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12. März : Fortgesetzte Entgrenzung
die Entwicklung unseres Weltbildes
2. April : Entstehung, Entwicklung und Zukunft
des Planeten Erde
21. Mai : Vergangenheit und Zukunft
unseres expandierenden Universums
Horizonte in Raum und Zeit
Eine dreiteilige Vortragsreihe von Prof. Dr. Joachim Block, DLR
Beim letzten Vortrag ging es um die Geschichte der Erde…
Alter: 4,56 Milliarden Jahre
Chemische Zusammensetzung:
Innerer Erdkern : 94 % Eisen, 6 % Nickel
Äußerer Erdkern : 85 % Eisen, 5 % Nickel,
5 % Sauerstoff, 5 % Schwefel
Erdmantel: 44 % Sauerstoff, 22.8 % Magnesium,
21 % Silizium, 6.3 % Eisen, 2.5 % Calcium,
2.4 % Aluminium, 1 % übrige Elemente
Erdkruste : 46 % Sauerstoff, 28 % Silizium,
8 % Aluminium, 6 % Eisen,
4 % Magnesium, 2.4 % Calcium,
5.6 % übrige Elemente
Die Erwartung der frühen Jahre – alles bemannt ! Wo kamen diese Elemente her ?
Sie waren in der Gas- und Staubwolke, aus der
vor ca. 4,6 Milliarden Jahren die Sonne entstand
(gleichzeitig mit vielen anderen Sternen) schon
enthalten gewesen – sonst hätte der Prozess der
Planetenbildung gar nicht ablaufen können
Das funktionierte aber nur, weil die Sonne einer
späteren (jüngeren) Sterngeneration angehört…
Wasserstoff Helium
Im frühen Universum, vor etwa 13 Milliarden Jahren, gab es nur Wasserstoff und etwas
Helium als Produkte des „Urknalls“. Alle anderen Elemente sind erst in den Jahrmilliarden
danach in den Sternen entstanden: bis zum Eisen (Ordnungszahl 26) durch „normale“
Kernfusion, darüber hinaus nur durch Supernova-Explosionen sehr großer Sterne
Was die ältesten Sterne noch nicht haben konnten…
In Kugelsternhaufen gibt es zahllose uralte Sterne der „ersten Generation“ (12-13 Mrd. Jahre alt).
Sie dürften kaum Planeten haben, weil die Elemente, aus denen Planeten bestehen , bei ihrer
Entstehung noch gar nicht existierten. Auch Sauerstoff existierte noch nicht, und deshalb gab es
im frühen Universum auch noch kein Wasser (H2O) - entgegen zahlreichen Schöpfungsmythen
Als unser Sonnensystem vor rund 4,6 Mrd. Jahren entstand,
war unsere Galaxis bereits über 9 Milliarden Jahre alt…
Unsere Sonne:
Ein unbedeutender Stern
an einem unbedeutenden
Ort in einem Randbereich
unserer Galaxis, der
Milchstraße
Seit Hubble wissen wir, dass das Weltall expandiert
1 Megaparsec (MPc)
= 3,26 Mio. Lichtjahre
= 3,08 1019 km
Hubble maß erstmals die nach ihm benannte
Hubble-Konstante, deren Wert bis heute immer
weiter nach oben korrigiert wurde:
Umkehrschluss: es muss einen Anfang gegeben haben !
Die Rückrechnung der Expansionsbewegung ergab zunächst mangels genauerer
Messwerte aus wirklich (!) großen kosmischen Entfernungen einen zu kleinen Wert:
In den 1960ern schätzte man das Weltalter auf lediglich etwa 5 Milliarden Jahre.
Heute wissen wir: es sind 13,7 - 13,8 Milliarden Jahre.
Außerdem nahm man an, die Expansion würde durch die Schwerkraft der im
Universum eingeschlossenen Materie auf jeden Fall verlangsamt, selbst dann,
wenn sie nicht ausreichen würde, die Expansion in eine Kontraktion umzudrehen
(Analogon: ein nach oben geworfener Körper im Schwerefeld)
Der finale Horizont
der Sichtbarkeit…
liegt etwas mehr als 13 Milliarden
Jahre in der Vergangenheit (bzw.
13 Milliarden Lichtjahre entfernt)
„billion“ = amerikanisch für Milliarde
Von der Freisetzung der Hintergrundstrahlung bis zur
Bildung der ersten Sterne – das „dunkle Zeitalter“
Zeitverlauf der Energiedichte von Strahlung und Materie
Entkopplung von Materie und
Strahlung 380 000 Jahre nach
dem Anfang – der Ursprung der
kosmischen Hintergrundstrahlung
Die Entdeckung der Hintergrundstrahlung
Penzias und Wilson, 1965
Sie liegt im Mikrowellenbereich und
entspricht heute nur noch einer
„Strahlungstemperatur“ von 2,7 Kelvin,
aber sie ist ein „Nachglühen“ des
Urknalls und kommt gleichmäßig
aus allen Himmelsrichtungen
Man versucht gegenwärtig ein Verständnis des Urknalls auf dieser Basis: ein Raum
mit n 4 Raumdimensionen tunnelt in eine (3+1)-dimensionale Raumzeit
Und was geschah in der
strahlungsdominierten Ära
vor der Freisetzung der
Hintergrundstrahlung ?
380.000 J.
Sekunden
Um das zu diskutieren, gehen wir ganz an den Anfang der Zeit
Zeit zurück, in die sog. Planck-Ära ( 10-43 Sekunden nach „Null“ )
Eines der vielen möglichen diskutierten Anfangsszenarien:
Entstand die Welt aus einem kosmologischen Tunneleffekt ?
Da die (nicht-inflationäre) Ausdehnung des Universums proportional zur Quadratwurzel
aus der Zeit erfolgt, bedeutet eine formale Extrapolation über den Nullpunkt hinaus
(zu t < 0), dass der „Weltradius“ imaginär wird. Die Einbeziehung imaginärer Zeit- bzw.
Raumkoordinaten ist jedoch charakteristisch für Quantentunneleffekte. Man versucht
gegenwärtig ein Verständnis des Urknalls auf dieser Basis zu erlangen: ein Raum mit
n 4 Raumdimensionen tunnelt in eine (3+1)-dimensionale Raumzeit.
Aber das ist bis jetzt nur eine von vielen diskutierten Hypothesen: Wir werden wohl
erst mehr wissen, wenn es viel bessere Gravitationswellendetektoren gibt als heute
Erst ab der „Planck-Ära“ werden die Abläufe verstehbar…
Der früheste Zeitpunkt, über den man mit dem heutigen Wissensstand der Physik ansatz-
weise Aussagen treffen kann, ist die sogenannte „Planck-Ära“, in der die vier Grundkräfte
der Physik noch in einer quantenmechanischen Einheit vereinigt waren. Sie umfasst die
ersten 10-43 Sekunden (= den zehnmillionsten Teil eines Millionstels eines Millionstels eines
Millionstels eines Millionstels eines Millionstels einer Millionstelsekunde ).
Die „Temperatur“ betrug 1032 K. Danach sind die vier Grundkräfte nacheinander „ausgefroren“
10-43 sec 10-35 sec 10-11 sec Zeit
GUT*
*Grand Unified Theory
„Urknall“
Planck-Ära
GUT-Ära
Bis 10-35 sec „nach Null“ – die „GUT“-Ära
Während die Abspaltung der Gravitation
noch physikalisches „Neuland“ ist, ist die
Forschung hinsichtlich der folgenden Ära,
in welcher die drei übrigen Grundkräfte
noch vereinheitlicht blieben, schon weiter.
Hier arbeiten die Physiker weltweit an
einer sog. „Grand Unified Theory“ (GUT).
Diese Periode heißt „GUT-Ära“ und
ist zwar immer noch nur ein winziger
Zeitabschnitt (10-35 sec), aber immerhin
acht Zehnerpotenzen länger als die
Planck-Ära (10-43 sec).
Am Ende der GUT-Ära kommt es zum
Abkoppeln der starken Wechselwirkung
von der „elektroschwachen“ Kraft
(= der verbleibenden Einheit der
restlichen beiden Grundkräfte) und zur
inflationären Aufblähung des jungen
Universums.
Der mit der Abkoppelung der starken Kraft
einhergehende Symmetriebruch führt zu
einem Absinken der Energiedichte im
Universum derart, dass es sich
„inflationär“ innerhalb einer winzigen
Zeitspanne um mindestens 26,
möglicherweise bis zu 50
Zehnerpotenzen aufbläht.
Hieraus erklärt sich die heutige
großräumige Gleichförmigkeit der
kosmischen Hintergrundstrahlung.
Zu Beginn der „elektroschwachen Ära“ (nach der Inflation) existieren Quarks und
Leptonen sowie ihre Antiteilchen (samt den Gluonen, den Koppelungsquanten der
Quarks) in einem ultraheißen Quark-Leptonen-Plasma. Unterhalb einer Temperatur
von 1013 Kelvin (etwa 10-6 sec nach dem Urknall) bilden sich aus je drei Quarks
(bzw. Antiquarks) die Hadronen (Protonen und Neutronen) bzw. ihre Antiteilchen.
Zunächst sind Teilchen und Antiteilchen gleichermaßen vorhanden und stehen mit
der Strahlung im thermischen Gleichgewicht, aber es gibt winzige Fluktuationen.
Schließlich wird eine solche Fluktuation „eingefroren“, und nachdem sich fast alle
Elementarteilchen und ihre Antiteilchen gegenseitig zerstrahlt haben, bleibt ein
winziger Überschuss an „normaler“ baryonischer Materie übrig, aus dem praktisch
die gesamte heutige Materie besteht:
Synthese der Materie
Primordiale Nukleosynthese
Bei unter 900 Millionen Kelvin konnten sich schließlich durch die Bindung von Protonen
und Neutronen die ersten leichten Atomkerne (abgesehen vom elementaren Wasserstoff)
bilden, nämlich Deuterium (= das schwere Wasserstoff-Isotop) und Helium – alle anderen
Elemente sind dann erst später in den Sternen entstanden. Diese Kernsynthese
dauerte etwa 3 Minuten, und weil in dieser Zeit bereits ein Teil der freien Neutronen
wegen deren geringer Halbwertszeit zerfiel, gibt es heute einen Überschuss von 7:1 der
Protonen gegenüber den Neutronen im Universum.
Diese primordiale Nukleosynthese (insbesondere Entstehung von Heliumkernen) gleicht
der Fusion in den Sternen mit einem wichtigen Unterschied: Die ersten Neutronen waren
Produkte der Hadronenära des Urknalls, in den Sternen hingegen können Neutronen nur
durch Umwandlung von Protonen bei der Bildung von Deuterium entstehen ( schwache
Wechselwirkung)
Uff ! Nach einigen leider sehr theoretischen Folien…
… sind wir wieder da angelangt, wo wir vorhin schon
gewesen waren: Bei der Freisetzung der kosmischen
Hintergrundstrahlung 380 000 Jahre nach dem Anfang
Die kosmische Gegenwart
Das sichtbare Universum enthält
einige –zig Milliarden Galaxien,
die ihrerseits jeweils Hunderte von
Milliarden Sternen enthalten, die
meisten davon vermutlich mit
Planeten. Die Zahl möglicher
lebentragender Planeten ist
unfassbar gross…
Die größten bekannten Strukturen im Universum sind Filamente von Galaxienhaufen mit
riesigen Leerräumen dazwischen.
Die sichtbare Materie reicht für den Zusammenhalt dieser Strukturen bei weitem nicht aus.
Es gibt viel mehr „Dunkle Materie“, die wir noch nicht verstehen
Die größten Strukturen und die „Dunkle Materie“
Seit den 1980er Jahren enthüllen
Weltraumteleskope wie „Hubble“:
Mögliche Expansionsmodelle
Bis in die 1980er Jahre glaubte man, eines der linken Modelle
entspräche der Wirklichkeit: Die Gravitation der im Universum
eingeschlossenen Materie würde die Expansion entweder
irgendwann rückläufig machen, oder sie würde die Expansion
wenigstens spürbar verlangsamen. Obwohl zwischenzeitlich
noch die „dunkle Materie“ entdeckt wurde, die zur Gravitation
stark beiträgt, wissen wir seit 1995 die schockierende Wahrheit…
Trotz „dunkler Materie“ zusätzlich zur baryonischen Materie:
Die Expansion das Universums beschleunigt sich !
Ausdehnung des Raumes
Zeit seit dem Urknall
Aufnahme: Hubble Deep Space Field
Reißt die Dunkle Energie am Ende alles auseinander ?
Die Fluchtgeschwindigkeit aller Galaxien (außer der kollabierten Lokalen Gruppe)
wird über der Lichtgeschwindigkeit liegen, sie werden einfach „entschwinden“.
Spätestens 1014 Jahre nach dem Urknall sind dann auch die letzten Sterne erloschen.
Möglicherweise lässt die Dunkle Energie in noch größeren Zeiträumen auch alle Körper,
sogar alle Atome und schließlich alle Elementarteilchen zerplatzen (ist noch unerforscht)
„Es ist aus einer Quantenfluktuation entstanden und
wird am Ende wie eine Seifenblase zerplatzen“
Ist das die Wirklichkeit ? Könnte sein…
Konsequenzen der quantenmechanischen Unschärfe
Die endliche (= von Null verschiedene) Größe des Planckschen Wirkungsquantums
macht alle Prozesse in unserem Universum im quantenmechanischen Bereich „körnig“,
d.h. Prozesse sind auf der Mikroebene prinzipiell nicht schärfer bestimmt.
Dies ist gleichzeitig der Grund dafür, dass
es in unserem Universum keine Vorherbestimmung
und kein „Schicksal“ geben kann. Sämtliche
Prädestinationslehren sind a priori falsch.
Aber wieso können wir dann überhaupt irgendwelche
physikalischen Vorhersagen machen ?
Unser Universum besitzt eine von Anfang an
eingeprägte quantenmechanische Unschärfe
Gedankenexperiment: Schrödingers Katze
• Physikalische Zustände können nur bis auf die Planck´sche Konstante genau
zusammen bestimmt werden, darunter sind sie prinzipiell unscharf.
• Das hat weitreichende Konsequenzen: Es gibt kein determiniertes Schicksal für
Systeme, die von Variationen der „Mikrozustände“ abhängig sind (z.B. Menschen)
• Das Verhalten von Makrosystemen (z.B. Sternen) kann hingegen genau berechnet
werden, weil alle Mikrozustände in denselben Makrozustand konvergieren.
Welchen Ozean hätten Sie denn gern ?
Die Unbestimmtheit auf quantenmechanischer Ebene lässt auch z.B. die Wassermoleküle
in einem Ozean ständig woanders sein und unvorhersagbar miteinander wechselwirken.
Weil die Art der Wechselwirkung aber einfach und gleich ist, bleibt der Makrozustand des
Ozeans einfach berechenbar, auch wenn es sich bei dem Ozean im linken Bild streng
genommen um einen „anderen“ handelt als bei dem im rechten Bild.
Das gleiche gilt für die Atomkerne in einem Stern, z.B. in der Sonne: Schon nach kurzer
Zeit führt die quantenmechanische Unschärfe zu völlig anders verteilten Atomkernen und
streng genommen zu einem „anderen“ Stern: Aber der Makrozustand ist völlig gleich und
darum auch einfach vorhersagbar – selbst über Milliarden Jahre
Unterschied zwischen Mikro- und Makrosystemen
Bei komplexen Systemen, z.B. Lebewesen, können mikroskopische Zufälle sofort
schwerwiegende makroskopische Folgen haben:
Beim Menschen geht das im Augenblick der Zeugung los: Wenn die dabei involvierten
Vorgänge nur im Millisekundenbereich anders ablaufen, kommt ein völlig anderer Mensch
heraus. Innerhalb von 1-2 Generation ergibt das eine völlig andere Menschheit.
Auch der Tod kann durch winzige Zufälle eintreten, z.B. durch eine Wespe, die einen
Fahrer einen Augenblick lang ablenkt. Die Gesamtheit aller „winzigen“ Schwankungen
führt binnen kurzer Zeit zu einer anderen, im Detail nicht vorhersagbaren Welt
Im Resultat ist das „Schicksal“ der Menschheit völlig offen, weil wir nicht in einer
prä-determinierten Welt leben. Alle Prädestinationslehren sind physikalisch unsinnig.
Jupiter und seine Monde • „Aber es muss doch einen Sinn haben“
Dieses Argument wird oft gebracht, aber es ist unzutreffend. Unsere Kultur ist von
eschatologischen Theorien und Heilslehren geprägt worden, nach denen Alles einen
tieferen Sinn hat, um dem jeweiligen eschatologischen Ziel näher zu kommen.
Ein Universum, das ohne tieferen Sinn spontan entsteht und wieder vergeht, passt
da nicht hinein. Dabei lehrt uns schon die Mathematik, dass nicht Alles einen Sinn
haben muss, sondern dass zahlreiche Dinge „wahr“ und doch „sinnlos“ sind:
• Welchen Sinn hat es, dass 11 eine Primzahl ist und 12 nicht ?
• Welchen Sinn hat es, dass der Satz des Pythagoras immer und überall gilt ?
• Welchen Sinn hat es, dass = 3,14159265…. ist und keinen anderen Wert hat ?
Eigentlich müssten wir in diesem Zusammenhang auch noch das „schwache“ bzw.
„starke Anthropische Prinzip“ diskutieren, aber dazu reicht heute die Zeit nicht
Der „Urknall“ und seine Folgen
• Die allerersten 10-43 Sekunden des Urknalls nennt man „Planck-Ära“, weil in diesem
allerersten Augenblick alle vier Grundkräfte quantisiert und ununterscheidbar waren:
(1.) Gravitation, (2.) starke Kraft (Kernkraft), (3.) elektromagnetische Wechselwirkung
und (4.) schwache Wechselwirkung. Diese sind dann nacheinander „ausgefroren“ (bei
immer noch unvorstellbar hohen Energiedichten bzw. Temperaturen).
• Am Anfang war das Universum strahlungsdominiert, seit einem Zeitpunkt 380.000
Jahre später wird es von der Materie dominiert. Nach einem „dunklen“ Zeitalter
entstanden etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne.
• Erst durch Kernfusion in den Sternen wurden alle Elemente schwerer als Helium
erzeugt, d.h. erst ab frühestens 1 Milliarde Jahren nach dem Urknall konnten
überhaupt terrestrische Planeten und irgendwann auch Lebewesen entstehen.
• Heute läuft das Universum in eine zweite, sich beschleunigende inflationäre
Expansion hinein. Wohin das führen wird, ist noch unbekannt. Aber selbst wenn die
Sterne in den einzelnen Galaxien davon nicht betroffen werden, so sind doch
spätestens 1014 Jahre nach dem Urknall sämtliche Sterne ausgebrannt.
• Wegen der quantenmechanischen Unschärfe aller Prozesse kann man langfristig
nur Entwicklungen vorhersagen, wo alle Mikrozustände in denselben Makrozustand
münden (z.B. Sternentwicklung). Systeme, deren Schicksal „vom Flügelschlag eines
Schmetterlings“ abhängen (z.B. Menschen) sind prinzipiell nicht vorherbestimmt.
Einen „tieferen Sinn“ kann das Universum für uns daher nicht haben
Consolatio Philosophiae ?
Vielleicht wäre es ein
philosophischer Trost
für uns, wenn wir durch
unsere Weltraumforschung
irgendwo da draußen bald
noch weitere denkende
Wesen finden würden, mit
denen wir diese Gedanken
teilen könnten…
Plakette auf Pioneer-10 und -11
sowie Voyager-1 und -2
Consolatio Philosophiae
Schade, dass Ihr so
weit weg seid und
sich dann auch noch
alles ausdehnt… Finden wir auch.
Ein richtig blödes
Universum, in dem
wir leben !