D E R U
R K N A L L
Kurzbeschreibung
und Literatur-Verweis
Dipl.-Physiker
Dietmar Michalke
Die
Urknalltheorie sagt aus, dass die gesamte Materie und Energie des
Universums von einer einzigen Explosion herrühren. Am Anfang war dieses
entstehende Universum praktisch in einem Punkt konzentriert und
unvorstellbar heiß. Mit zunehmender Ausbreitung des Universums kühlte es
sich ab. Dieser abfallende Temperaturverlauf war bestimmend für die
Entwicklung des Universums, denn die Temperatur bestimmt die Energie der
Strahlung und damit deren Fähigkeit Teilchen zu bilden.
Im
1. Kapitel wird zunächst der Ablauf des Urknalls beschrieben. Im 2.
Kapitel werden die Begründungen zu den im 1. Kapitel aufgestellten
Behauptungen behandelt.
1. Das Urknall-
Szenario
Der
Ablauf des Urknalls läßt sich in 8 Epochen (nach Fritzsch) einteilen
(siehe Bild 1),
Bild
1: Die 8 Epochen des Universums vom Anfang (unten) bis heute (oben), wo es
Galaxien gibt. Der sich
öffnende Trichter steht für die Expansion des Universums
1.
Epoche : Entstehung des Raumes und der Zeit
t
< 10-36 sec (siehe
Ref. [1] )
* Eine mehrdimensionale Raumzeit könnte spontan in einem
quantenmechanisch
zu betrachtenden Vakuum entstanden sein, ähnlich der spontanen
Teilchen-
Entstehung (Vakuumfluktuation).
* Die Raumkrümmung dieses kleinen Raumansatzes wirkt sich als Urkraft
aus,
deren Energiequanten sind die Urteilchen.
* Diese anfangs sehr kleine Raumzeit dehnt sich in vier Dimensionen
aus. Auf
Grund der Metrik erscheinen drei als räumliche und eine als
zeitliche Dimen-
sion. Die übrigen Dimensionen verbleiben in der ursprünglichen
mikroskopisch
kleinen Ausdehnung.
* Durch die räumliche Ausdehnung wandelt sich die
Urkraft: die Gravitation
spaltet sich ab, kurz darauf die starke Wechselwirkung. Als
dritte Wechsel-
wirkung tritt vorübergehend eine abstoßende Kraft, die
Gegengravitation, auf.
2.
Epoche : Entstehung von Materie aus Energie
t<
10-11
sec (siehe Ref.
[1] )
* Die abstoßende Kraft bewirkt eine besonders schnelle Ausdehnung,
Inflation
genannt.
* Die Energie, die den Betrag 0 haben kann, teilt sich unter
Wahrung des
Energieerhaltungssatzes in positive Anteile (Strahlung,
Masse, abstoßende
Kraft) und negative (Gravitation, alle anziehenden Kräfte) auf.
Die positiven
Energieanteile mit den sich ebenfalls wandelnden Urteilchen
bewirken eine
hohe Temperatur. Bei der abstoßenden Gegengravitation führt die
Ausdehnung
des Universums zu einem weiteren Anstieg der Temperatur, die den
folgenden
klassischen Urknall einleitet.
* Mit Ende der Inflations-Phase verharrt das Universum vorübergehend
in
seiner momentan tennisballgroßen Ausdehnung.
* Die abstoßende Gegengravitation verschwindet. Neben der
Gravitation und
der starken Wechselwirkung tritt jetzt die elektroschwache
Wechselwirkung
auf.
* Ebenso wie die Urkraft wandelt sich das Urteilchen - es nimmt
unterschiedli-
che Zustände ein, in denen es aufgrund der mit der Ausdehnung des
Univer-
sums fallenden Temperatur (seit Verschwinden der Gegengravitation)
verharrt.
So entstehen Photonen. Aus diesen Photonen können durch Paarbildung
alle
Teilchen nebst ihren Antiteilchen paarweise entstehen oder sich
durch die
ebenfalls stattfindende Paarvernichtung wieder in Photonen
zurückverwandeln.
(In dem Zusammenhang ist das Bild der Teilchen als 'eingefrorene
Energie'
passend.)
(Siehe Ref. [2] und Bild 2).
* Auf diese Weise entstehen die X-Teilchen (nebst ihren
Antiteilchen). Diese
können in 2 u-Quarks, 1 d-Quark und 1 Elektron zerfallen. Ein
entsprechen-
der Zerfall tritt beim Anti-X-Teilchen auf. Auf diese Art entstehen
Bau-
steine, aus denen sich später der Wasserstoff bildet (siehe Bild
3).
* Durch die sogenannte CP-Verletzung (sh. Ref. [ 3] )
entsteht bei diesem X-
Teilchen-Zerfall ein Überschuß von Teilchen gegenüber den
Antiteilchen von
1 auf 10 9 Teilchen. Zu
dieser Zeit gibt es im Universum Photonen, Neutrinos,
Quarks, Elektronen und X-Teilchen sowie deren Antiteilchen.
* Als letzte Umwandlung der Kräfte
"spaltet" sich die elektroschwache Wech-
selwirkung auf in die elektromagnetische und die schwache
Wechselwirkung
(sh. Ref. [4 ]), die
von da an mit der Gravitation und der starken Wechsel-
wirkung die einzigen 4 Kräfte sind, auf denen sämtliche
Erscheinungen der
Physik beruhen.
3.
Epoche : Die Ära der Quarks
t<10-6
sec
* Die X-Teilchen zerfallen nun restlos in Quarks und Elektronen
oder durch
Paarvernichtung in Photonen. Neue X-Teilchen können nicht mehr
entstehen,
weil die Photonen wegen der gesunkenen Temperatur dazu nicht mehr
genug
Energie haben.
* Durch die Paarvernichtung entstehen Photonen in großer Zahl, die
später die
Hintergrundstrahlung bilden.
* Die Materie - bestehend aus Elektronen, Neutrinos und Quarks -
hat jetzt
den Überschuß von 1 auf 10 9
Teilchen gegenüber der Antimaterie.
4.
Epoche : Die Ära der Nukleonen
t
<10-3 sec
* Die Energie der Photonen sinkt mit der Temperatur unter den Wert,
der
nötig ist, um Quark-Antiquark-Paare neu zu bilden. Die bestehenden
Quarks
und Antiquarks vernichten sich paarweise bis auf den Überschuß
von 1 auf
109
Teilchen.
Dieser Überschuß begründet die heutige Materie des Univer-
sums.
wirkung nicht mehr überwinden:
2 u-Quarks und 1 d-Quark schließen sich zu 1 Proton zusammen
2 d-Quarks und 1 u-Quark schließen sich zu 1 Neutron zusammen
* Durch die schwache Wechselwirkung (Ref. [6] ) werden ständig
Protonen in
Neutronen umgewandelt und umgekehrt:
v - + p+
<----> e+ + n und
v+
+ n <----> e- + p
Da die Neutronen 1,3 MeV schwerer sind als die Protonen,
verschieben sich
mit fallender Temperatur diese Reaktionen zu Gunsten der Protonen.
Es
stellt sich ein Verhältnis von 75% Protonen zu 25% Neutronen ein.
* Strahlung und Materie (Photonen einerseits und Protonen,
Neutronen, Elek-
tronen, Positronen und Neutrinos andererseits) befinden sich trotz
der Ex-
pansion des Universums im termodynamischen Gleichgewicht. Das hat
fol-
gende Konsequenzen:
o Die Strahlung nimmt die Eigenschaften einer Schwarzkörperstrahlung
die
Strahlung einer ganz charakteristischen Wellenlängen-Intensitäts-
Verteilung ist, an. (Ref. [7])
o Der weitere Verlauf des Urknalls hängt nicht von der bisherigen
Vor-
geschichte ab, sondern ist nur noch eine Funktion der Temperatur
und
der vorliegenden Teilchen (Ref. [8] ).
5.
Epoche : Elektron-Positron-Vernichtung
t
< 100 sec
* Die Energie der Photonen reicht nicht mehr aus, um
Elektronen-Positro-
nen-Paare zu erzeugen. Durch die
Paarvernichtung werden die bestehenden
vernichtet bis auf den Überschuß von 1 auf 109 Teilchen.
* Entkopplung der Neutrinos:
Durch die Verdünnung der Materie endet die Streuung der schwach
wechsel-
wirkenden Neutrinos an der übrigen Materie.
6.
Epoche : Entstehung von Atomkernen
t
< 3,5 min
* Mit der Temperatur sinkt die Energie der Nukleonen (=Neutronen,
Protonen)
so daß sie ihre Anziehung nicht mehr überwinden können. Protonen
und
Neutronen schließen sich zu Atomkernen zusammen. Dabei entstehen
haupt-
sächlich das sehr stabile Helium He , Deuterium (pn) und Kerne mit
bis zu
8 Nukleonen. (Ref. [9] )
* Die zu 25% vorliegenden Neutronen werden bei dieser Kernbildung
rasch auf-
gebraucht, so daß einzelne der 75% Protonen (=Wasserstoff-Kern) übrigblei-
ben. Es stellt sich ein Verhältnis
77% H und 23 % He4
(und Sonstiges)
ein.
7.
Epoche : Entstehung von Atomen
t
= 300.000 Jahre
* Mit fallender Temperatur können die Elektronen die
elektromagnetische
Wechselwirkung mit den Atomkernen nicht mehr überwinden und werden
eingefangen - es bilden sich Atome.
* Bisher wurden die Photonen an den ungebundenen Elektronen und den
Atom-
kernen stark gestreut. Das Universum war dadurch "trübe".
Die elektrisch
neutralen Atome hingegen streuen
die Photonen kaum noch. Sie werden frei
das Universum "durchsichtig". Diese frei gewordene
Strahlung bildet die kos-
mische Hintergrundstrahlung (siehe Bild 4). Sie wurde 1965
von Penzias und
Wilson erstmals nachgewiesen. (Ref. [10] ).
Diese Hintergrundstrahlung zeichnet sich durch folgende
Eigenschaften aus:
o Sie ist eine Schwarzkörperstrahlung wegen des vorher
herrschenden
termodynamischen Gleichgewichtes (siehe 4.Epoche)
o Sie entspricht der Strahlung eines 3 o Kelvin heißen (schwarzen) Körpers,
da die Atombildung bei der Temperatur von 3000o K stattfand und die
anschließende Rotverschiebung (wegen der Expansion des Universums)
eine Wandlung der Strahlung zu 3oK bewirkte.
o Sie ist isotrop, d.h. ihre Intensität ist richtungsunabhängig,
da sie nicht
von einer einzigen Quelle stammt, sondern von der überall im
Universum etwa
gleichzeit stattfindenten Atombildung herrührt.
* Mit dem Freiwerden der Photonen ist eine gewaltige Drucksenkung
verbun-
den (um Faktor 109 ). Dadurch
kann die atomare Materie beginnen, sich unter
Einwirkung der Gravitation zu großen Strukturen zusammenzuballen (Ref.
[11] ).
8.
Epoche : Die Ära der Strukturen
* Durch die Zusammenballung der Materie entstehen zunächst
Vorstufen von
Galaxien, die Quasare. Etwa nach 2 Mrd. Jahren gibt es höhere
materielle
Strukturen wie Galaxien.
* Die dichtesten Zusammenballungen führen zur Aufheizung der
Materie, so daß
termonukleare Reaktionen zünden: Die ersten Sterne entstehen.
Bei diesen Reaktionen verschmelzen Wasserstoff-Kerne zu Helium und
letzt-
lich zu den schwereren Elementen. Die Elemente mit mehr als 8
Nukleonen
entstehen nur durch Fusion in Sternen. Massereiche Sterne enden
nach einigen
Millionen Jahren in einer Supernova-Explosion, bei der die höheren
Elemente
in den Raum geschleudert werden.
* Dadurch können sich Planeten wie die Erde vor ca 4 Mrd. Jahren
bilden, die
im Gegensatz zur sonst im Universum herrschenden
Elemente-Verteilung
überwiegend aus schweren Elementen bestehen (Silizium, Eisen,
Sauerstoff,
Kohlenstoff usw.).
* Erst einige Mrd. Jahre nach dem Urknall können aus den Atomen
komplexe
Molekularstrukturen entstehen, die Voraussetzung für die
Entstehung von
Leben und Intelligenz sind.
Die
Erde mit ihren Lebewesen bis hin zum Menschen bestehen aus der
"Asche" ausgebrannter Supernova-Sterne.
Ein Blick in den Weltraum zeigt die Abfolge der Ereignisse der
8.Epoche, da
ein Blick in die Ferne auf Grund der endlichen Lichtgeschwindigkeit
auch zu-
gleich ein Blick in die Vergangenheit ist (siehe Bild 5).
Wir befinden uns ganz unten links in der Ecke des Bildes. Die
Galaxien gruppieren sich
um uns herum. Dahinter sehen wir
eine Kugelschale von Quasaren - Galaxien im Geburts-
stadium. Dahinter liegt eine Zone aus Gas im Zustand vor der
Galaxienbildung gefolgt von
einer undurchsichtigen (trüben) Sphäre - dem Weltraum der Bildung
von Atomen mit seiner
stark gestreuten Strahlung. Diese Struktur des Universums ist
jedoch wegen des unterschied-
lichen Alters des uns erreichenden Lichtes nur scheinbar. In
Wirklichkeit sind im Weltall
überall Galaxien vorhanden.
Bild
5: Der
Anblick des Universums. Da das Licht, das uns aus den entferntesten
Bereichen des
Universums erreicht, auch das ältestest ist, ist der Blick in die
Ferne zugleich ein Blick in die
Vergangenheit.
2. Stand des Nachweises des Urknall-Scenarios
2.1
Nachweis des Urknalls allgemein
- Beweiskette zur Expansion
des Universums
* 1. Aussage
Ein Universum, in dem die darin enthaltene Materie aufeinander eine
Kraft ausübt,
kann nicht zugleich endlich und statisch sein. (Ist es
endlich, so gibt es ein Kraft-
zentrum, auf das sich die Materie zubewegt oder von der sie sich
wegbewegt.)
(Ref. [12] und [13] )
* 2. Aussage
Das Universum ist endlich. Diese Aussage folgt aus
o der Allgemeinen Relativitäts-Theorie, die die Aussagen macht:
1. Das Universum ist ein in der 4. Dimension gekrümmter Raum
endlichen
Volumens (Ref. [16 ] und [17]
)
2. Das Universum ist nicht statisch, d.h. es expandiert oder
kontrahiert.
(Ref. [13])
3. Die Raumkrümmung und der Expansionsverlauf sind miteinander
gekoppelt.
Sie hängen ab von der Gesamtmasse des Universums (deren Betrag
jedoch
nicht bekannt ist). Ref. [18]
* 3. Aussage
Das Universum expandiert.
E.Hubble beobachtete als erster, daß die Spektrallinien von Licht
entfernter
Galaxien in den langwelligen ("roten") Bereich verschoben
sind (Rotverschiebung
siehe Ref. [19 ] und Bild 6). Ursache dieser Verschiebung ist die
Fluchtbewegung
der Galaxien, die nach dem Dopplereffekt zu einer Vergößerung der
Wellen-
länge führt (Andere -vergebliche - Interpretations-Versuche sh.
Ref. [20] ).
-
Die experimentellen Nachweise des Urknalls
* Kosmische Hintergrundstrahlung
Dicke und Gamow schlossen aus der Expansion des Universums auf
einen Urknall
(ein Expandieren des Universums von einem Punkt aus) und leiteten
als beobacht-
bare Konsequenz die Existenz einer kosmischen Hintergrundstrahlung
her (siehe
Kap. 1 - 7.Epoche) mit einzigartigen Eigenschaften, die 1965 von
Penzias und Wilson
entdeckt wurde (siehe Ref. [7] , [21] , [22] , [23]).
* Verteilung der Elemente im Universum
Aus der Annahme eines Urknalls folgt eine praktisch ortsunabhängige
Verteilung
von 77% Wasserstoff und 23% Helium (in Spuren auch Deuterium und
andere leichte
Kerne), während schwere Elemente nur in geringer Menge und im
Bereich der Gala-
xien auftreten. Dieses wurde auch experimentell für die sichtbare
Materie nachge-
wiesen (Ref.[ 7] und [
24]) .
-
Das Alter des Universums
Das Alter des Universums läßt sich auf unterschiedliche Arten
abschätzen und man
kommt dabei zu konsistenten Aussagen:
1. Zurückrechnen der Expansion
Das ergibt ein Alter von 10 - 20 Mrd. Jahren. Genauere Werte sind
wegen der
unbekannten Gesamtmasse des Universums und Ungenauigkeiten bei der
Entfer-
nungsmessung nicht möglich (Ref.[ 7] ).
2. Alter von Uran und Uran-Isotopen
Über die Radioaktivität dieser Elemente läßt sich ihr Alter
bestimmen. Die ältesten
hatten ein Alter von 15 Mrd. Jahren. (Ref.[ 7]) .
3. Alter von Sternen und Galaxien
Aus der Kenntnis der Sternenentwicklung kann man das Alter
bestimmen. Die
ältesten Sterne der Milchstraße sind 10-15 Mrd. Jahre alt.
Der älteste bekannte Quasar (mit der Bezeichnung PC 1158+4635) ist
18 Mrd.
Jahre alt (Ref. [25] ).
Bild 6: Doppler-Effekt in Extragalaktischen Nebelhaufen. Die
Rotverschiebung der H u. K-Spektrallinien
von Kalzium (jeweils dargestellt durch den weißen Pfeil) nimmt mit
der Entfernung der
Nebelhaufen zu, was die zunehmende Fluchtgeschwindigkeit beweist.
-
Urknall und Entropie
Nach dem 2.Hauptsatz der Thermodynamik entwickeln sich geschlossene
Systeme -
von statistischen Schwankungen abgesehen - aus dem Zustand der
Ordnung (genauer
niedriger Entropie) in den Zustand der Unordnung (hoher Entropie).
Der Verlauf des Urknalls ist im Einklang mit dieser Forderung.
Quelle der Entro-
pie sind die
o Zusammenballung der Materie zu Galaxien
o Kernfusion von Wasserstoff zu höheren Elementen (bis hin zum
Eisen
mit der höchsten Entropie) in Sternen
(Ausführliche Diskussion siehe Ref.[31]
und [34] ).
2.2
Nachweis der einzelnen Epochen
- 1. Epoche
Die Aussagen zu dieser frühen Phase sind zwar plausibel aber
spekulativ, weil
* die Quantenmechanik auf Objekte und Ereignisse, die kleiner als
die
Plancksche Elementarlänge (1,6 x 10-33 cm)
und die
Plancksche Elementarzeit (5.4 x 10 -44 sec)
nicht anwendbar ist (Ref. [ 26] ).
* eine die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie
umfassende
Theorie, wie sie für kleinste Objekte mit großen Massen nötig wäre,
nur in
Ansätzen(von Stephen Hawkins) formuliert wurde (Ref. [26] ).
* zu der Abspaltung der Gravitation und der starken Wechselwirkung
nur voneinan-
der abweichende Theorien (Supergravitation genannt) existieren, die
zwar schlüssig
aber durch keine experimentellen Ergebnisse gestützt sind. Im
Falle der starken
Wechselwirkung ergäbe sich eine Klärung durch ein laufendes
Experiment zum
vorhergesagten Protonen-Zerfall (Ref. [27]
und [28] ).
* Die spontane Entstehung des Raumes und der Zeit aus dem
"Nichts" (genauer:
quantenmechanisches Vakuum) ist eine angenommene
Analogie zur spontanen
Teilchen-Entstehung (Vakuumfluktuation), bei denen das experimentell nachgewiesen
und
verstanden
* Die Kräfte als Konsequenz der Raumkrümmung
Im Falle der Gravitation wurde im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie
bewiesen, daß diese Kraft die Wirkung der Krümmung in der 4.
Dimension ist
(Ref. [17]). Kaluza wies nach, daß es mathematisch möglich ist,
sowohl die Gra-
vitation als auch die elektromagnetische Wechselwirkung als
Auswirkung einer
Raumkrümmung herzuleiten. Er ging dabei von 5 Dimensionen aus (Ref.
[30] ).
In der modernen Theorien zur Vereinheitlichung der 4
Wechselwirkungen (zu
einer Urkraft) werden alle Kräfte der Natur als Krümmung der
Raum-Zeit-Struk-
tur behandelt, für deren Mehrdimensionalität es noch andere
tiefere mathema-
tische und physikalische Gründe gibt (gute Darstellung Ref
[32] ).
-
2.Epoche
* Die Inflationstheorie, der zufolge in der 2.Epoche eine besonders
schnelle Aus-
dehnung des jungen Universums stattgefunden hat, stützt sich auf
die heutigen
Vorstellungen zur Vereinheitlichung der 4 Wechselwirkungen. Zwar
fehlt diesen
für die Gravitation und die starke Wechselwirkung der
experimentelle Nachweis,da
dazu sehr hohe Energien und Temperaturen notwendig wären. Aber wie
diese
mathematisch schon erfolgreich war bei der Geometrisierung der 4
Wechselwir-
kungen, so liefert auch die Inflations-Theorie mögliche
wissenschaftliche Er-
klärungen für viele Charakteristiken des Urknalls, die bis dahin
ad hoc als An-
fangsbedingungen eingeführt werden mußten (Ref. [1] , [33] , [35
]).
1. Das Horizont-Problem (oder: Warum war das frühe Universum so
homogen?)
Die kosmische Hintergrundstrahlung weist mit ihrer hohen Gleichförmig-
keit auf eine ebenso hohe Homogenität des jungen Universums hin.
Diese
war unverständlich, da nicht erkennbar war, wie sich weit
voneinander ent-
fernte Bereiche aneinander angeglichen haben sollen.
Gemäß der Inflationstheorie verdünnten sich anfängliche
Inhomogenitäten
in Folge der raschen Ausdehnung und glichen sich vollends aus während
des Verharrens der Ausdehnung am Ende der Inflationsphase.
2. Das Smoothness-Problem
Die normalen statistischen Dichteschwankungen der Atome in der
7.Epoche
reichen allein nicht aus, um Galaxien innerhalb von 20 Mrd. Jahren
entstehen
zu lassen. Unregelmäßigkeiten
als Keime späterer Galaxien müssen schon vor
der 7. Epoche vorhanden gewesen sein.
Die Erklärung liegt im Ende der Inflationsphase begründet. Es
geht einher mit
dem Zerfall eines quantenmechanischen Zustandes (der das Ende der
Gegen-
gravitation und damit der Inflation einleitet), der die für
quantenmechanische
Phämomene typische räumliche und zeitliche Fluktuationen
aufweist. Diese
sind die gesuchten Unregelmäßigkeiten.
3. Das Flatness-Problem
Computersimulationen ergaben, daß die Expansionsrate des
Universums nahe
bei dem "kritischen Wert" liegt, bei dem es gerade seiner
Gravitation entkom-
men und für alle Zeit expandieren kann. Ginge die Ausdehnung nur
etwas lang-
samer vonstatten, so ergeben die Simulationen einen erneuten
Kollaps des Uni-
versums, bevor es zur Galaxienbildung kommt. Wäre die Ausdehnung
etwas
schneller, so würde sich die Materie zerstreuen, ohne Galaxien zu
bilden.
Die Inflationstheorie liefert eine Erklärung für diese
Feineinstellung. Unabhängig
von speziellen Anfangsbedingungen nimmt die Expansionsrate genau
den "kriti-
schen Wert" und damit zwangsläufig den zur Galaxienbildung
richtigen Wert
ein.
Wichtig ist, daß die Ergebnisse der Inflationsphase unabhängig
von besonderen
Anfangsbedingungen sind.
* Entstehung der X-Teilchen
Diese Teilchen sind Prognosen der "Grand Unified Theory"
(GUT), die die Vereini-
gung der starken mit der elektromagnetischen und schwachen
Wechselwirkung
zum Gegenstand hat. Die X-Teilchen sind experimentell noch nicht
bestätigt
worden. Ihre Existenz würde jedoch einen selten stattfindenden
Protonenzerfall
verursachen. Laufende Experimente sollen diesen Zerfall und damit
indirekt die
X-Teilchen nachweisen (siehe Ref. [36 ] und [37]).
* Die Existenz von Quarks
Die Quarks wurden 1964 von Murray Gell-Mann und George Zweig anhand
theoreti-
scher Überlegungen vorhergesagt und erstmals durch zwei
unterschiedliche Ex-
perimente nachgewiesen:
o 1969 in Standford (SLAC) durch Elektronenbeschuß von Protonen
o 1970 bei CERN durch Neutrinobeschuß von Protonen und Neutronen
(Ref. [ 3 ], [39] )
* Die CP-Verletzung (Ref. [3] )
Dieser Effekt wurde theoretisch und experimentell 1964
nachgewiesen. Dafür
ging 1980 der Nobelpreis an Jame W.Cronin und Val Logsdon Fitch.
* Paarbildung und Paarvernichtung
Konform mit der Äquivalenz von Masse und Energie (Relativitätstheorie)
sich beliebige Teilchen-/Antiteilchen-Paare aus Photonen bilden.
Als Um-
kehrung dieses Prozesses können sich Teilchen-/Antiteilchen
paarweise ver-
nichten zu Photonen. Vorgänge dieser Art sind in
Beschleuniger-Anlagen
physikalischer Alltag (Ref. [2] ).
Sinkt mit der Expansion des Universums die Temperatur, so reicht
die Ener-
gie der Photonen nicht mehr aus, energie- bzw. massereiche Teilchen
nachzu-
erzeugen. Es findet dann für diese Teilchen nur noch die
Paarvernichtung statt.
* Elektroschwache Wechselwirkung
Das Bestreben, die 4 Wechselwirkungen zu einer zu vereinheitlichen,
war erstmals
erfolgreich im Falle der elektromagnetischen
und schwachen Wechselwirkung.
Salem und Weinberg veröffentlichten 1969 ihre Theorie und zeigten,
o daß die elektromagnetische und schwache Wechselwirkung mit
zunehmender
Temperatur sich ähnlicher werden bis sie ihre Unterschiede ganz
verlieren
o warum diese beiden Wechselwirkungen bei normaler Temperatur so
verschieden
sind
o daß die Träger (Botenteilchen) der schwachen Wechselwirkung die
soge-
nannten W- und Z-Quanten sind
o den entscheidenden mathematischen Weg, der zur Vereinheitlichung
zweier
Wechselwirkungen führt (Symmetrie-Brechung). Damit gelangen dann
auch
die ersten Theorien zur Vereinheitlichung der starken
Wechselwirkungen und
der Gravitation.
Für diese Arbeit erhielten sie 1979 den Nobelpreis für Physik.
1983 wurde ihre
Theorie mit der Entdeckung der W- und Z-Quanten bei CERN triumphal
experi-
mentell bestätigt (Ref. [4] ).
* Die 4 Wechselwirkungen
Mit der letzten Abspaltung sind die 4 Wechselwirkungen
(Gravitation, starke,
schwache und elektromagnetische Wechselwirkung) entstanden, auf
denen alle
Aktivitäten der Natur beruhen. Dabei sind jedoch nur die Prozesse
möglich,
bei denen die Energie, der Impuls und die elektrische Ladung
erhalten bleiben
(es gibt unter speziellen Bedingungen weitere Erhaltungsgesetze,
die aber nicht
fundamental - weil ableitbar - sind).
Die Feldgleichungen der 4 Wechselwirkungen sowie die Erhaltungssätze
sind das
Fundament der Natur. Alle Phänomene (Thermodynamik, Optik,
chemische Reak-
tionen usw ) sind "nur" mathematische Schlußfolgerungen
dieser Feldgleichun-
gen und Erhaltungssätze. Gäbe es weitere Wechselwirkungen, so wären
bei ihrer
Nicht-Berücksichtigung die Erhaltungssätze verletzt (Ref. 40 ).
- 3. Epoche
Der Nachweis ist in der 2. Epoche enthalten.
-
4. Epoche
* Der Aufbau von Protonen und Neutronen
Deren Aufbau durch Quarks wurde zusammen mit den Quarks
nachgewiesen
(siehe 2.Epoche).
* Die Verteilung von Protonen und Neutronen
Diese wird in der Diskussion der 6. Epoche mit den übrigen
Elementen behan-
delt.
- 5. Epoche
Paarweise Elektronen-/Positronen-Vernichtung siehe 2.Epoche.
- 6. Epoche
* Die Elemente im Universum lassen sich durch Spektralanalyse des
Lichtes nach-
weisen. Dabei zeigt sich, daß
o die leichten Elemente Wasserstoff, Helium und Deuterium gleichmäßig
in dem von der Urknalltheorie vorhergesagten Verhältnis im
Weltraum verteilt
sind
o die Häufigkeit schwerer Elemente hingegen mit wachsender
Entfernung von
Galaxien-Zentren abnimmt
Diese Verteilung zeigt, daß die leichten Elemente vor der
Galaxienbildung und
die schweren erst danach entstanden sind, so wie es gemäß Urknall
sein muß.
(Ausführlich Ref.[ 7]).
- 7. Epoche
* Nachweis der Hintergrund-Strahlung
Diese Strahlung muß laut Urknalltheorie die einzigartigen
Eigenschaften der
Isotropie (Richtungsunabhängigkeit) und der Schwarzkörperstrahlung
von rund
3o
K haben.
o Nachweis der Isotropie
Der erfolgte erstmals durch Zyan-Moleküle (Ref. [ 7] , [ 41] ).
Zyanmoleküle verfügen über Energieniveaus, auf die die
Elektronen ihrer Hülle
durch Einwirkung der Hintergrund-Strahlung gehoben werden können.
Schon
1937 fiel es Dunham und Adams auf, daß sich Zyanmoleküle im
Kosmos nicht
im Grundzustand sondern in diesem angeregten Zustand befanden.
Zwecks
Nachweis der Hintergrungstrahlung wurden zunächst 8 weit
auseinanderliegende
Gasnebel untersucht und ausnahmslos in allen Fällen befanden sich
die Zyan-
Moleküle in dem besagten Anregungszustand. Seit dem wurde die
Isotropie
mit Zyan-Molekülen nachgemessen und nachgewiesen, daß sie mit
einer Gleich-
förmigkeit von besser als 1:10000 erfüllt ist.
Ein weiterer Nachweis auf ganz andere Art erfogte durch den
Forschungs-
Satelliten COBE (siehe unten).
o Nachweis des Schwarzkörper-Charakters (Ref [ 7]
und [45])
Die 3o
K-Schwarzkörperstrahlung ist durch eine ganz bestimmte Wellenlängen-
Intensitäts-Verteilung gekennzeichnet. Zuletzt wurde diese durch
zwei Experi-
mente mit hoher Genauigkeit nachgemessen:
1. durch den Satelliten COBE (Cosmic Background Explorer) im Jahre
1989
Die kosmische Hintergrund-Strahlung wurde außerhalb des Störeinflusses
der Erdatmosphäre genau
vermessen und es wurde damit nachgewiesen,
daß sich die Hintergrundstrahlung um weniger als 1% von dem eines
schwarzen Körpers unterscheidet.
2. durch das Raketen-Experiment COBRA im Jahre 1990
COBRA war eine Verfeinerung des COBE-Experimentes und bestätigte
dessen
Ergebnisse.
Zitat aus Ref. [45] :
So zeigten die Daten des amerikanischen Forschungssatelliten
COBE ..., daß diese Strahlung wirklich mit vollkommen gleichmäßiger
Intensität
aus allen Richtungen bei uns ankommt. Da sie gewissermaßen das
Nachglühen
des Urknalls ist, lassen die Daten keinen Zweifel mehr an der
Urknall-Theorie
über den Ursprung des Kosmos.
-
8. Epoche
* Der Prozeß der Galaxienbildung
Der genaue Hergang der Galaxienbildung ist noch nicht endgültig
geklärt. Der Grund
liegt darin, daß die Gesamtmasse des Universums unbekannt ist.
Zwar läßt sich die Masse der leuchtenden Materie anhand der
Helligkeit ausrech-
nen. Es ist aber bekannt, daß diese leuchtende Materie oftmals nur
einen kleinen
Teil der gesamten Materie ausmacht und dunkle Formen existiert:
o Der Zwergnebel DDO 154 (Ref.
[42] )
Die Rotationsgeschwindigkeit konnte gemessen und daraus die Masse
errech-
net werden. Sie war zwölfmal größer, als die aufgrund der
Leuchtkraft be-
stimmten.
o Der Comahaufen wurde auf die gleiche Weise untersucht und
festgestellt,
daß die leuchtende Masse nur 10% der gesamten beträgt (Ref. [43])
.
Die Galaxien und Galaxienhaufen bewegen sich so, als wären sie von
großen Materie-
ansammlungen umgeben, so als wären die leuchtenden Galaxien nur
die Spitze des
Eisberges (Ref. [44]) .
"Kandidaten" für die dunkle Materie können sein:
o Kosmischer Staub (Wasserstoff und Helium), der sich noch nicht zu
Sternen
zusammengeballt hat. Bei ESO wurde nachgewiesen, daß insbesondere
Spiralgalaxien
im Bereich der Spiralarme diese dunkle Materie haben.
o Ausgebrannte Sterne wie weiße Zwerge, Neutronensterne und
Schwarze Löcher
o Neutrinos ; von diesen schwach mit anderer Materie
wechselwirkenden Teilchen
kann man zur Zeit nur sagen, daß ihre Masse nicht größer als 20
MeV sein
kann (Rev. [43] ). Da die Neutrinos im Universum aber sehr
zahlreich sind, würde
eine so kleine Masse dazu führen, daß der größte Teile der
Gesamtmasse des
Universums in den Neutrinos steckt (Ref. [46] ).
Ungeklärt ist bei der Galaxienbildung bisher, wie das heutige
recht klumpige Uni-
versum sich aus einem zum Zeitpunkt der Atombildung (7.Epoche)
gleichförmigen
Zustand heraus gebildet hat. Riesige Galaxien-Ansammlungen wie die
Große Wand
(1.500 Mio LJ lang, 600 Mio LJ breit und 50 Mio LJ dick) existieren
neben großen
Blasen, die keine leuchtende Materie enthalten. Wären die riesigen
Galaxien-An-
sammlungen erst in der 7. Epoche dadurch entstanden, daß die großen
Blasen
"leergefegt" worden wären, so hätte die Zeit nach dem
Urknall bei weitem nicht
dazu ausgereicht (Ref. [47] ). Als Erklärung solcher großen
Strukturen kommen u.a.
die folgenden 3 in Frage:
o Annahme: Die Neutrinos haben eine Masse
Dann begannen die Neutrinos
bereits in der 5.Epoche, nach ihrer Entkopplung von
Materie und Strahlung, mit der Zusammenballung, die später die
Kondensations-
Keime zur Galaxienbildung waren. Dieser Prozeß würde sich nicht
als Inhomo-
genität in der kosmischen Hintergrund-Strahlung bemerkbar machen,
da sich diese
erst später durch die homogen verteilten - da durch den hohen
Strahlungsdruck
am Zusammenballen gehinderte -
Atomkerne (siehe 7. Epoche) bildete (Ref. [49] ).
o Annahme: Die Inflations-Theorie trifft zu
Wie mit dem "Smoothness-Problem" (siehe 2.Epoche)
beschrieben bewirken quan-
tenmechanische Effekte Unregelmäßigkeiten, die sich bildende
Materie übertragen
würden. Trifft das zu, so müssen in der kosmischen
Hintergrundstrahlung in die-
sem Fall ebenfalls kleine Unregelmäßigkeiten vorhanden sein. Eine
Wiederholung
der Experimente COBE und COBRA mit höherer Genauigkeit könnte den
Nach-
weis bringen (Ref.[ 7] ).
Nachtrag: Verbesserte Messungen, die bis 1992 mit COBE durchgeführt
wurden, wie-
sen diese Unregelmäßigkeiten in der Hintergrundstrahlung nach!! (Ref.
[50])
o Annahme: Die großen Blasen sind nicht leer
Sie enthalten dunkle Materie. Die Galaxienhaufen hätten sich dann
an den Rändern
der Blasen durch Kondensation gebildet: erste zufällige
Schwankungen führten zu
ersten Sternen. Dadurch bildeten sich in deren Umgebung weitere
Dichte-Schwan-
kungen, die weitere Sterne nach sich zogen,
so daß sich auf die Art große Gala-
xien-Ansammlungen bildeten, ohne jedoch die Blasen zu leeren (Ref.
[48] ).
Wie oben gezeigt wurde (DDO 154, COMA), ist die dunkle Materie in
der Nähe
leuchtender Materie nachgewiesen. Fernab von dieser ist
der Nachweis schwierig
und steht noch aus
* Expansion und Kontraktion des Universums
Ebenfalls wegen der unbekannten Gesamtmasse bzw. Dichte des
Universums ist
derzeitig nicht entschieden, ob der Kosmos
1. ständig expandieren wird
2. durch die Gravitation der eigenen Masse abgebremst wird und dann
wieder in sich zusammenfällt
3. zwar die Expansions-Bewegung zum Stillstand kommt, ohne jedoch
wieder zu
in sich zusammenzustürzen.
Welcher der drei Fälle eintritt hängt davon ab, ob die
Masse-Dichte kleiner, grö-
ßer oder gleich der "kritischen Dichte" von 10-30 g/cm3 ist.
Die derzeitig nachgewiesene Materie ist weit von diesem Wert
entfernt und sprä-
che für den 1. Fall. Die Inflations-Theorie sagt den Fall 3 voraus
und impliziert
damit eine rund zehnmal größere Masse als die der sichtbaren
Materie (siehe
"Flatness Problem" 2.Epoche).
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