nur EIN Weltall und nur EINE Lösung der Einsteinschen Gleichungen. Warum gibt es so viele überflüssige Lösungen, die andere hypothetische Welten beschreiben?
Es fehlt uns einfach das Prinzip, die Spreu vom Weizen zu trennen.

Einstein formulierte zwei verschiedene Relativitätstheorien: die spezielle und die allgemeine. Beide sind vom selben Grundprinzip abgeleitet, dem Prinzip der Relativität. Der Grundgedanke ist, etwas salopp formuliert, dass für alle Beobachter im Kosmos die gleichen Naturgesetze gelten, egal wie schnell sie sich relativ zueinander bewegen.
Nach der ART ist das Phänomen der Gravitation eine Folge der Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums und somit heute die Grundlage aller diskutierten Ideen über die Struktur des Universums.
Nach Einsteins Überlegung entspricht dem Gravitationsfeld eine Krümmung der Raumzeit. Die Teilchen versuchen in einem gekrümmten Raum der größten Annäherung an einen geraden Weg zu folgen. Aber da die Raumzeit nicht flach ist, erscheinen ihre Wege gekrümmt, als seien sie dem Einfluss eines Gravitationsfeldes unterworfen.
Dies unterscheidet sich wesentlich von den Newtonschen Gesetzen, die abhängig sind vom Beobachter, bzw. von der Geschwindigkeit des Beobachters.
Die ART und nicht Newtons Gesetz sagt die Bewegungen der Planeten um die Sonne richtig voraus.

Bevor Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie formuliert hatte, herrschte die vorgefasste Meinung, alle Himmelsbewegungen spielten sich vor einem absolut festen Hintergrund ab. Einsteins Bild einer dynamischen Raum-Zeit warf genau diese Vorstellung über Bord.
Der russische Meteorologe und Mathematiker Alexander Friedmann leitete 1922 aus dieser Theorie her, dass die ganze Welt - alles was es gibt - sich fortwährend verändere.



EDWIN HUBBLE


Sieben Jahre später, 1929, bestätigte der amerikanische Astronom Edwin Hubble diese Vorhersage durch seine Entdeckung der sogenannten "Rotverschiebung". Die Wellenlänge des Lichts, das uns von Sternen ferner Galaxien erreicht, ist immer um einen Betrag, der direkt proportional ist zur Entfernung der aussendenden Galaxie, zum roten Ende des Farbspektrums hin verschoben. Je weiter die Galaxie entfernt ist, umso größer die Rotverschiebung. Diese Verschiebung lässt sich einfach als " Doppler Effekt" erklären, der durch das Zurückweichen entfernter Galaxien verursacht wird.
Hubble erschloss zunächst die Entfernungen ferner Galaxien aus der Helligkeit und zeichnete sie dann im Verhältnis zu den Rezessionsgeschwindigkeiten auf, die sich aus der Rotverschiebung ergaben, wenn diese als Dopplereffekt verstanden wird.
Die von Hubble gefundene und von Einstein beschriebene Ausdehnung der gekrümmten Raumzeit ist eine Ausdehnung des Raumes selbst und nicht eine in den Raum hinein. Sie hat keine Mitte, keinen Rand und kein Jenseits, in das hinein sich das Weltall ausdehnt.

Vorstellungsmodell: Darstellung der Welt durch die gekrümmte Oberfläche eines Luftballons:
eine zweidimensionale Welt - endlich ausgedehnt, aber unbegrenzt ( O=4 mal dem Quadrat des Radius der Kugel). Wenn wir uns auf der Ballonfläche bewegen, kommen wir nie an einen Rand.
Malt man auf den Ballon, in gleichbleibendem Abstand, viele Punkte, so dehnt sich dieses zweidimensionale Weltall in dem Sinne aus, dass jeder Punkt auf dem Ballon sich während des Aufblasens von jedem anderen entfernt. Als Beobachter auf einem dieser Punkte würden alle anderen Punkte vor uns zurückweichen, ganz gleich von welchem Punkt aus wir beobachten. Diese Situation kommt dadurch zustande, dass der Mittelpunkt der Ausdehnung selbst nicht auf der Oberfläche des Ballons liegt.



Kosmologisches Prinzip:
Der Kosmos hat für jeden beliebigen Beobachter des Alls dieselbe Struktur:
Jeder Beobachter scheint im Mittelpunkt der kosmischen Expansion zu stehen!!!!!!

Die Ausdehnung der Welt kann entweder immer weitergehen, der Ballon wird also immer größer, oder sie kann langsamer werden, dann zieht sie sich wieder zusammen.

Die Entdeckung der Rotverschiebung der anderen Galaxien war eines der profundesten Ergebnisse, zu denen die astronomische Beobachtung je geführt hat. Sie trug in sich den Keim unseres modernen Bildes eines sich entwickelnden, expandierenden Universums - des Urknallmodells.



Zur Hubble Konstante:
Man erwartet, dass die Galaxienflucht sich im Laufe der Zeit verlangsamt. Die Fluchtgeschwindigkeiten der Galaxien werden vom Hubble - Parameter beschrieben. Daraus folgt, dass der Hubble - Parameter im Laufe der Zeit abnehmen muss. Früher muss er größer gewesen sein als heute. Er ist also KEINE unveränderliche Größe, sondern hängt von der Zeit ab, die seit dem Urknall verstrichen ist. Aus diesem Grunde ist es korrekter, vom Hubble - Parameter als von der Hubble - Konstante zu sprechen.
Der heute allgemein akzeptierte Wert liegt zwischen 50 und 75 km/s pro Megaparsec Entfernung (1Parsec(pc)=3,26 Lj.) behaftet mit einem Unsicherheitsfaktor von + bzw. 30%.
(Die meisten Astronomen bevorzugen den niedrigeren Wert von 15 km/ sec. je Million Lichtjahre.)



FRIEDMANNS UNIVERSUM

Um 1920 untersuchte der russische Mathematiker Alexander Friedmann die Struktur einfacher "krummer" Räume, indem er Einsteins Theorie benutzte.
Friedmann unterschied zwei verschiedene Fälle:
Im ersten Fall bläht sich das Universum langsam auf, erreicht schließlich eine bestimmte Größe und zieht sich anschließend wieder zusammen wie ein Luftballon, den man aufbläst, bis er seine maximale Größe erreicht hat, und aus dem man dann die Luft wieder herauslässt. Dieser Fall liegt vor, wenn die Dichte der Materie im Universum größer ist als ein bestimmter kritischer Wert, der von der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums, also vom Hubble - Parameter abhängt.
Das Universum ist demnach endlich groß, aber unbegrenzt. Man spricht von einem geschlossenen Weltall.
Ist die Dichte der Materie geringer als der erwähnte kritische Wert, so hat die Expansion des Universums kein Ende. Die Abstände in diesem Universum werden ständig größer. Die Galaxien eilen voneinander weg, und zwar für immer. Eine Umkehr der Expansion ist nach dieser Theorie nicht möglich. Man spricht von einem offenen Universum.
Bei beiden Modellen gibt es einen Anfang, einen Zeitpunkt, an dem die Expansion des Raumes begann.

GEORG GAMOV
Der vielseitige Gelehrte, einst ein Student Friedmanns, machte 1948 die Idee populär, das Fliehen der Galaxien könnte man mit einer Urexplosion erklären. Kritiker Gamovs nannten seine These ironisch " Big Bang ". Bei uns lautet es vornehmer " Urknall ".


HINTERGRUNDSTRAHLUNG
Physikbuch!
ISOTROPIE UND HOMOGENITÄT DER HINTERGRUNDSTRAHLUNG
Physikbuch

Anmerkung:
Die Photonen der kosmischen Radiostrahlung haben nur die Energie von 0,00002eV, während die Photonen des sichtbaren Lichtes Energien im Bereich von einigen Elektronenvolt haben.

URKNALL/ INFLATIONSMODELL

Ablauf im Physikbuch
Anmerkungen:
Planckzeit: Aus grundsätzlichen quantenmechanischen Überlegungen macht es keinen Sinn, Zeitintervalle kürzer als 1043 beim Ablauf des Urknalls zu unterscheiden. Als Planck-Ära wird die Zeit vor 1043 Sekunden nach dem Urknall bezeichnet, obwohl bei so kurzen Zeitintervallen die Begriffe vorher und nachher bedeutungslos werden. Auch wird die Anzahl der Dimensionen unbestimmt. Man kann sich als Nicht-Theoretiker vielleicht vorstellen, dass die Planck-Ära eine Art Schwebezustand zwischen Sein und Nichtsein des Weltraums war.


DIE FRAGE NACH DER ANTIMATERIE
Physikbuch

Anmerkungen:

Antimaterie ist aus den Antiteilchen der Nukleonen (Antiprotonen, Antineutronen) und aus Positronen zusammengesetzt.
Das Antiproton hat die gleiche Masse wie das Proton, nur eine negative elektrische Ladung. Es wurde 1955 unter Zuhilfenahme von Teilchenbeschleunigern entdeckt.
Antiprotonen und Antineutronen bestehen aus den entsprechenden Antiquarks.

Antiproton:(ūūđ)
Antineutron: (ūđđ)
Quarks: "Three Quarks for Muster Mark" (James Joyce - Finnegans Wake)
Quarks sind die Konstituenten der Nukleonen. Bislang hat man die Existenz von fünf verschiedenen Typen der Quarks etabliert (u, d, s, c, b). Man nimmt an, dass es nicht möglich ist, die Quarks als isolierte Teilchen zu erzeugen.

Antiteilchen: Jedes Teilchen besitzt ein Antiteilchen, welches die gleiche Masse und den gleichen Spin hat, dessen Ladung, Baryonenzahl usw. jedoch das umgekehrte Vorzeichen.
z.B.: Das Antiteilchen des Elektrons ist das Positron (e+).
Baryonenzahl: Alle Baryonen sind instabil, mit Ausnahme des Protons, und alle Baryonen zerfallen so, dass am Ende ein Proton übrigbleibt., neben anderen nicht stark wechselwirkenden Teilchen, wie den Elektronen.
Dies ist die Konsequenz eines wichtigen Erhaltungsgesetzes, nämlich des Gesetzes von der Erhaltung der Baryonenzahl. Dieses Gesetz besagt, dass die Anzahl der Baryonen minus der Anzahl der Antibaryonen in jedem physikalischen Prozess erhalten ist. Schießt man zum Beispiel zwei Protonen aufeinander, wie dies in den Hochenergiephysiklabors geschieht, so ist die Anzahl der Baryonen am Anfang zwei. Also muss die Baryonenzahl am Ende ebenfalls zwei sein.
Die Erhaltung der Baryonenzahl erzwingt also die Stabilität des Protons.


Manche neutralen Teilchen sind mit ihrem eigenen Antiteilchen identisch, zum Beispiel das Photon.

Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen sich nähern, kommt es zur Explosion - beide Teilchen "zerstrahlen" in reine Energie. E=mc2
Prallen ein Elektron und ein Positron aufeinander, so verschwinden beide Teilchen und an ihrer Stelle verlassen zwei Photonen mit Lichtgeschwindigkeit den Ort des Geschehens. Die Energie der beiden Photonen ist gleich der Energie, die man den Massen der beiden Teilchen, Elektron und Positron, zuordnet.

Materie hat sich in Licht verwandelt.
Allerdings haben die Photonen, die bei der Elektron-Positron-Vernichtung erzeugt werden, eine viel höhere Energie als die Photonen des sichtbaren Lichts. (Gammastrahlen)
Treffen zwei Photonen aufeinander, können sie sich plötzlich in ein Elektron-Positron - Paar verwandeln.

Man kann das Antiproton, Antineutron und das Positron benutzen, um Antimaterie herzustellen. Antimaterie verhält sich ebenso wie Materie. Bringt man sie jedoch miteinander in Berührung, so bricht ein Inferno aus. Sie vernichten einander und eine enorme Menge Gammastrahlen wird frei.
Es gibt keine Anzeichen dafür, dass es in unserem Sonnensystem größere Ansammlungen von Antimaterie gibt.
Man kann jedoch nicht ausschließen, dass es irgendwo im Weltall Galaxien gibt, die ganz aus Antimaterie bestehen.


DIE FRAGE NACH DER ENTSTEHUNG DER GALAXIEN
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Anmerkung: LEERRÄUME

Leerräume sind genau das, was der Name nahe legt: große Regionen (manchmal bis zu 250 Millionen Lichtjahre im Durchmesser) des Weltraums, in denen es entweder gar keine oder nur sehr wenige Galaxien gibt. Verblüffend scheint aber nicht die Existenz dieser Leerräume zu sein, sondern die Tatsache, dass sie bis 1981, als der erste Leeraum in der Konstellation Bootes (Bärenhüter) entdeckt wurde, den Beobachtungen der Astronomen entgangen waren. Wie war dies möglich?
Die Antwort hat damit zu tun, wie das Universum beobachtet wird. Wenn man mit Hilfe eines Teleskops eine Aufnahme des Nachthimmels macht, so erhält man ein zweidimensionales Bild. Die Ebenen zweier sich hintereinander befindlicher Galaxien würden in der Projektion aufeinander fallen und man sähe nur ein einziges, gleichmäßiges Lichtphänomen auf dem Foto. Es gäbe keinen wie auch immer gearteten Hinweis auf einen Abstand zwischen den beiden Ebenen.
Also benötigt man ein dreidimensionales Bild, doch dieses herzustellen ist eine höchst komplizierte Angelegenheit: Man muss jede einzelne der Hundert oder Tausend Galaxien, die in unserem Blickfeld liegen, betrachten, genügend Licht von jeder Galaxie sammeln, um ihre Rotverschiebung präzise bestimmen zu können und dann alle Beobachtungsdaten mit Hilfe des Computers auswerten. Erst dann liegt ein endgültiges Bild vor. Man nennt dies "Rotverschiebungsdurchmusterung", wobei diese Datenzusammenfassung monate-, oft jahrelange Arbeit erfordert.

DIE FRAGE NACH DER MASSE
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Anmerkung: kritische Dichte
Die Gesamtmenge der Materie im Universum wird gewöhnlich relativ zu einer Größe angegeben, die man kritische Dichte nennt. Das ist die Massendichte, die zu einem flachen Universum führt.
Flaches Universum: Die Masse des Universums könnte exakt so groß sein, dass die Gravitation ausreicht, um die entferntesten Objekte zu verlangsamen und schließlich, nach unendlich langer Zeit, zum Stillstand bringen. In diesem Fall wird sich die Expansion ständig verlangsamen und in unendlich ferner Zukunft einmal aufhören, sich jedoch niemals umkehren.

Die kritische Dichte ist nicht sehr groß. Sie entspricht etwa einem Proton pro Kubikmeter Raumvolumen. Dies scheint wenig zu sein angesichts der vielen Atome in einem Kubikmeter Erde, doch muss man berücksichtigen, dass es im Weltall ungeheuer viel leeren Raum zwischen den Galaxien gibt.
Obwohl die Dichte der leuchtenden Materie nur ca. 1-2 Prozent der kritischen Dichte beträgt, fingen die Astronomen an, über eine "fehlende Masse" zu diskutieren, worunter sie Materie verstanden, die den Unterschied zwischen der beobachteten und der kritischen Dichte ausgleicht.
Die Entdeckung der Dunklen Materie in Galaxienhaufen ist noch zu neu, um unter Astronomen Einstimmigkeit darüber herrschen zu lassen, wie viel ihr Beitrag zur Gesamtmasse ausmacht. Trotz Hinzufügen dieser Dunklen Materie dürfte die Gesamtmasse des Universums noch immer nicht mehr als 30 Prozent des kritischen Wertes betragen.
Ob der bisher bekannte Wert dieser Masse im Laufe der Zeit bis zum kritischen Wert ansteigen wird, ist fraglich.
Ich zitiere hier Stephen Hawking, dem ein Kollege erzählte, nun sei endgültig alle Dunkle Materie gefunden worden:
"Vor zwanzig Jahren hattet ihr zwei Prozent. Heute habt ihr dreißig Prozent. Geht lieber raus und schaut noch einmal nach!"