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Aufbau der Materie

Teilchenphysik: Ein Blick auf die Entstehung des Universums

Seit Jahrtausenden faszinieren die Menschheit sowohl der Sternenhimmel als auch die Frage nach der Struktur von Materie. Beide Fragen hatten lange Zeit nichts miteinander zu tun. Heute weiß man: Die Natur des Universums im Großen wird durch die Struktur der Materie im Kleinen bestimmt. Die Ursache für diesen engen Zusammenhang liegt im Wesentlichen in der Ausdehnung des Universums , also der Urknalltheorie. Damit erlaubt die Elementarteilchenphysik, zusammen mit astronomischen Beobachtungen, eine Beschreibung der Geschichte des Universums.

Das Universum dehnt sich aus

Edwin Hubble (1889-1953)

1929 erkannte der amerikanische Astronom Edwin Hubble (Abb.), dass Galaxien sich mit umso größerer Geschwindigkeit von uns wegbewegen, je weiter sie von der Erde entfernt sind. Eine mögliche Veranschaulichung dieses Sachverhalts bietet der Vergleich mit Punkten auf der Hülle eines Luftballons: Wird dieser aufgeblasen, entfernen sich die Punkte ebenfalls alle voneinander.

Veranschaulichung des Zusammenhanges zwischen Ausdehnung und Entfernungszunahme

Hubbles Entdeckung war also gleichbedeutend mit dem Nachweis der Ausdehnung des Universums. Wenn das Universum sich aber ausdehnt, muss es zu einem früheren Zeitpunkt in einem Punkt konzentriert gewesen sein. Der Beginn des Expansionsprozesses wird auch Urknall genannt und hat nach heutiger Kenntnis vor ca. 15 Mrd. Jahren stattgefunden.

Die Ausdehnung des Universums bedeutet dabei ebenfalls eine Abkühlung. Etwa 10-8sec nach dem Urknall hatte das Weltall eine Temperatur von 1014 Kelvin, heute hat es sich auf 2.73 Kelvin (- 270oC) abgekühlt. Die sog. kosmische Hintergrundstrahlung, die dieser Temperatur entspricht, ist ein anderes wichtiges Indiz für die Urknalltheorie.

Wenn Materie sehr heiß ist, ist sie nicht stabil, und die einzelnen Teile bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit. Die festen Bindungszustände der Materie, die wir aus unser Alltagserfahrung kennen, können in dieser Umgebung nicht existieren. Vielmehr handelt es sich um genau die Situation, die in modernen Beschleunigerexperimenten der Teilchenphysik erzeugt und untersucht wird.

Die Geschichte des Universums

Und damit haben wir die Verbindung zwischen anscheinend weit entfernten Gebieten der physikalischen Forschung hergestellt. Die Geschichte des Universums ist eng verknüpft mit dem Studium der kleinsten Strukturen der Materie. In der Untersuchung der Elementarteilchenphysik reproduzieren aktuelle Experimente die Situation, die eine Nanosekunde nach dem Urknall geherrscht hat. Zusammen mit theoretischen Spekulationen und astronomischen Beobachtungen ergibt sich damit das folgende Bild: Die Unteren Abbildungen repräsentieren jeweils eine Phase der Entwicklung des Universums. Angegeben ist die Zeit (seit dem Urknall) sowie die Temperatur in jeder Phase. Aus der Temperatur kann direkt auf die mittlere Energie der Teilchen geschlossen werden. Durch Anklicken der Abbildungen erfährt man genauer, welche Ereignisse sich zu jener Zeit abgespielt haben.

Zeit: 10-43s
10-35s
10-10s
1s
3 min
105a
109a
1010a
 
Temperatur:1032K

1028K

1015K

1010K
109K
4000K
10K
2.7K
 
Energie: 1019GeV

1015GeV

100GeV
1MeV
100KeV
0.5eV
1meV
0.3meV
 

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Letzte Änderung: Juli 16, 2004