Zuerst werde ich die über die verschieden Eigenschaften der unterschiedlichen Teilchen erzählen.
Ein Teilchen ist definiert durch seine Masse, seine Ladung und seinen Spin.
Der Spin ist vergleichbar mit dem Drehimpuls eines Kreisels. Der Spin tritt
in ganz- oder halbzahligen Vielfachen der Plankchen Konstante. Weitere Eigenschaften
sind die "Lebzeit", Kraft- oder Materieteilchen und ob es normale oder Antimaterie
ist.
Grundsätzlich teilt man die Teilchen in zwei Gruppen ein: in die Fermionen
(Materieteilchen) und in die Bosonen (Trägerteilchen der KrŠfte). Es
gibt allerdings einige Ausnahmen. Der Unterschied zwischen den Fermionen
und den Bosonen ist der Spin. Fermionen haben einen Spin von 0.5 oder 1.5,
Bosonen haben Spins von 0, 1 oder 2. Die Spinwerte werden addiert.
Die Fermionen
Die Fermionen werden ihrerseits in zwei Gruppen unterteilt: in die Leptonen
und in die Quarks.
Die Leptonen (von griech. leptos = leicht) sind Leichtgewichte. Das Elektron
ist ein Lepton. Es gibt noch zwei weitere negativ geladene Leptonen, das
Myon und das Tau, es sind sozusagen schwere Elektronen, und drei Neutrinoarten.
Die Neutrinos sind ungeladen, sie haben entweder keine Masse oder eine sehr
kleine Masse. Sie bewegen sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit und
reagieren fast nie mit normaler Materie. In einer Sekunde durchqueren Milliarden
Neutrinos unsere Körper, ohne dass wir etwas merken. Deshalb ist es
sehr schwierig sie nachzuweisen. Zu jedem Lepton gehört auch ein Antilepton,
dass genau gleich ist, aber eine umgekehrte Ladung hat. Das Antiteilchen
des Elektronen ist das Positron. Es war das erste Antimaterieteilchen, das
man entdeckte. Leptonen kommen meist einzeln und bilden nur unter ganz bestimmten
Bedingungen Gruppen. Alle Leptonen haben ein Spin von 0.5.
Die Quarks (es ist ein Kunstbegriff aus einem Science-fiction Buch) kommen
im Gegensatz zu Leptonen nie einzeln vor, ausser in besonderen Bedingungen
wie kurz nach dem Urknall. Quarks haben Ladungen von +2/3 oder -1/3. Die Quarks
werden nach ihrem Flavour (Geschmack) unterschieden. Das "up", "charme" und
"top" Quark sind positiv geladen, während das "down", "strange" und
"bottom" Quark dagegen negativ geladen sind. Normale Materie besteht ausschliesslich
aus up und down Quarks. Das schwerste Quark, das top Quark, wurde erst vor
einigen Jahren entdeckt und ist so schwer wie ein Goldatom. Quarks haben
zusätzlich zur elektrischen Ladung noch eine Farbladung von rot, grün
oder blau. Antiquarks tragen Antifarben. Alle Quarks haben ein Spin von 0.5.
Gruppierungen von Quarks nennt man Hadronen. Gruppierungen von drei Quarks
nennt man Baryonen (griech. baryos= schwer), Gruppierungen von zwei Mesonen.
Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, da die elektrische Ladung
immer ganzzahlig sein muss. Es würde sonst nicht gehen. Mesonen sind
instabil und zerfallen rasch. Jedes Meson hat auch ein Antimeson. Da Mesonen
einen ganzzahligen Spin haben gehören sie allerdings zu den Bosonen.
Pionen und Kaonen sind Beispiele von Mesonen. Die Baryonen unterteilen sich
wiederum in zwei Gruppen: in die Nukleonen und Hyperionen. Zu den Nukleonen
gehören die Protonen und die Neutronen. Hyperionen sind schwerer als
die Nukleonen und sind instabil. Es ist neulich gelungen, Atomkerne aus Hyperionen
und Nukleonen herzustellen.
Die Bosonen
Die Bosonen sind Trägerteilchen der vier Fundamentalkräfte. Es
sind die Gravitation, der Elektromagnetismus, die schwache und starke Kernkraft.
Beschreibung der Kräfte:
Elektromagnetismus:
Der Elektromagnetismus ist die am besten erforschte Kraft. Sein Trägerteilchen
ist das Photon. Die Masse und Ladung des Photons betragen null, der Spin eins.
Die verschiedenen Photonen unterscheiden durch sich ihre Energien, die von
der Wellenlänge und Frequenz bestimmt sind. Die Photonen bewegen sich
mit Lichtgeschwindigkeit fort. Photonen sehen wir als verschiedene Lichtformen.
Der Elektromagnetismus wirkt auf die verschiedenen Ladungen, hat eine unbegrenzte
Reichweite und ist 10^2 schwächer als die starke Kraft. Der Elektromagnetismus
wir durch die Quantenmechanik beschrieben.
Schwache Kraft:
Die schwache Kraft bewirkt, dass Partikel zerfallen; sie ist für den
Betazerfall verantwortlich. Die schwache Kraft hat drei Trögerteilchen,
die als intermediäre Vektorbosonen zusammengefasst werden. Es sind das
W+, W- und Z-Teilchen. Alle diese Teilchen sind sehr massenreich, 100mal schwerer
als das Proton. Die schwache Kraft wird auch durch die Quantenmechanik beschrieben.
Die schwache Kraft ist die Kraft mit der kürzesten Reichweite und ist
10^13 mal schwächerer als die starke Kraft.
Starke Kraft:
Die starke Kraft hält die Teilchen im Kern zusammen. Sie klebt sowohl
die Quarks zusammen als auch die Protonen und Neutronen im Kern. Da die starke
Kraft sehr stark ist muss sie nur auf sehr kleinem Radius, etwa die Grösse
des Protons wirken, da sie sonst die Elektronen im Kern anziehen würde,
weil sie stärker als der Elektromagnetismus ist. Die starke Kraft wird
durch Gluonen übertragen. Es gibt acht Sorten von Gluonen, die durch
Farbe und Antifarbe bestimmt werden. Es wurde lange gerätselt über
das Trägerteilchen der starken Kraft. Sie wird auch durch die Quantenmechanik
beschrieben.
Gravitation:
Die Gravitation unterscheidet sich stark von den anderen Kräften.
Sie ist die schwächste Kraft, 10^39 mal schwächer als die starke
Kraft. Das Trägerteilchen der Gravitation, das Graviton, ist noch nicht
entdeckt worden. Die Gravitation wird durch die Relativitätstheorie beschrieben.
Vereinheitlichung und Vereinigungen
Ein Ziel der Physiker ist es, die Fundamentalkräfte zur vereinheitlichen.
Einstein war der erste, der versuchte, die Gravitation und den Elektromagnetismus,
die damals best verstandenen Feldkräfte, zu vereinigen; aber vergebens.
1958 begannen Sheldon Glashow und Steven Weinberg, die schwache Kraft mit
dem Elektromagnetismus zu vereinigen. Es war nicht sehr einfach, da man die
Trägerteilchen der schwachen Kraft noch nicht entdeckte hatte, aber
es ist doch gegangen. Zuerst wurden sie von der Fachwelt ignoriert, doch
mit der Zeit interessierten sich immer mehr Leute für sie. Sie bekamen
schliesslich 1973 den Physik-Nobelpreis für elektroschwache Vereinigung.
Doch die Physiker waren mit dem Ergebnis noch nicht zufrieden. So versuchten
sie, die starke Kraft mit der elektroschwachen zu vereinigen. Es gelang ihnen
auch; die neue Theorie wurde G.U.T. getauft, was Grand Unification Theories
bedeutet. Doch die GUT hat einen Nachteil, sie ignoriert die Gravitation.
Der nächste Schritt ist die TOE, Theories Of Everything. Zuerst versuchte
man die Gravitation zu quantifizieren. Doch das ging nicht. Schon früher
hatte man für solche Probleme dem Universum mehr Dimension gegeben, dann
funktionierte es, doch es war unbefriedigend, ein Universum mit bis zu 26
Dimensionen zu haben. Weitere Ideen waren die Stringtheorie und Supersymmetrie.
Das beste Ergebnis heute ist die Superstringtheorie für die grosse Vereinheitlichung.
Als zwei Forscher das direkt nach der Entdeckung ihren Kollegen sagten, dachten
die anderen, sie würden einen Witz machen.
Verhalten von Materie und Antimaterie
Wenn ein Teilchen Materie und ein Teilchen Antimaterie miteinander reagieren,
vernichten sich beide Teilchen und es entstehen Photonen oder je nach Energie
andere Materie-Antimatiere-Paare. Bei Entstehung von Materie entstehen immer
ein Teilchen und ein Antiteilchen; meistens vernichten sie sich gleich nach
der Entstehung. Wenn man das betrachtet, sollte es eigentlich keine Materie
im Universum geben. Die Materie beruht auf eine Assymetrität des Universums;
den Mechanismus, der das auslöst, hat man noch nicht entdeckt. Die Antimaterie
ist die explosivste Substanz im Universum. Mit einem Gramm hat man
schon eine Sprengkraft von einer Kilotonne TNT, was einer Atombombe entspricht.
Astronomen sind nicht sicher, ob die ganze Antimaterie kurz nach dem Urknall
vernichtet worden ist, oder ob es in Teile des Universum Antimaterie gibt,
wäre dies der Fall, würde man an den Grenzgebieten starke Gammastrahlenblitze
sehen.
Der Urknall
Es ist 10^-43 s nach dem grossen Knall. Das Universum ist gerade geboren. Durch den Urknall entstanden Raum, Zeit und Energie; Materie kann sich aus Energie bilden. Es ist hyper dicht und hyper heiss. Es ist so stark komprimiert, dass die Masse eines Galaxiehaufen in den Durchmesser eines Wasserstoffsatoms passte. Die Temperatur betrug 1032 K, Materie konnte unter diesen Bedingungen noch nicht existieren, das Universum war eine Energiesuppe. Die vier Grundkräfte (Gravitation, Elektromagnetismus, schwache und starke Kernkraft) bildeten nur zwei: die Gravitation und die Elektrokernkraft. Es ist noch nicht möglich, noch früher zurückzukehren, da man die Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik noch nicht vereinigen konnte.
Während der inflationären Phase, das heisst 10-35 s nach dem Urknall, hatte das Universum eine Temperatur von nur noch 10^27 K: Die Elektrokernkraft hätte sich in die starke und elektroschwache Kraft spalten sollen, aber sie tat es nicht sofort, und der Kosmos wurde sozusagen unterkühlt. Dabei entstand ein instabiler Zustand, das als falsches Vakuum bezeichnet wird. Eine Folge davon war eine beschleunigte Expansion. Eine andere Folge war die Entstehung von X-Higgs-Bosonen. Die Wechselwirkung dieser Teilchen sorgte dafür, dass das Universum aus dem falschen Vakuum kam. Beim Zerfall von X-Higgs-Bosonen entstanden Materieteilchen; auf einer Milliarde Teilchen Antimaterie entstanden eine Milliarde und ein Teilchen Materie. Das führte dazu, dass es Materie im Kosmos hat.
Am Ende der inflationüren Phase, 10^-33 s nach dem Urknall, betrug
die Temperatur noch 10^26 K. Jetzt tauchten die H-Higgs-Bosonen auf, um die
Spaltung der Kräfte voll zuenden
10^-6 s nach dem Urknall war die Temperatur so weit gesunken, dass sich die
Quarks, weniger angeregt, zu Hadronen vereinigen konnten, so entstanden Protonen,
Neutronen und ihre Antiteilchen. Bei der Vernichtung von Protonen und Antiprotonen
und Neutronen und Antineutronen wurden keine neuen Teilchen erzeugt, da es
nicht genügend Energie hatte. So verschwand die Antimaterie aus dem
Universum. Der Materieüberschuss aus Assymetrität des Universum
wurde entscheidend für die Zukunft. So sind alle Antiprotonen und Antineutronen
verschwunden.
Nach einer Sekunde war das Universum nicht mehr genug heiss, so dass die Reaktionen zwischen Elektronen und Positronen keine neuen Paare erzeugten. So verschwanden auch die Positronen.
Am Schluss blieben nur die Antineutrinos als der Vertreter der Antimaterie übrig, da sie nicht sehr häufig mit den Neutrinos reagieren und durch den Beta-Zerfall von radioaktiven Elementen erzeugt werden.
Nach einer Minute betrug die Temperatur des Universum 10^9 K: Die ersten Atomkerne wurden, aus den Protonen und Neutronen durch die starke Kraft zusammengehalten, gebildet. Es entstanden Wasserstoff-, Deuterium,- Tritium-, Helium-3-, Helium- und Lithiumkerne. Nach der fünften Minute hörte die Bildung der Kerne auf, da das Universum nicht mehr heiss genug war. Das Universum bestand fast zu 100% aus Wasserstoff und Helium. Das Licht wurde durch die freien Elektronen blockiert. Es war noch zu heiss, um vollständige Atome zu bilden. Die restlichen freien Neutronen zerfielen innerhalb der nächsten zehn Minuten.
Nach 300000 Jahren betrug die Temperatur des Universum nur noch 3000 K,
es war kühl genug, um die Elektronen von den Kernen einzufangen. Die
Elektronen in der Hülle der Atome, niemand mehr konnte der Fluss der
Photonen sperren. Das Universum wurde durchsichtig. Diese Strahlung ist noch
heute sichtbar als Hintergrundstrahlung.
Die drei Beweise für den Urknall
1. Die Flucht der Galaxien
1929 bemerkte Edwin Hubble, dass die meisten umliegenden Galaxien von uns
entfernen. Je entfernter sie sind, desto schneller entfernen sie sich. Wenn
man den Film des Universum rückwärts laufen lässt, bemerkt
man, dass sich die Galaxien nähern. Er erklärte die Flucht der
Galaxien durch die Rotverschiebung, die durch den Dopplereffekt entsteht.
Je schneller sich ein leuchtendes Objekt von uns entfernt, desto mehr ändert
sich seine Farbe zum Rot, umgekehrt wird es blau. Mit der Verschiebung kann
man auch die Geschwindigkeit messen: Eine Verschiebung um 1% bedeutet eine
Geschwindigkeit von einem 1% der Lichtgeschwindigkeit. Die meisten Galaxien
weisen Rotverschiebungen auf; sie entfernen sich.
2. Die Hintergrundstrahlung
1946 glaubte Georges Gamow felsenfest an den Urknall. Er postulierte, wenn
die grosse Explosion wirklich stattgefunden hätte, dann wäre sie
von einer Strahlung begleitet worden. Bestätigung in 1965: Arno Penzias
und Robert Wilson empfingen die Strahlung, die das Universum duechflutet.
3. Die chemische Zusammensetzung des Universum
Die Masse des Universums besteht zu 70% aus Wasserstoff und 28% aus Helium.
Die anderen Elemente bilden die restliche Masse. Problem: Das Helium, auch
in den Sternen produziert, ist viel zu häufig vorhanden. Auch in 15
Milliarden Jahren hätten die Sterne nie so viel produzieren können.
Einzige Erklärung: Das Universum musste eine Phase von grosser Heliumproduktion
haben.
Das Ende des Universum
Der Ende des Universum hängt ganz von der kritischen Dichte ab. Die
kritische Dicht beträgt drei 4,5*10^-29 g/cm^3. Dadurch kann ein offenes,
ein flaches oder ein geschlossenes Universum entstehen.
Offenes und flaches Universum
Der Unterschied zwischen den beiden Möglichkeiten ist bei der Fortsetzung
der Expansion verschieden. Im offenen Universum ist die Dichte kleiner als
der kritische Wert; dadurch expandiert das Universum bis in alle Ewigkeit.
Beim flachen Universum ist die Dichte gleich dem kritischen Wert; die Expansion
wird immer langsamer, bis sie stillsteht, geht allerdings nie in eine Kontraktion
über. Das flache Universum besitzt nach allg. Relativitätstheorie
eine euklidische Geometrie. Was im Universum abläuft, bleibt gleich.
Es gibt sogar zwei Arten von offenen Universien: eine mit Protonenzerfall
und eine ohne. Ich erzähle nur über die mit Protonenzerfall, da
nach der G.U.T. Protonen zerfallen. Die genaue Zerfallszeit ist nicht genau
bekannt, sie beträgt ca. 10^32 Jahre. Bei Experimenten geht man davon
aus, dass das eine Durschnittszahl ist und pro Jahr ca. ein Proton von 10^32
Protonen zerfallen; vorläufige Ergebnisse zeigen, dass die Zerfallszeit
grösser sein muss.
In 10^14 Jahren werden die letzten Sterne ausbrennen und die Galaxien werden
verdampfen. Wenn alle Planetenwracks, schwarze Zwerge verdampft sein werden,
ca. nach 10^76 Jahren, bleiben im Universum nur noch Elektronen und Positronen.
Auch die schwarzen Löcher verdampfen, das geschieht so: Wenn in der
Nähe von schwarzen Löchern virtuelle Materie-Antimaterie entstehen,
kann einer der beiden Partner ins schwarze Loch gezogen werden, und da ist
das Problem, das Teilchen braucht dann irgendwo Energie, also zieht es sie
vom schwarzen Loch ab, um reell zu werden. Wenn das genug häufig passiert,
wird ein schwarzes Loch immer kleiner bis es explodiert. Nach ca. 10^100
Jahren werden auch hypersupermassive schwarze Lšcher von der Masse mehrerer
Galaxien verdampft sein. Es bleiben noch Elektronen, Positronen und Neutrinos
übrig in einem immer dünneren Kontinuum aus Photonen. Positronen
und Elektronen können auch Postroniumatome bilden, bei dem die beiden
Partner um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen.
Geschlossenes Universum
Wenn man die Dichte doppelt so gross ist wie der kritische Wert, dann wird
die Expansion in 50 Milliarden Jahren zum Stillstand kommen. Die Hintergrundstrahlung
beträgt ca. 1.5 K. Dann beginnt die Kontraktion. Die Rotverschiebung
geht in eine Blauverschiebung über. Der Durchmesser beträgt dann
120 Milliarden Lichtjahre. 50 Milliarden Jahre nach dem Beginn der Kontraktion
ist das Universum etwa gleich wie heute, ausser dass keine Sterne mehr leuchten.
10 Milliarden Jahre später ist das Universum nur noch ein Hundertstel
so gross wie heute; die Temperatur beträgt 300 K. 60 Milliarden Jahre
nach Beginn der Kontraktion leuchtet das Universum wie am Tag. Gigantische
schwarze Lšcher fressen alles, was ihnen in den Weg kommt: weisse Zwerge,
Neutronensterne oder andere schwarze Lšcher. 300'000 Jahre später ist
das Universum heiss genug, dass sie Atome in Kerne und Elektronen zerfallen.
Einen Monat später ist es heiss genug, dass die Atomkerne in Protonen
und Neutronen zerfallen, die sich wiederum in Quarks auflösen. Danach
kommt das Szenario das Urknalls in umgekehrter Richtung. Die Kräfte vereinigen
sich. 10^-43 s vor dem Ende liegt das Unbekannte.
Es gibt Theorien, die sagen, dass das Universum nicht im Endkrach endet, sondern
es beginnt wieder zu expandieren und der Vorgang beginnt wieder von Neuem,
sogenanntes pulsierendes Universum; oder dass mehrere Universien gleichzeitig
nebeneinander existieren...
Während die Theoretiker die Rätsel um das Schicksal des Universum zu lösen versuchen, stossen sie auf eine Barriere, die unüberwindlich scheint - das Geheimnis der Schöpfung.
Richtiges Antworten (mehrere möglich)
1) Welcher der folgenden Sätze widerspricht dem Urknall:
a) die Entdeckung von schweren Elementen in den ältesten Sternen
b) die Hintergrundstrahlung
c) viel Helium im Universum
d) die Flucht der Galaxien
2) Die Hintergrundstrahlung kommt von...
a)...der kombinierten Strahlung aller entfernten Galaxien.
b)...Wolken heisser Materie in Galaxiehaufen.
c)...der Zeit, als sich die Strahlung von der Materie löste.
d)...der Zeit, als das Universum einige Sekunden alt war.
3) Das bremst die Expansion in einem geschlossenen Universum:
a) die Gravitation
b) Kollisionen
c) die Zeit
d) der Raum selber
4) Die schwache Kraft...
a)...ist eine ermüdete starke Kraft.
b)...lässt Partikel zerfallen.
c)...ist hundert Mal schwerer als ein Proton.
d)...existiert nicht mehr.
5) Die Expansion des Universums ist...
a)...von der Urknalltheorie vorhergesagt.
b)...beobachtet
c)...bereinstimmend mit der Sicht von der Erde auf das Universum
6) Quarks Flavour (Geschmack) sind...
a)...up, down und strange.
b)...Vanille, Erdbeer und Schokolade.
c)...charm, top und bottom.
d)...falsch: Quarks haben keinen Flavour.
7) G.U.T.:
a) Great Union of Tomatoes
b) Grand Unification Theories
c) Gen University Toronto
8) Welches der folgenden Elemente wurde am meisten gebildet:
a) Wasserstoff
b) Kohlenstoff
c) Eisen
d) Uranium
9) Nach der Urknalltheorie begann das sichtbare Universum...
a)...um 4047 v. Chr.
b)...vor 10 Millionen Jahren.
c)...vor 15 Milliarden Jahren.
d)...vor unendlich langer Zeit.
10) Die Bedingungen vor dem Urknall...
a)...können durch Studieren der chemischen Zusammensetzung des
Universum erforscht werden.
b)...können durch die Erforschung von Quasaren erforscht werden.
c)...sind durch das Hubble Gesetz beschrieben.
d)...können nicht erforscht werden, da es kein Vorher gab.
11) Fast alle Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind wurden...
a)...während der ersten Minuten des Universum gebildet.
b)...gerade nach der Rekombination gebildet.
c)...etwa 100'000 Jahren nach dem Urknall gebildet.
d)...später in den Sternen gebildet.
12) Das Neutrino...
a)...ist schneller als das Licht.
b)...hat keine Masse.
c)...hat eine sehr, sehr kleine Masse.
d)...ist negativ geladen
13) Wenn unser Universum ein Urknall-Universum ist, dann sind andere Urknall-Universien...
a)...durch Beobachtung ausgeschlossen.
b)...möglich, aber nicht beobachtet worden.
c)...unmöglich.
d)...definitiv beobachtet worden.
14) Warum ist es unmöglich, das zu erforschen, was vor dem Urknall
war ?
a) Alles war Antimaterie.
b) Alle Elemente und Strukturen wurden durch den Urknall zerstört.
c) Nichts existierte vor dem Urknall.
d) Relativ zu uns, alles vor dem Urknall bewegt sich mit Ueberlichtgeschwindigkeit.
15) Wenn die Dichte des Universums kleiner ist als der kritische
Wert, dann ist das Universum...
a)...offen.
b)...geschlossen.
c)...ewig.
d)...pulsierend.
16) Von aussen sähe der Urfeuerball klein, heiss und dicht aus.
a) Richtig.
b) Falsch: Er sähe gross, heiss und dicht aus.
c) Falsch: Er sähe gross, kalt und dicht aus.
d) Falsch: Der Feuerball füllt den ganzen Raum, man konnte
ihn nicht von aussen sehen.
17) Ein 1 g Antimaterie hat eine Sprengkraft von...
a)...1 g TNT.
b)...einer Atombombe.
c)...einer H-Bombe.
d)...einer B-Bombe.
18) Was denken die meisten Astronomen über die Entwicklung des Urknalls
?
a) Das Universum existiert seit immer, es hat kein Ende und keinen
Anfang.
b) Es hat keinen Sinn über die Entwicklung des Universums zu reden.
c) Das Universum wurde am Mittwoch, 22. März 4001 v. Chr. um 18.00
(Jerusalems Zeit) gebildet.
d) Das Universum begann vor 15 Milliarden Jahren mit einem Urknall.
19) Was ist der Spin ?
a) Die fünfte Kraft.
b) Eine besondere Art Ladung.
c) Drehimpuls eines Teilchens (vergleichbar).
d) Die kinetische Energie eines Teilchens.
20) Das Positron ist ...
a)...positiv geladen.
b)...gleich schwer wie das Elektron.
c)...in grossen Mengen vorhanden.
d)...ein Boson.
21) Die Gravitation...
a)...ist die stärkste Kraft.
b)...wird durch das Graviton übertragen.
c)...ist auf Quantenebene unbedeutend.
d)...wirkt nur, wenn das Universum zwischen fünf und 26 Dimensionen
hat.
22) Welcher der folgende Sätze über die Entstehung der
dominieren den Mengen von Wasserstoff und Helium ist wahr:
a) Wasserstoff entstand in den ersten Minuten nach dem Urknall; Helium
entstand später nach dem Urknall.
b) Der ganze Wasserstoff und fast das ganze Helium entstanden in den
ersten Minuten nach dem Urknall.
c) Wasserstoff entstand nach der Rekombination, Helium wurde später
in den Sternen gebildet.
Antworten: (zum anschauen nächte Zeile markieren)
1a 2c 3a 4bc 5abc 6ac 7b 8a 9c 10d 11d 12b/c (je nach Theorie) 13b 14c 15a
16d 17b 18d 19c 20ab 21bc 22b
Worterklärung:
Allgemeine Relativitätstheorie: Theorie zur Beschreibung der
Einflüsse von Gravitation und Beschleunigung auf die Bewegungen von
Körpern und die Struktur von Raumzeit.
Antimaterie: Materie, die aus Antiteilchen besteht. Antiteilchen haben
umgekehrte Ladungen zur normalen Materie. Antimaterie und Materie vernichten
sich gegenseitig. Der grösste Teil der ursprpnglich vorhandenen Antimaterie
wurde bereits in der ersten Sekunde des Urknalls vernichtet.
Baryon: Hadron bestehend aus drei Quarks. Es gibt zwei Klassen von
Baryonen: Nukleonen und Hyperionen.
Betazerfall: Auflösung radioaktiver Atomkerne, bei der neben
einem Elektron ein Antineutrino ausgesandt wird.
Big Bang: siehe Urknall
Boson: Eine von zwei Elementarteilchenklassen. Boson, zu denen alle
kraftübertragende Teilchen und Mesonen gehören, besitzen einen
Spinwert von null oder einer ganzen Zahl.
Elektrokernkraft: Ergebnis der grossen vereinheitlichten Theorie zur
gemeinsamen Beschreibung von Elektromagnetismus, schwacher und starker Kraft.
Die Elektrokernkraft konnte nur während der extrem hohen Energiedichten
im frühen Universum existieren.
Elektromagnetismus: Kraft, die elektrisch entgegengesetzte geladene
Teilchen anzieht und gleich geladene abstösst. Der Elektromagnetismus
beherrscht alle elektrisch geladenen Teilchen, wirkt dagegen nicht auf neutrale
Teilchen wie Neutronen und Neutrinos.
Elektron: Negativ geladenes Lepton, das meist einen Atomkern umläuft,
aber auch isoliert vorkommt.
Elektroschwache Kraft: Vereinigung von Elektromagnetismus und schwacher
Kernkraft. Die elektroschwache Kraft trat nur bei sehr hohen Energiedichten
in der Frühphase des Universum, 10^-33 s nach dem Urknall, auf.
Farbladung: Abstrakte , nicht mit normalen, sichtbaren Farben verwandte
Eigenschaften, die das Verhalten von Quarks unter der Einwirkung der starken
Kraft beschreibt; man unterscheidet zwischen blauer, roter und grüner
Farbladung. Antiquarks haben Antifarben; die Farbladung eines Hadrons muss
immer weiss ergeben. Weiss entsteht aus rot, grün und blau oder aus
Farbe und Antifarbe (rot und antirot).
Fermion: Eine von zwei Elementarteilchenklassen. Fermionen, zu denen
fast alle Materieteilchen gehören, besitzen einen gebrochenen Spinwert.
Flaches Universum: Universum , dessen mittlere Dichte exakt der kritischen
Dichte entspricht, so dass die Gravitation gerade ausreicht, um die Expansion
zu stoppen. Ein flaches Universum besitzt nach allg. Relativitätstheorie
eine euklidische Geometrie.
Flavour: auch Geschmack. Bezeichnung für die verschiedenen Arten
der Quarks (up, down, strange, charme, bottom, top), die durch eine typische
Kombination von Eigenschaften wie Ladung und Spin definiert werden.
Gammastrahlung: Ernergiereichste Form der elektromagnetischen Strahlung
mit den höchsten Frequenzen und den kürzesten Wellenlängen.
Geschlossenes Universum: Universum, dessen mittlere Dichte einen kritischen
Wert übersteigt, so dass die Schwerkraft dereinst die Expansion des
Raums stoppen und in eine Kontraktion überführen wird.
Gluon: Boson der starken Kraft, das die Quarks zusammenhält. Es
gibt acht verschiedene Sorten von Gluonen, die durch Farbe und Antifarbe bestimmt
sind.
Gravitation: Kraft der gegenseitigen Anziehung von Massen.
Graviton: Hypothetisches Boson der Gravitation. Gravitonen konnten
bislang experimentell nicht nachgewiesen werden.
G.U.T.: Grand Unification Theories, theoretische Ansätze zur
gemeinsamen Beschreibung von Elektromagnetismus, starker und schwacher Kraft
und ihrer Vereinigung zur Elektrokernkraft.
Hadron: Elementarteilchen, das der starken Kraft unterliegt. Es gibt
zwei Klassen von Hadronen: Mesonen und Baryonen. Hadronen setzen sich aus
Quarks zusammen.
Heisenbergsche Unschärferelation: Die mathematische Beschreibung
der Tatsache, dass im Bereich der Quantenphysik bestimmte Messwertpaare (z.B.
Ort und Geschwindigkeit eines Elementarteilchens) nicht gleichzeitig mit
beliebiger Genauigkeit bestimmt werden können, da die Messung der einen
Grösse jeweils die andere Grösse beeinflusst.
H-Higgs-Boson: Theoretisches Teilchen, das die vereinte elektroschwache
Kraft in elektromagnetisch und in die schwache Kraft aufspalten konnte H-Higgs-Bosonen
hätten demnach nur im Zeitraum zwischen 10^-33 und 10^-12 s nach dem
Urknall existiert.
Hyperion: Alle Baryonen ausser Proton und Neutron. Hyperionen haben
häufig exotische Quarks. Lambada- und Sigmateilchen sind Beispiele von
Hyperionen.
Inflation: Hypothetische überschnelle Expansion des Universums
etwa 10^-35 s nach dem Urknall.
Intermediäre Vektorbosonen: Trägerteilchen der schwachen
Kraft: W+ und W- sind geladen, während das Z-Teilchen ungeladen ist.
Kosmische Hintergrundstrahlung: Nachweisbare, konstante Strahlung im
Mikrowellenbereich, die aus allen Himmelsrichtungen mit gleichmässiger
Intensität auf die Erde trifft und allgemein als "Nachglühen" des
heissen Universum nach dem Urknall angesehen wird.
Kritische Dichte: Entscheidende Marke für die mittlere Dichte
des Universum, gegenwärtig bei 4,5*10^-29 g/cm^3 liegend. Das Verhältnis
zwischen kritischer und wirklicher Dichte des Universums bestimmt seine Geometrie
(offen, flach oder geschlossen) und damit seine Zukunft.
Lepton: Ein subatomares Teilchen, das nicht der starken Kraft unterliegt.
Zu den Leptonen gehören unter anderem Elektronen und Neutrinos.
Leptoquark: Hypothetisches, massereiches subatomares Teilchen, das
einer Theorie zufolge die Umwandlung von Leptonen in Quarks und umgekehrt
ermöglichte. Leptoquarks können nur in einer sehr kurzen Periode
am Anfang des Universums existiert haben, die bei 10^-43 s nach dem Urknall
begann.
Masse: Mass für die Materialmenge eines Körpers, definiert
und messbar aufgrund der Gravitationswirkung und Trägheit.
Materie: Eine Teilgruppe der Fermionen ohne die Antiteilchen.
Neutrino: Ungeladenes Elementarteilchen mit sehr kleiner oder ganz
ohne Masse, das sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen kann.
Neutron: Ungeladenes, unter normalen Umst„nde nur im Atomkern vorhandenes
Teilchen, dessen Masse ungefähr der eines Protons entspricht.
Nukleonen: Baryonen in den normalen Atomkernen. Proton und Neutron
sind die Nukleonen.
Offenes Universum: Universum, dessen mittlere Dichte unter der kritischen
Dichte bleibt, so dass die Expansion nicht gestoppt werden kann.
Photon: Mit einer bestimmten Frequenz ausgestattetes Tr„gerteilchen
der elektromagnetischen Kraft oder Strahlung mit der Masse null, verhält
sich wie ein ungeladenes Partikel, das den Raum mit Lichtgeschwindigkeit durchdringt.
Pion: Meson, aus einem up und down Quark, von denen eines ein Antiquark
ist, kann positiv, negativ geladen oder ungeladen sein.
Plasma: Ein Gas aus ionisierten Teilchen, die kollektiv auf elektrische
oder magnetische Kräfte reagieren können; da sich Plasma anders
verhält als normales Gas, spricht man auch vom vierten Aggregatzustand,
neben fest, flüssig und gasförmig.
Positron: Antiteilchen des Elektrons mit einer positiven Elementarladung.
Proton: Positiv geladenes Kernteilchen, dessen Masse rund 2000mal grösser
ist als die eines Elektrons.
Quantenchromodynamik (QCD): Quantentheorie zur Beschreibung der starken
Kraft zwischen den Quarks.
Quantenelektrodynamik (QED): Quantentheorie zur Beschreibung der elektromagnetischen
Kraft zwischen den Elementarteilchen.
Quantenmechanik: Mathematische Beschreibung der Gesetze, nach denen
Elementarteilchen miteinander wechselwirken, zerfallen oder grössere
Einheiten bilden.
Quark: Elementare Struktureinheit, aus der sich Teilchen wie Protonen,
Neutronen oder Pionen zusammensetzen.
Raumzeit-Kontinuum: Vierdimensionales System mit den drei Raumkoordinaten
und der Zeit als vierte Koordinate.
Rotverschiebung: Dehnung der Wellenlänge einer elektromagnetischen
Strahlung und die Verschiebung ihrer Spektrallinien zum langwelligen (roten)
Ende des Spektrums hin. Eine Doppler-Rotverschiebung ist auf eine Relativbewegung
zwischen Strahlungsquelle und Beobachter zurückzuführen, eine Gravitations-Rotverschiebung
auf die relativistischen Effekte im Schwerefeld eines massereichen Körpers
und die kosmologische Rotverschiebung auf die Expansion des Universums. Die
Verkürzung von Strahlung heisst Blauverschiebung.
Schwache Kernkraft: Kraft sehr kurzer Reichweite, die für den
Teilchenzerfall verantwortlich ist.
Spin: Abstrakte Eigenschaft von Elementarteilchen, vergleichbar mit
dem Drehimpuls eines Kreisels. Spin tritt in ganz- oder halbzahligen Vielfachen
der Plankschen Konstanten auf.
Starke Kernkraft: Die Kraft, die Quarks zu subatomaren Teilchen sowie
Protonen und Neutronen zu Atomkernen bindet.
Stringtheorie: Theorie, dass subatomare Teilchen aus winzigen, eindimensionalen
Strings (Saiten) entstehen und die Anordnung und Schwingung dieser Strings
bestimmt werden.
Superstringtheorie: Eine Supersymmetrie-Version der Stringtheorie.
Supersymmetrie: Theorie der Elementarteilchenphysik, nach der jedes
Fermion oder Boson ein Gegenstück mit umgekehrtem Spin besitzt.
Symmetrie: In der Physik zur Beschreibung von Grössen verwendet,
deren Zustand trotz Transformationen in ihrem Wechselwirkungsbereich unverändert
bleibt.
Teilchenzerfall: Die spontane Umwandlung eines Teilchens in ein anderes
oder mehrere andere Teilchen, die ihrerseits auch wieder zerfallen können.
TOE: Theory of Everything. Angestrebte umfassende Beschreibung aller
bekannten physikalischen Erscheinungen, einschliesslich der Gravitation, durch
die Gesetze der Quantenmechanik.
Urknall: Eine heute weithin akzeptierte Theorie zur Entstehung des
Universums, der zufolge das Weltall explosionsartig aus einem Zustand unendlicher
Dichte hervorging.
Virtuelle Teilchen: Extrem kurzlebige, quasi aus dem Nichts entstehende
Partikel, wie die Unschärferelation zulässt. Obwohl sie kurze Zeit
existieren, um direkt beobachtet zu werden, kann man die Auswirkungen ihrer
Existenz erkennen.
X-Higgs-Boson: Theoretisches massereiches Teilchen, das die starke
Kraft von der ursprünglich vereinten Elektrokernkraft abtrennen konnte:
X-Higgs-Bosonen können demnach nur während eines sehr kurzen Zeitraums
ab 10^-35 s nach dem Urknall existiert haben. Der Theorie nach sorgte ihr
Zerfall für einen geringen aber wichtigen šberschuss an normaler Materie
gegenüber der Antimaterie.
Bibliographie:
-Reise durch das Universum: Der Kosmos; Time Life
-Reise durch das Universum: Strukturen des Universums; Time Life
-Reise durch das Universum: Grenzen der Zeit; Time Life
-Science et Vie Junior Nr. 71
