Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

95 Entwicklung des Universums 23.4 Die Urteilchen der Materie (Quarks, Leptonen, Elektro- nen, Neutrinos) bildeten sich nach der Abspaltung der starken Kernkraft . Bei dieser „Symmetriebrechung“ könnte es zu einer starken Expansion des Universums ( „Inflation“ ) gekommen sein. Nach 10 –10 s trennte sich die elektromagnetische Kraft von der schwachen Kernkraft, die vier Fundamentalkräfte bestimmten das weitere Geschehen. Aus freien Quarks bildeten sich die ersten Nukleonen. Bemerkung: Derzeit lassen dieTheorien über die Evo- lution des Universums die Vorgänge ab einer Zeit von t ≈ 10 –43 s nach dem Urknall beschreiben. Man nennt diese Zeit die Planck-Zeit t c h G 0 5 $ = A1 Rechne nach! In den ersten Sekunden nach dem Urknall bildeten sich die ersten Elemente – schwerer Wasserstoff und Helium. In den nächsten 10000 Jahren dominierte der Elektromagnetismus: Das kosmische Gas war noch ein Plasma mit freien Elektronen. Diese absorbieren jede Strahlung, das Plasma war daher undurchsichtig! In der Folge kühlte die Materie auf 3000 K ab, es bilde- ten sich Atome (hauptsächlichWasserstoff), die Mate- rie und die Schwerkraft gewannen an Einfluss – das Universum wurde durchsichtig. Das Bild des undurch- sichtigen Elektronengases entfernt sich seit damals mit Lichtgeschwindigkeit. Nach einer Milliarde Jahre tritt der Rest der Strahlung nur mehr als Hintergrund- strahlung (Microwave Background Radiation) auf. Bemerkung: Die Reste dieser Strahlung wurden 1965 mit Hilfe der Mikrowellen entdeckt. Arno Pen- zias und Robert Wilson entdeckten beim Test eines Mikrowellenempfängers ein lästiges Rauschen, das gleich in welche Richtung der Mikrowellenempfänger innerhalb eines Tages oder eines Jahres ausgerichtet wurde, immer gleich stark auftrat. Die Herkunft der Mikrowellenstrahlung konnte als Rest der Strahlung des Urknalls erklärt werden. Die Strahlung entspricht heute der Temperatur von ≈ 3 K. Beide Forscher erhiel- ten 1978 den Nobelpreis. Das kosmische Gas bildete in der Folge „Klumpen“, es entstanden die ersten Galaxien, die im Zentrum supermassive Schwarze Löcher enthalten können. Innerhalb der Galaxien bildeten sich kleinere Gas- wolken, die ersten Sterne entstanden. Im Inneren der Sterne entstanden schließlich schwerere Elemente als beim Urknall, die im Endstadium der jeweiligen Ster- ne in das Weltall geschleudert wurden. Sterne der nächsten Generation bildeten sich aus den Materiewolken früherer Riesensterne. Mit ihnen ent- wickelten sich neben Partnersternen auch Planeten- systeme mit Planeten wie unsere Erde. In einem Zeit- raum von 3 Milliarden Jahren entwickelten sich auf der Erde organische Strukturen und das Leben. A2 Ergänze die Abschnitte der Entwicklung des Uni- versums bis zur Gegenwart um Zeitalter, die du aus dem Geschichtsunterricht kennst! (Altsteinzeit, Stein- zeit, ..., Frühe Hochkulturen, Antike, Neuzeit, ...) Abb. 95.1 Die thermische Geschichte des Universums. Während der größte Teil von Helium-4, Helium-3, Deuterium und Lithium-7 etwa 1 Minute nach dem Urknall entstanden, wurden die schwereren Elemente erst einige Millionen bis Milliarden Jahre später im Inneren der Sterne erzeugt. Planck-Skala allumfassende Theorie 10 10 4 10 7 10 10 10 13 10 16 10 19 10 22 10 25 10 28 10 31 10 -43 10 -33 10 -23 10 -13 10 -3 10 7 10 17 (ein Jahr) ( 10 Jahre) 10 Zeit t Temperatur in K T große vereinheitlichte Theorie (Inƒation, Ursprung der Materie) Energie pro Teilchen im größten Teilchenbeschleuniger (LHC, Large Hadron Collider) elektroschwacher Übergang Neutrinos lösen sich von der Materie Nukleosynthese im Urknall (Ursprung von Helium-4, Helium-3, Deuterium und Lithium-7) neutrale Atome bilden sich, Photonen und Materie entkoppeln, Ursprung der Hintergrundstrahlung Existenz von Sternen und Galaxien Quarks vereinigen sich zu Neutronen und Protonen heute Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv