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Urknall / Die Urknalltheorie - Referat
1. Einleitung
2. Die Urknall Theorie
3. Was war davor?
4. Das Frühe Universum
4.1 Planck Ära
4.2 Die GUT-Ära
4.3 Inflationstheorie
5. Entwicklung des Universums
6. Was passiert mit dem Universum?
7. Fazit
8. Quellenangabe / Zitate
1. Einleitung
Meine GFS im Kurs Physik handelt über die Urknall Theorie oder auch Big Bang Theorie genannt. Das Fach Physik hat mich im diesem Sinne gereizt da die Physik eine Naturwissenschaft ist und mit ihr untersucht man die grundlegenden Phänomene in der Natur. Um deren Eigenschaften und Verhalten anhand von Modellen und Gesetzmäßigkeiten zu erklären, befasst sie sich insbesondere mit Materie und Energie und deren Wirkungen in Raum und Zeit. Die Erkenntnisfortschritte führen beispielsweise zur Anwendbarkeit auf weitere Systeme, zu genaueren Beschreibungen, Vereinfachungen des theoretischen Apparats oder zu neuen oder erleichterten praktischen Anwendungen. Weiter Naturwissenschaften wie Chemie, Biologie, Geologie oder die Medizin sowie aber auch viele Ingenieurwissenschaften nutzen die gewonnen Erkenntnisse und Modelle aus der Physik. Woher aber nimmt die Physik all ihrer Erkenntnisse? Wo hat alles seinen Anfang? So habe ich mir den Urknall als Thema gewählt. In den 〖10〗^(-43) sec der Initialphase des Urknalls die unbeschreiblich kurz war und sich unserm Vorstellungsvermögen völlig entzieht, wurden die Naturgesetze mit den wir vertraut sind im diesem Moment extremer Energie und Hitze erst geboren. Doch obwohl der Urknall für unseren Menschlichen verstand so schwer zu fassen ist wissen wir schon viel.
2. Die Urknall Theorie
Die Urknalltheorie oder ursprünglich genannt ,,Big Bang“ geht davon aus, dass vor ca. 13,7-15 Milliarden Jahren eine gigantische Explosion die eine extrem Expansion verursachte alles ins Rollen brauchte, somit die Geburtsstunde unseres Universums. Alle Teilchen flogen in verschiedene Richtungen, aber woher kommen diese Teilchen? In welchem Zustand sich das Universum vor der Explosion befand, und warum es überhaupt zu dieser riesigen Explosion kam, dass kann keiner leider genau sagen. Anzunehmen ist jedoch so meinen Wissenschaftler, dass das Weltall anfangs auf einen sehr kleinen Raum mit sehr hoher Dichte und Temperatur beschränkt war. Die heute als Standardmodell akzeptierte Urknall Theorie geht von einem Anfangszustand unendlich hoher Temperatur und Dichte des Universums aus, die sogenannte kosmologische Singularität.
Als Expansion oder Hubbel Effekt des Universums werden die Beobachtungen der Abgeleiteten Zunahme der räumlichen Ausdehnung des Universums bezeichnet. Dieses Phänomen wurde erst mal in den 20Jahren von Edwin P. Hubbel entdeckt bis dahin war das Universum starr. Die ständige Zunahme der Entfernung weit voneinander entfernter Himmelskörper konnte Hubbel anhand der Rotverschiebung feststellen und so im Raum definieren. Nachdem sich die Expansion des Universums in den ersten Jahren nach der Inflation seiner Entstehung verlangsamt hat, nimmt die Ausdehnungsrate wieder zu. Die Erklärung hierfür ist noch nicht vorhanden sie ist Gegenstand aktueller Forschung und hat nach ersten Untersuchungen zum Konzept der Dunklen Energie geführt.
Als Dunkle Energie wird in der Kosmologischen Forschung eine hypothetische Form der Energie bezeichnet. Sie dient zur Verallgemeinerung der kosmologischen Konstanten, um die beschleunigte Expansion des Universums erklären zu können. Es gibt jedoch keinen Beweis für die Dunkle Energie. Die physikalischen Eigenschaften der Dunklen Energie sollen sich durch großräumige Kartierung der Strukturen im Universum, wie zum Beispiel bei der Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen, untersuchen lassen.
Wissenschaftler halten es für möglich, dass sich für eine millionstel Sekunde, die starke und schwache Wechselwirkung aufhoben und eine sogenannte "Superkraft" herrschte bestehend aus elektromagnetische Kraft sowie die beiden Kernkräfte. Einige Wissenschaftler sind sich uneinig, dass durch diese Wirkung dieser kurzzeitigen Vereinigung die gesamte Materie und Energie, somit also das Universum, während des Urknalls entstanden ist. Die Theorie sagt weiter aus, dass ungefähr eine Hundertstelsekunde nach dem Urknall Temperaturen von ungefähr 100 000 Millionen Grad das Universum erhitzten und als Folgeerscheinung gab es weder Atome noch Atomkerne, sondern nur die Elementarteilchen in ihrer Struktur vorhanden. Diese Elementarteilchen die häufig negativ geladene Elektronen, positiv geladene Positronen, ladungslose Neutrinos und Antineutrinos sowie Lichtquanten oder Photonen waren. Protonen und neutrale Neutronen hingen gab es nur in kleiner Anzahl, sie wurden aus der reinen Energie geschaffen, doch schon nach kurzer Zeit wieder zerstört. Eine Sekunde nach dem Urknall herrschte immer noch extreme Temperaturen. Erste Atomkerne aus Elektronen und Neutronen entstanden nach einer Zeit von 3-4 Minuten. Es waren Kerne des Wasserstoffes Deuterium, die sich aus einem Proton und Neutron zusammensetzten sowie eine gleiche Landung mit verschiedenen Masseanteilen hatten also Isotope. Diese Isotope waren der Grundbaustein für das Gas Helium, das jedoch zwei Protonen und Neutronen zur Bildung braucht. Die Abkühlung war nach ca. 700 000 Jahren an dem Punkt angelangt, wo sich vollständige Wasserstoff- und Heliumatome, also ohne isotop, bilden konnten. Dass sich die Temperatur vermindert und wieder einigermaßen normalisiert hatte, lag an dem auseinander driften der Teilchen, die somit die Temperatur auseinander trugen und verteilten. Es kam zu Gasanhäufungen oder zu erhöhter Materiekonzentration aufgrund der Schwerkraft, aus denen viel später durch noch größere Anhäufung der Gase Sterne und Galaxien entstanden. Seit der Entdeckung der Expansion stimmt eine hohe Zahl an Meinungen von Wissenschaftlern überein, dass die Erweiterung des sich ausdehnenden Weltalls auch ein Beweis des Urknalls ist. So wird heute angenommen, dass die Ur-Ausdehnung die noch durch diese riesige Explosion bis zum heutigen Tage nicht aufgehört hat. Es wird darüber spekuliert ob es Möglicherweise irgendwann einen Punkt gibt, an dem die Expansion gestoppt wird, und der Umkehreffekt eintritt das bedeutet das Weltall oder Universum zieht sich wieder zusammen. Das ist jedoch noch nicht in absehbarer Zeit und wenn es eintrifft werden wir es sicher nicht mehr Erleben.
Ein Beleg für die Urknall Theorie ist so begründen Wissenschaftler das im Weltall ein gleichmäßiges Hintergrundrauschen unabhängig der Richtung oder dem Standpunkt zu hören ist sowie auf dem Umstand, dass die gesamten Galaxien des Universums mit hoher Geschwindigkeit wie Teile einer Explosion auseinanderfliegen. Die die diese Theorie anerkennen und sie vertreten gehen davon aus, dass das sogenannte Hintergrundrauschen der Rest einer Strahlung ist, die zu Beginn des Universums vorhanden war eine Rest oder Überbleibsel des Urknalls sozusagen. Diese kosmische isotrope Mikrowellen-Hintergrundstrahlung wurde 1965 durch ein Teleskop von den Physikern Robert W. Wilson und Arnold A. Penzias entdeckt und ist eine elektromagnetische Strahlung die auch Drei-Kelvin-Strahlung genannt wird, die sich mit ihrer wellenartigen Verteilung über den Himmel erstreckt und für die ersten Anzeichen der Struktur im frühen Universum gehalten wird.
Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist nicht zu verwechseln mit der Kosmischen Strahlung.
3. Was war davor?
Auch bei dieser Frage scheiden sich die Geister. Es gibt jedoch bei dieser Frage nur Spekulationen denn niemand kann eine Aussage wiederlegen oder belegen. Denn es gibt keinerlei Beobachtungsdaten mit denen man forschen könnte. Wissenschaftler sind auf der Suche nach diesen Hinweisen mit den sie ihre Theorie belegen können.
Der Astronom Florian Freistetter beschreibt einige der Theorien die das ,,Was war davor?“ versuchen zu erklären
Einer der Theorien ist die des ekpyrotischen Universums. Sie besagt oder vermutet das sich unser Universum in einem übergeordneten Multiversums befindet in dem sich auch andere Universen aufhalten und wenn nun zwei oder mehrere kollidieren so kommt es laut der Theorie zum Urknall. Das einzige Problem oder eines der Probleme bei dieser Spekulation wäre dann wie ist das Multiversum entstanden und schon wären wir wieder vor der nächsten Frage und immer so weiter. Eine weiter Theorie wäre das unser Universum sich wie ein Zyklus verhält. Zuerst dehnt es sich aus dann zieht es sich wieder zusammen, dann gibt es wieder einen Knall und alles beginnt von vorne. Dann wäre aber wieder die Frage was hat diesen Zyklus ins Rollen gebracht.
>> Vielleicht GIBT es keine Antwort, weil wir nicht klug genug sind, die Frage richtig zu stellen. Vielleicht gibt es eine Antwort, aber wir werden niemals klug genug sein, sie zu finden. Oder vielleicht finden wir sie ja doch irgendwann mal. Bis dahin kann man über das ultimative “Davor” des Urknalls leider keine konkreten Aussagen machen…<<(1)
4. Das Frühe Universum
Als frühes Universum bezeichnet man alles ab der 〖10〗^(-43) sec nach dem Urknall. Auch hier haben wir das Problem, dass es keine Experimente diesbezüglich gibt also befinden wir uns wieder im Bereich von Spekulationen und Theorien. Das liegt daran das man laut den Freidmann- Lemaîte- Gleichungen glaubt das die Energie und Masse Dichte unvorstellbar groß war.
4.1 Planck Ära
Die Planck Ära beginnt mit der Planckzeit die kleinste Physikalische Zeitangabe (〖10〗^(-43) sec). Sie ist die Zeit die ein Lichtstrahl benötigt um eine Planck Länge zurück zulegen(1,616 · 10−35 m) Entdeckt und benannt nach dem Deutschen Physiker und Nobelpreisträger Max Karl E. L. Planck. Man geht heute davon aus, dass sich das Universum unmittelbar nach dem Urknall im Zustand höchster Symmetrie befand und gleich große Mengen von Materie und Antimaterie existiert haben. In den ersten 〖10〗^(-35) sec dürfte die Energie die Schwelle über schritten haben, bei der im Rahmen der Großen Vereinheitlichten Theorie elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung vereinigt und die Unterschiede zwischen den verschiedenen Materieteilchen auf gehoben sind. Man Vermutet das so Quarks, Elektronen und deren Antiteilchen aus dem Zerfall der in dieser Anfangsphase angenommenen überschweren Teilchen entstanden.
Quarks sind die Ursprungsteilchen aus dem die Neutronen und Protonen aufgebaut sind. Es gibt 12 verschiedene 6 normale 6 Antiquarks. Die gesamte Umgebung alles was wir kenne bestehet aus Quarks außer Elektronen diese sind eine eigene Teilchengruppe.
4.2 GUT Ära
"Grand Unified Theories" oder im deutschen ,,Große vereinheitlichte Theorie“. Kosmologen vermuten das es einen Symmetriebruch gab. Durch diesen Symmetriebruch bildete sich ein geringfügiges Übergewicht von Quarks gegenüber Antiquarks. Später führte jeder Zusammenstoß von Antiquarks mit Quarks zur Vernichtung beider Teilchen unter Freisetzung von Strahlung. Die heute beobachtbare Materie entspricht nach diesem Modell der Zahl der überschüssigen Quarks. Etwa 〖10〗^(-4) sec nach dem Urknall entstanden die ersten Strukturen im Kosmos bis die extrem Expansion die Temperatur des Weltalls unter die für die Elementsynthese erforderliche Grenze absinken ließ. Die in der Planck Ära entstanden Elektronen, konnten sich aufgrund der noch zu hohen Temperatur nicht mit den Atomkernen zu neutralen Atomen verbinden konnten, so blieb das Weltall anfangs für elektromagnetische Strahlung undurchdringlich.
4.3 Inflationstheorie
Wie schnell sich das Universum ausdehnt hat ist natürlich wie der Rest alles nur Theorie. Die Theorie über die Inflation des Universums sagt oder geht davon aus das sich in der 〖10〗^(-35) sec bis zur 〖10〗^(-32) sec also in einer unvorstellbar kurzen Zeit, das Weltall sich um das 1030 bis 1050 ausgedehnt hat. Somit schneller als das Licht! Die Idee zu dieser Annahme hatte der Physiker und Kosmologe Alan H. Guth, die Theorie wurde später von weitern Wissenschaftlern ergänzt. Das Besondere aber an dieser Theorie im Gegensatz zu anderen Theorien ist, dass es durch die Beobachtungen des WMPA- Satelliten der Kosmischen Hintergrundstrahlung laut Wissenschaftler einen Indiz gibt, es handelt sich dabei um Temperatur Unterschiede in der Hintergrundstrahlung die Eigenschaften einer so derartige Expansion des Weltalls belgenkönnten. Die Inflationstheorie kann einige Fragenklären. Wie zum Beispiel >>die globale Homogenität des Kosmos (Horizontproblem), auch die großräumigen Strukturen im Kosmos wie Galaxien und Galaxienhaufen oder auch die geringe Krümmung des Raumes (Flachheitsproblem)<<(2).
5. Entwicklung des Universums
Nach den nun oben genannten schritten folgte nach der Entstehung der Hintergrundstrahlung (300.000 Jahre nach dem Urknall) das dunkle Zeitalter des Universums. Etwa 1 Million Jahre nach dem Urknall entstanden die ersten größeren Materiezusammenballungen, die Vorgänger der heutigen Galaxien. Wie lange das Zeitalter ging lässt sich nicht ganz genau festlegen, Kosmologen vermuten jedoch zwischen 340 Millionen und 400 Millionen Jahren. In dieser Zeit und auch davor war es dunkel es gab kein Licht oder besser gesagt das Licht konnte sich nicht ausbreiten da die Masse und Energie dichte so hoch waren das die Lichtstrahlen nicht hindurch kamen erst nach 400 Millionen Jahren, entstanden aus den Elementen die sich in Gaswolken sammelten, die ersten Sonnen. Diese Sonnen hatten keine sehr langen Leben sie explodierten relativ schnell. Die meisten von ihnen waren sehr massenreiche Sterne so gab es im jungen alter unsers Universums eine Supernova nach der anderen. Mit der Zeit jedoch wurde es einiges ruhiger im Weltall aus den Überresten der Sterne und dem Urknall bildeten sich langsam Galaxien mit vielen kleineren Sternen. Und deren Sonnensystemen so wie unseres. Die Milchstraße ist nicht viel jünger als das Universum an sich selbst.
6. Was passiert mit dem Universum?
Was genau passiert steht in den Sternen jedoch sind die meisten Astronomen, Physiker und Kosmologen der Meinung, dass das Universum sterben wird. Dazu gibt es wieder viele Theorien eine davon nennt man Big Rip. Wie wir bereits wissen dehnt das Universum sich seit seiner Geburt aus und aus unerklärlichen Gründen entsteht überall gleichzeitig neuer Raum. So entfernen sich die Galaxien voneinander die Gravitation hält die einzelnen Galaxien weiter zusammen. Im sogenannten Big Rip Szenario nehmen die Ausdehnungskräfte immer weiter zu bis die Schwerkraft sie nicht mehr ausgleichen kann. Es kommt zum Big Rib vom größten bis zum immer kleinsten Objekten zerreißt es alles in die ursprungsteile. Der Raum so vermutet man dehnt sich dann mit über Lichtgeschwindigkeit aus. Alle Atom Bindungen lösen sich auf kein Teilchen kann mehr mit dem anderen agieren das Universum ist tot.
Eine weitere Vermutung wäre der Wärme Tod oder auch Big Freeze genannt wenn das Universum größer wird so zersetzt sich langsam die Materie. Irgendwann so vermutet man sind die Ressourcen für die Bildung neuer Himmelskörper verbraucht. Das Weltall wird dunkel, die Sterne sterben, schwarze Löcher werden nach Billionen von Jahren sich durch die sogenannte Hawking Strahlung auflösen. Somit hätte das Universum eine totale Entropie und somit tot.
Dann gibt es noch den Big Crunch und Big Bounce Theorie sie besagt sollte eine Tages die dunkle Energie ausgehen so wird die Schwerkraft die stärkste Kraft sein im Universum. Das heißt irgendwann zieht das Universum sich wieder zusammen wie wenn man die Entstehung rückwärts abspult. Es wird wieder kleiner und heißer so heiß das es keine Bindungen mehr gibt. Schwarze Löcher verschmelzen bis es ein riesiges Schwarzes Loch gibt was nun die ganze Masse des Universums in sich hat. Es verschlingt zum Schluss sich selbst so kommt es zum Big Crunch und danach zu einem neuen Urknall laut der Theorie ist das schon viele male passiert.
7. Fazit
Ich muss ehrlich gestehen, dass ich den Umfang des Themas leicht unterschätzt habe. Nach dem ich mit der Theorie des Urknalls und dem groben drum herum auseinander gesetzt habe musst ich feststellen das ich nun mehr Fragen habe als davor es gibt so vieles was wir nicht wissen was noch nicht erforscht wurde. Es wirkt alles so unerreichbar diese gewaltigen Entfernung und die vergangen Zeit. Das Weltall ist einfach Faszinierend, Gefährlich aber auch wunderschön wenn man sich die Aufnahmen des Hubbel Teleskops anschaut. Man fühlt sich so unbedeutend und macht los gegen diese Kräfte und gigantische Sterne. Es hat Spaß gemacht sich über das Thema zu informieren doch leider muss ich sagen das schade ist das so viel nur aus Spekulationen besteht. Am Cern in Genf versucht man einigen Zentralen Fragen der Urknall Theorie auf den Grund zukommen, man versucht die Situation nach zustellen.
>> Ich glaube, wir haben eine gute Chance, die Gesetze zu entdecken, die das ganze Universum regieren<< ~Stephen Hawking~
8. Quellenverzeichnis
Internet
http://www.drillingsraum.de/room-quarks/quarks.html am 15.01.2016
http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/07/28/was-war-vor-dem-urknall/?all=1
am 15.01.2016
http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/13-6-milliarden-jahre-milchstrasse-ist-fast-so-alt-wie-das-universum-a-313697.html am 16.01.2016
http://www.astronomie.de/das-sonnensystem/basiswissen/die-entstehung-des-universum/
am 16.01.2016
http://www.drillingsraum.de/room-universe_end/ende_universum.html am 17.01.2016
https://de.m.wikipedia.org/wiki/Urknall am 15.01.2016
https://de.wikipedia.org/wiki/Big_Bounce am 17.01.2016
Bücher
Der Brockhaus in 15 Bänden (Bände 5,6,7,8,13,14) Druck 1999
Brockhaus in 5 Bänden Naturwissenschaften und Technik (Bände 3,4,5) Druck 1989
Joseph Silk: Die Geschichte des Kosmos
Stephen Hawking Der Große Entwurf
Zitate
Was war vor dem Urknall? Von Florian Freistetter / 28. Juli 2014 S^b Science 〖Blogs〗^TM
Inflation Lexikon der Astrophysik - Andreas Müller; September 2014
Kommentare zum Referat Urknall / Die Urknalltheorie:
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