Die Welt im GroDie Welt im Großßen und Kleinenen und Kleinen--------------------------------------------------------------------------------

Kosmologie und Kosmologie und TeilchenphysikTeilchenphysik

Prof. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Thomas Prof. Dr. Thomas MannelMannel

Die Welt im GroDie Welt im Großßenen

Die Welt im Großen

m1km 0,001 m 01 0

Rosen

Die Welt im Großen

m 10km 0,01

m 01 1

Rosenbeet auf dem CERN-Gelände

Die Welt im Großen

m 100km 0,1

m 01 2

Luftaufnahme CERN

Die Welt im Großen

m 000 1km 1

m 01 3

Luftaufnahme CERN

Die Welt im Großen

m 000 10km 10

m 01 4

Luftaufnahme Genf

Flughafen

Die Welt im Großen

m 000 100km 100

m 01 5

Genfer See und französische

Alpen

Die Welt im Großen

Europa

m 000 000 1km 000 1 m 01 6

Die Welt im Großen

Erde

m 000 000 10km 000 10 m 01 7

Die Welt im Großen

Erde

m 000 000 100km 000 100 m 01 8

Erde

Die Welt im Großen

Umlaufbahndes

Mondes

m 000 000 000 1km Millionen 1

m 01 9

Erde

Mondbahn

Länge der Mondbahn: 2,4 Mio. kmHöhe der deutschen Staatsverschuldungals Turm von 1 €-Münzen: 3,2 Mio. km

Länge der Mondbahn: 2,4 Mio. kmHöhe der deutschen Staatsverschuldungals Turm von 1 €-Münzen: 3,2 Mio. km

Die Welt im Großen

Umlaufbahndes

Mondes

m 000 000 000 10km Millionen 10

m 01 10

Erdbahn

Mondbahn

Die Welt im Großen

Innere Planetenbahnen

des Sonnensystems

m 000 000 000 100km Millionen 100

m 01 11

Erdbahn

Venus-Bahn

Die Welt im Großen

Innere Planetenbahnen

des Sonnensystems

m 000 000 000 000 1km Milliarde 1

m 01 12

ErdbahnSonne

Jupiter

Mars

Die Welt im Großen

Äußere Planetenbahnen

des Sonnensystems

m 000 000 000 000 10km Milliarden 10

m 01 13

Pluto

Erde

Neptun

Uranus

Die Welt im Großen

Äußere Planetenbahnen

der Sonne

m 000 000 000 000 100km Milliarden 100

m 01 14

Die Welt im Großen

Entfernung zumnächsten FixsternAlpha Centauri

m 000 000 000 000 000 43Lichtjahre 4.3

m 013.4 16

≈⋅

Faktor 500 Faktor 500

Die Welt im Großen

Entfernung zumnächsten

SternenhaufenM4

m 000 000 000 000 000 000 70Lichtjahre 7000

m 017 19

≈⋅

Faktor 2000 Faktor 2000

Die Welt im Großen

Spiralgalaxie

m 000 000 000 000 000 000 000 1Lichtjahre 000 100

m 01 21

≈

Die Welt im Großen

Galaxiemit Satelliten-galaxien

m 000 000 000 000 000 000 000 10Lichtjahre Millionen 1 m 01 22

≈

Die Welt im Großen

Galaxien-haufen

m 000 000 000 000 000 000 000 100Lichtjahre Millionen 10 m 01 23

≈

Die Welt im Großen

m 000 000 000 000 000 000 000 000 100Lichtjahre Milliarde 1

m 01 25

≈

Struktur in Verteilung der

Galaxien: Blasen und

Löcher

Faktor 100 Faktor 100

Die Welt im Großen

m 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1Lichtjahre Milliarden 10 m 01 26

≈

HomogenesUniversum

Die Welt im Kleinen Die Welt im Kleinen

Die Welt im Kleinen

m1km 0,001 m 01 0

Rosen

Die Welt im Kleinen

Rosenblatt

m 1 0.dm 1

m 01 -1

Die Welt im Kleinen

Fliege

m 01 0.cm 1

m 01 -2

Die Welt im Kleinen

Fliegenauge

m 001 0.mm 1

m 01 -3

Die Welt im Kleinen

Fliegenauge

m 1 000 0.m 100 m 01 -4

µ

Die Welt im Kleinen

Detail imFliegenauge

m 01 000 0.m 10

m 01 -5

µ

Die Welt im Kleinen

Elektronen-mikroskop-Aufnahme

m 001 000 0.m 1

m 01 -6

µ

Die Welt im Kleinen

Elektronen-mikroskop-Aufnahme

m 1 000 000 0.nm 100

m 01 -7

Die Welt im Kleinen

DNS-Molekül

m 01 000 000 0.nm 10

m 01 -8

Die Welt im Kleinen

Molekül

m 001 000 000 0.nm 1

m 01 -9

Die Welt im Kleinen

Atomebestehen aus

Kern und Elektronenhülle

m 1 000 000 000 0.nm 0.1

m 01 -10

Die Welt im Kleinen

Atome sindfast leer,der Kern

ist sehr klein

m 01 000 000 000 0.pm 10

m 01 -11

Die Welt im Kleinen

Atome sindfast leer,der Kern

ist sehr klein

m 001 000 000 000 0.pm 1

m 01 -12

Die Welt im Kleinen

Radius des Kerns nur

ca. 1/10.000der innersten

Elektronenbahn

m 1 000 000 000 000 0.fm 100

m 01 -13

Die Welt im Kleinen

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen

m 01 000 000 000 000 0.fm 10

m 01 -14

Die Welt im Kleinen

Proton/Neutronbestehen

aus Quarks

m 001 000 000 000 000 0.fm 1

m 01 -15

Die Welt im Kleinen

PunktförmigeQuarks und Leptonen

m 1 000 000 000 000 000 0.fm 0.1

m 01 -16

Die Welt im Kleinen

PunktförmigeQuarks und Leptonen

m 01 000 000 000 000 000 0.fm 0.01

m 01 -17

Die Welt im Kleinen

PunktförmigeQuarks und Leptonen

m 001 000 000 000 000 000 0.fm 0.001

m 01 -18

Die Welt im Kleinen

Quarks und Leptonenwirklich gar keine

Ausdehnung?

??

m 1 000 000 000 000 000 000 0.fm 1 0.000 m 01 -19

Wie wir ObjekteWie wir Objekteunterschiedlicherunterschiedlicher

GrGrößöße sehene sehen

AtomAtom

AtomkernAtomkern

ZelleZelle

GalaxieGalaxie

ElektronenElektronen--mikroskopmikroskop

BeschleunigerBeschleuniger

GravitationGravitation

Sterne und Galaxien Sterne und Galaxien

Bewegung des Mondes um die Erde Bewegung des Mondes um die Erde Schwerkraft , ErdanziehungSchwerkraft , Erdanziehung

Bewegung der Planeten um die SonneBewegung der Planeten um die Sonne

Galaxien und GalaxienhaufenGalaxien und GalaxienhaufenUniversum Universum

Erste Theorie: Isaac NewtonErste Theorie: Isaac Newton

Allgemeine RelativitAllgemeine Relativitäätstheorietstheorie

KeineKeineKrKrüümmungmmung

PositivePositiveKrKrüümmungmmung

NegativeNegativeKrKrüümmungmmung

Massen deformieren den RaumMassen deformieren den Raum

Probemasse im GravitationsfeldProbemasse im Gravitationsfeld

Schwarzes LochSchwarzes Loch

Expansion des UniversumsExpansion des Universums

ZurZurüück zum Urknallck zum Urknall

REVERSEREVERSE

Der Nachhall des UrknallsDer Nachhall des UrknallsKosmischeKosmischeHintergrundstrahlung:Hintergrundstrahlung:extrem homogenextrem homogen

CobeCobe--SatellitSatellit

ZurZurüück zur bekannteren Welt...ck zur bekannteren Welt...

ElektromagnetismusElektromagnetismus

Bindung von AtomenBindung von Atomen

BlitzeBlitzeElektrische Ladungen, Elektrische Ladungen,

elektrischer Strom elektrischer Strom MagnetismusMagnetismus

Chemische Bindungen, Chemische Bindungen, MolekMoleküüle und Festkle und Festköörperrper

KristallKristall

AtomeAtomeElektromagnetischeElektromagnetischeBindungenBindungen

Rutherford Rutherford -- StreuexperimentStreuexperiment

Struktur der AtomeStruktur der Atome

Das Atom ist im wesentlichen leer!Das Atom ist im wesentlichen leer!

Es gibt einen kleinen harten Es gibt einen kleinen harten Kern im AtomKern im Atom

Verknüpfung mit rutherford12.lnk

BohrschesBohrschesAtommodellAtommodell

HH--AtomAtom

99,999 999999 999%des Atomsist leer !

99,999 99999,999 999999 999%999 999%des Atomsdes Atomsist leer !ist leer !

Quantenmechanisches AtomQuantenmechanisches Atom

Heisenbergsche Unschärferelation

h21

≥∆⋅∆ px

AtomkernAtomkern

ProtonProton

NeutronNeutron

Starke WechselwirkungStarke Wechselwirkung

Energieerzeugung in der Sonne Energieerzeugung in der Sonne (Solarenergie=Kernfusion)(Solarenergie=Kernfusion)

Zusammenhalt der Quarks inZusammenhalt der Quarks inProtonen und NeutronenProtonen und Neutronen

Zusammenhalt der Kerne Zusammenhalt der Kerne

Energieerzeugung durchEnergieerzeugung durchKernspaltung und KernfusionKernspaltung und Kernfusion

AtomAtom-- und Wasserstoffbombeund Wasserstoffbombe

ProtonProton

3 Quarks3 Quarks

AtomkernAtomkern

Schwache WechselwirkungSchwache Wechselwirkung

Umwandlung von chemischen Umwandlung von chemischen Elementen (Alchemie)Elementen (Alchemie)

ÜÜbergbergäänge zwischen nge zwischen verschiedenen Quarkverschiedenen Quark--SortenSorten

Kernreaktionen in der Sonne Kernreaktionen in der Sonne

Radioaktiver Kernzerfall Radioaktiver Kernzerfall

Zerfall des NeutronsZerfall des Neutrons

Elementare Bestandteile der Materie 1900Elementare Bestandteile der Materie 1900

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

NeutrinoNeutrinoNeutrinoeTauMyonElektron

bottomstrangedowntopcharmup

τµ

:Leptonen

:Quarks

Elementare Bestandteile der Materie 2000Elementare Bestandteile der Materie 2000

Bausteine der Materie des heutigen Universums

Punktförmig,ohne jegliche Ausdehnung!

m10(Elektron) Radius 18−<

Untersuchung Untersuchung der Quarks und der Quarks und LeptonenLeptonen

Starkes Mikroskop Starkes Mikroskop ==

Streuexperiment bei hohen Energien Streuexperiment bei hohen Energien

grogroßße Teilchenbeschleunigere Teilchenbeschleuniger

ZweiZwei--MeilenMeilen--Linearbeschleuniger Linearbeschleuniger

SLAC SLAC StanfordStanfordUSAUSA

Deutsches Deutsches ElektronenElektronen--SynchrotronSynchrotronHadronHadron--ElektronElektron RingRing--AnlageAnlage

HERAHERADESY DESY HamburgHamburg

FeynmanFeynman--DiagrammDiagramm ffüür Streuprozesser Streuprozesse

)'p(u)'p(uMkM

kkg

)p(u)p(u)ie( 2122

2

212

ν

νµµν

µ γ⋅−

+−⋅γ−=A

TeilchenTeilchen AntiteilchenAntiteilchen

Energie Energie LichtLicht

(Photon)(Photon)

Originalton EinsteinOriginalton Einstein

2cmE

2cmEAus der speziellen Relativitätstheorie folgt, daß Masse und Energie beides nur verschiedene Erscheinungsformen derselben Sache sind -

- eine etwas ungewöhnliche Betrachtungsweise für einen durchschnittlichen Geist.

2cmEWeiterhin zeigt die Gleichung E gleich m mal c-Quadrat, in der

Energie mit Masse, multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, gleichgesetzt wird, daß eine sehr kleine Menge Masse in eine sehr große Menge Energie umgewandelt werden kann

und umgekehrt.

2cmE

From the soundtrack of the film, Atomic Physicscopyright © J. Arthur Rank Organization, Ltd., 1948

Masse und Energie sind sogar äquivalent nach der obengenannten Formel. Dies wurde von Cockcroft und Walton 1932 experimentell

demonstriert.

AnnihilationAnnihilationFeynmanFeynman--DiagrammDiagramm

Der LEP Der LEP -- Speicherring am CERNSpeicherring am CERN

Das Forschungslabor Das Forschungslabor CERN bei GenfCERN bei Genf

BlickBlick in denin den Tunnel: Tunnel: 27 km 27 km

Magnete und KavitMagnete und Kavitäätenten

Magneten von LEPMagneten von LEP

Supraleitende Supraleitende Beschleunigungsstrecke Beschleunigungsstrecke

ffüür LEP IIr LEP II

Zugang zum DELPHIZugang zum DELPHI--ExperimentExperiment

100 Meter tiefer: DELPHI100 Meter tiefer: DELPHI

DELPHI DELPHI Endplatte

Rutherford entdecktden Atomkern

Entdeckung neuer Teilchen

Fundamentale WechselwirkungenFundamentale WechselwirkungenGravitation:Gravitation: Allg. Allg. RelativitRelativitäätstherorietstherorie,,

GravitonGraviton? String? String--Theorie?Theorie?

Elektromagnetismus:Elektromagnetismus:Photon Photon

Starke Wechselwirkung:Starke Wechselwirkung:

Schwache Wechselwirkung:Schwache Wechselwirkung:

GluonenGluonen

W und W und ZZ--BosonenBosonen

Komplexe Struktur,Symmetrien teilweise aufgehoben

Einfache Struktur,Symmetrien gültig

Historie des Universums

Die Rolle der Elementarteilchen Die Rolle der Elementarteilchen im frim früühen Universumhen Universum

Der Kreis schlieDer Kreis schließßt sich:t sich:

StufenweiseStufenweiseStrukturbildung durch Strukturbildung durch

AbkAbküühlung undhlung undanziehende Wechselwirkungen anziehende Wechselwirkungen

Expansion des Universums:Expansion des Universums:AbkAbküühlung hlung

Volumen Volumen => =>

Temperatur Temperatur => =>

GeschwindigkeitGeschwindigkeit

Hohe Geschwindigkeit:Hohe Geschwindigkeit:Streuung, Streuung, aber keine Bindungaber keine Bindung

Kleine Geschwindigkeit:Kleine Geschwindigkeit:Einfang, BindungEinfang, Bindung

1. Schritt:1. Schritt:3 Mikrosekunden nach Null3 Mikrosekunden nach Null

Quarks und Quarks und GluonenGluonen bildenbildenHadronenHadronen

(Protonen, Neutronen, etc)(Protonen, Neutronen, etc)

(starke WW)(starke WW)

2. Schritt:2. Schritt:10 10 --300 Sekunden nach Null300 Sekunden nach Null

Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen bilden leichte Kernebilden leichte Kerne

(starke WW)(starke WW)

3. Schritt:3. Schritt:caca 300 000 Jahre nach Null300 000 Jahre nach Null

Kerne fangen Elektronen einKerne fangen Elektronen einund bilden Atomeund bilden Atome

(elektromagnetische WW)(elektromagnetische WW)

4. Schritt:4. Schritt:

Atome bilden SterneAtome bilden Sterne

(Gravitation)(Gravitation)

Dank anDank anTobias Tobias DussaDussa

Jens RehnJens RehnHartmut Hartmut StadieStadie

Patrick Patrick SchemitzSchemitz

CERNCERN

http://http://wwwwww--ekp.physik.uniekp.physik.uni--karlsruhe.dekarlsruhe.de/~feindt/~feindt

http://http://www.physik.uniwww.physik.uni--karlsruhe.dekarlsruhe.de