Die Welt im Gro

(1)

Die Welt im Gro

Die Welt im Gro ß ß en und Kleinen en und Kleinen --- ---

Kosmologie und Kosmologie und

Teilchenphysik Teilchenphysik

Prof. Dr. Michael Feindt Prof. Dr. Michael Feindt Prof. Dr. Thomas

Prof. Dr. Thomas Mannel Mannel

(2)

Die Welt im Gro

Die Welt im Gro ß ß en en

(3)

Die Welt im Großen

m 1

km

0,001 m 0

1 ⁰

Rosen

(4)

Die Welt im Großen

m 10

km

0,01 m 0

1 ¹

Rosenbeet auf dem

CERN-

Gelände

(5)

Die Welt im Großen

m 100

km

0,1 m 0

1 ²

Luftaufnahme

CERN

(6)

Die Welt im Großen

m 000 1

km

1

m 0

1 ³

Luftaufnahme

CERN

(7)

Die Welt im Großen

m 000 10

km

10

m 0

1 ⁴

Luftaufnahme Genf

Flughafen

(8)

Die Welt im Großen

m 000 100

km

100 m 0

1 ⁵

Genfer See und französische

Alpen

(9)

Die Welt im Großen

Europa

m 000 000

1

km

000 1

m 0

1 ⁶

(10)

Die Welt im Großen

Erde

m 000 000

10

km

000 10

m 0

1 ⁷

(11)

Die Welt im Großen

Erde

m 000 000

100

km

000 100

m 0

1 ⁸ Erde

(12)

Die Welt im Großen

Umlaufbahn des

Mondes

m 000 000

000 1

km

Millionen 1

m 0

1 ⁹ Erde

Mondbahn

Länge der Mondbahn: 2,4 Mio. km

Höhe der deutschen Staatsverschuldung als Turm von 1 €-Münzen: 3,2 Mio. km Länge der Mondbahn: 2,4 Mio. km

Höhe der deutschen Staatsverschuldung als Turm von 1 €-Münzen: 3,2 Mio. km

(13)

Die Welt im Großen

Umlaufbahn des

Mondes

m 000 000

000 10

km

Millionen 10

m 0

1 ¹⁰ Erdbahn

Mondbahn

(14)

Die Welt im Großen

Innere

Planetenbahnen des

Sonnensystems

m 000 000

000 100

km Millionen

100

m 0

1 ¹¹ Erdbahn

Venus-Bahn

(15)

Die Welt im Großen

Innere

Planetenbahnen des

Sonnensystems

m 000 000

000 000

1

km Milliarde

1

m 0

1 ¹² Erdbahn

Sonne

Jupiter

Mars

(16)

Die Welt im Großen

Äußere

Planetenbahnen des

Sonnensystems

m 000 000

000 000

10

km Milliarden

10

m 0

1 ¹³ Pluto

Erde Neptun

Uranus

(17)

Die Welt im Großen

Äußere

Planetenbahnen der Sonne

m 000 000

000 000

100

km Milliarden

100

m 0

1 ¹⁴

(18)

Die Welt im Großen

Entfernung zum nächsten Fixstern

Alpha Centauri

m 000 000

000 000

000 43

Lichtjahre 4.3

m 0

1 3 .

4 ¹⁶

≈

⋅

Faktor 500

(19)

Die Welt im Großen

Entfernung zum nächsten

Sternenhaufen M4

m 000 000

000 000

70

Lichtjahre

7000

m 0

1 7 ¹⁹

≈

⋅

Faktor 2000

(20)

Die Welt im Großen

Spiralgalaxie

m 000 000

000 000

000 1

Lichtjahre 000

100

m 0

1 ²¹

≈

(21)

Die Welt im Großen

Galaxie

mit Satelliten- galaxien

m 000 000

000 000

000 10

Lichtjahre

Millionen 1

m 0

1 ²²

≈

(22)

Die Welt im Großen

Galaxien- haufen

m 000 000

000 000

000 100

Lichtjahre

Millionen 10

m 0

1 ²³

≈

(23)

Die Welt im Großen

m 000 000

000 000

100

Lichtjahre

Milliarde 1

m 0

1 ²⁵

≈

Struktur in Verteilung der

Galaxien:

Blasen und Löcher

Faktor 100

(24)

Die Welt im Großen

m 000 000

000 000

000 1

Lichtjahre

Milliarden 10

m 0

1 ²⁶

≈

Homogenes

Universum

(25)

Die Welt im Kleinen

(26)

Die Welt im Kleinen

m 1

km

0,001 m 0

1 ⁰

Rosen

(27)

Die Welt im Kleinen

Rosenblatt

m 1 0.

dm 1

m 0

1 ^-1

(28)

Die Welt im Kleinen

Fliege

m 01 0.

cm 1

m 0

1 ^-2

(29)

Die Welt im Kleinen

Fliegenauge

m 001 0.

mm 1

m 0

1 ^-3

(30)

Die Welt im Kleinen

Fliegenauge

m 1 000 0.

m 100

m 0

1 ^-4

µ

(31)

Die Welt im Kleinen

Detail im Fliegenauge

m 01 000 0.

m 10

m 0

1 ^-5

µ

(32)

Die Welt im Kleinen

Elektronen- mikroskop- Aufnahme

m 001 000

0.

m 1

m 0

1 ^-6

µ

(33)

Die Welt im Kleinen

Elektronen- mikroskop- Aufnahme

m 1 000 000

0.

nm 100

m 0

1 ^-7

(34)

Die Welt im Kleinen

DNS-Molekül

m 01 000 000

0.

nm 10

m 0

1 ^-8

(35)

Die Welt im Kleinen

Molekül

m 001 000

000 0.

nm 1

m 0

1 ^-9

(36)

Die Welt im Kleinen

Atome

bestehen aus Kern und

Elektronenhülle

m 1 000 000

000 0.

nm 0.1

m 0

1 ^-10

(37)

Die Welt im Kleinen

Atome sind fast leer, der Kern

ist sehr klein

m 01 000 000

000 0.

pm 10

m 0

1 ^-11

(38)

Die Welt im Kleinen

Atome sind fast leer, der Kern

ist sehr klein

m 001 000

000 000

0.

pm 1

m 0

1 ^-12

(39)

Die Welt im Kleinen

Radius des Kerns nur ca. 1/10.000

der innersten Elektronenbahn

m 1 000 000

000 000

0.

fm 100

m 0

1 ^-13

(40)

Die Welt im Kleinen

Atomkerne bestehen aus Protonen und

Neutronen

m 01 000 000

000 000

0.

fm 10

m 0

1 ^-14

(41)

Die Welt im Kleinen

Proton/Neutron bestehen

aus Quarks

m 001 000

000 000

000 0.

fm 1

m 0

1 ^-15

(42)

Die Welt im Kleinen

Punktförmige Quarks und

Leptonen

m 1 000 000

000 000

000 0.

fm 0.1

m 0

1 ^-16

(43)

Die Welt im Kleinen

Punktförmige Quarks und

Leptonen

m 01 000 000

000 000

000 0.

fm 0.01

m 0

1 ^-17

(44)

Die Welt im Kleinen

Punktförmige Quarks und

Leptonen

m 001 000

000 000

0.

fm 0.001

m 0

1 ^-18

(45)

Die Welt im Kleinen

Quarks und Leptonen

wirklich gar keine Ausdehnung?

? ?

m 1 000 000

000 000

0.

fm 1

0.000 m 0

1 ^-19

(46)

Wie wir Objekte Wie wir Objekte unterschiedlicher unterschiedlicher

GrGrößöße sehene sehen

AtomAtom

Atomkern Atomkern Zelle

Zelle Galaxie

Galaxie

Elektronen Elektronen--

mikroskop mikroskop

Beschleuniger Beschleuniger

(47)

Gravitation Gravitation

Sterne und Galaxien Sterne und Galaxien

Bewegung des Mondes um die Erde Bewegung des Mondes um die Erde

Schwerkraft , Erdanziehung Schwerkraft , Erdanziehung

Bewegung der Planeten um die Sonne Bewegung der Planeten um die Sonne

Galaxien und Galaxienhaufen Galaxien und Galaxienhaufen

Universum

(48)

Erste Theorie: Isaac Newton

(49)

Allgemeine Relativit

Allgemeine Relativit ä ä tstheorie tstheorie

(50)

Keine Keine KrKrüümmungmmung

Positive Positive KrKrüümmungmmung

Negative Negative KrKrüümmungmmung

(51)

Massen deformieren den Raum

(52)

Probemasse im Gravitationsfeld

(53)

Schwarzes Loch

(54)

Expansion des Universums

(55)

Zur Zur ü ü ck zum Urknall ck zum Urknall

REVERSE

(56)

Der Nachhall des Urknalls Der Nachhall des Urknalls

Kosmische Kosmische

Hintergrundstrahlung:

extrem homogen extrem homogen

Cobe Cobe - - Satellit Satellit

(57)

Zur Zur ü ü ck zur bekannteren Welt... ck zur bekannteren Welt...

(58)

Elektromagnetismus Elektromagnetismus

Bindung von Atomen Bindung von Atomen

Blitze Blitze

Elektrische Ladungen, Elektrische Ladungen,

elektrischer Strom elektrischer Strom Magnetismus

Magnetismus

Chemische Bindungen, Chemische Bindungen, Molek

Molek ü ü le und Festk le und Festk ö ö rper rper

(59)

Kristall Kristall

Atome Atome

Elektromagnetische Elektromagnetische

Bindungen

(60)

Rutherford

Rutherford - - Streuexperiment Streuexperiment

Struktur der Atome Struktur der Atome

Das Atom ist im wesentlichen leer!

Es gibt einen kleinen harten Es gibt einen kleinen harten

Kern im Atom Kern im Atom

Verknüpfung mit rutherford12.lnk

(61)

Bohrsches Bohrsches Atommodell Atommodell

H H - - Atom Atom

99,999 999 999 999%

des Atoms ist leer ! 99,999 999 99,999 999

999 999%

des Atoms des Atoms

ist leer !

(62)

Quantenmechanisches Atom Quantenmechanisches Atom Heisenbergsche

Unschärferelation

2 h

≥ 1

∆

⋅

∆ x p

(63)

Atomkern Atomkern

Proton Proton

Neutron

(64)

Starke Wechselwirkung Starke Wechselwirkung

Energieerzeugung in der Sonne Energieerzeugung in der Sonne

(Solarenergie=Kernfusion) (Solarenergie=Kernfusion)

Zusammenhalt der Quarks in Zusammenhalt der Quarks in

Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen Zusammenhalt der Kerne Zusammenhalt der Kerne

Energieerzeugung durch Energieerzeugung durch

Kernspaltung und Kernfusion

Atom Atom - - und Wasserstoffbombe und Wasserstoffbombe

(65)

Proton Proton

3 Quarks 3 Quarks Atomkern

Atomkern

(66)

Schwache Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung

Umwandlung von chemischen Umwandlung von chemischen

Elementen (Alchemie) Elementen (Alchemie)

Ü Ü berg berg ä ä nge zwischen nge zwischen verschiedenen Quark

verschiedenen Quark - - Sorten Sorten Kernreaktionen in der Sonne Kernreaktionen in der Sonne

Radioaktiver Kernzerfall Radioaktiver Kernzerfall

Zerfall des Neutrons

(67)

Elementare Bestandteile der Materie 1900

(68)

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

−

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

Neutrino Neutrino

Neutrino e

Tau Myon

Elektron

bottom strange

down

top charm

up

τ µ

: Leptonen

: Quarks

Elementare Bestandteile der Materie 2000 Elementare Bestandteile der Materie 2000

Bausteine der Materie

des heutigen Universums

(69)

Punktförmig,

ohne jegliche Ausdehnung!

m 10

(Elektron)

Radius <

⁻¹⁸

(70)

Untersuchung Untersuchung der Quarks und

der Quarks und Leptonen Leptonen

Starkes Mikroskop Starkes Mikroskop

= =

Streuexperiment bei hohen Energien Streuexperiment bei hohen Energien

gro gro ß ß e Teilchenbeschleuniger e Teilchenbeschleuniger

(71)

Zwei Zwei - - Meilen Meilen - - Linearbeschleuniger Linearbeschleuniger SLAC

SLAC

Stanford

USA USA

(72)

Deutsches

Deutsches Elektronen Elektronen - - Synchrotron Synchrotron Hadron

Hadron - - Elektron Elektron Ring Ring - - Anlage Anlage

HERA HERA DESY DESY

Hamburg

(73)

Feynman

Feynman - - Diagramm Diagramm f f ü ü r Streuprozesse r Streuprozesse

) ' p ( u )

' p ( M u

k

M k g k

) p ( u )

p ( u ) ie

(

₂ ₂ ₁ ₂

2 2

1 2

ν ν

µ µν

µ

⋅ γ

− +

⋅ − γ

−

=

A

(74)

Teilchen

Teilchen Antiteilchen Antiteilchen

Energie Energie

Licht

(Photon)

(75)

Originalton Einstein Originalton Einstein

c 2

m

E

(76)

c 2

m E

Aus der speziellen Relativitätstheorie folgt, daß Masse und Energie beides nur verschiedene Erscheinungsformen derselben Sache sind -

- eine etwas ungewöhnliche Betrachtungsweise für einen durchschnittlichen Geist.

(77)

c 2

m E

Weiterhin zeigt die Gleichung E gleich m mal c-Quadrat, in der Energie mit Masse, multipliziert mit dem Quadrat der

Lichtgeschwindigkeit, gleichgesetzt wird, daß eine sehr kleine Menge Masse in eine sehr große Menge Energie umgewandelt werden kann

und umgekehrt.

(78)

c 2

m E

Masse und Energie sind sogar äquivalent nach der obengenannten Formel. Dies wurde von Cockcroft und Walton 1932 experimentell

demonstriert.

(79)

Annihilation Annihilation Feynman

Feynman - - Diagramm Diagramm

(80)

Der LEP

Der LEP - - Speicherring am CERN Speicherring am CERN

(81)

Das Forschungslabor Das Forschungslabor

CERN bei Genf

(82)

Blick

Blick in den in den Tunnel: Tunnel:

27 km 27 km Magnete und Kavit

Magnete und Kavit ä ä ten ten

(83)

Magneten von LEP

(84)

Supraleitende Supraleitende

Beschleunigungsstrecke Beschleunigungsstrecke

f f ü ü r LEP II r LEP II

(85)

Zugang zum DELPHI

Zugang zum DELPHI - - Experiment Experiment

(86)

100 Meter tiefer: DELPHI

(87)

DELPHI

DELPHI Endplatte

(88)

(89)

(90)

(91)

Rutherford entdeckt den Atomkern

Entdeckung neuer Teilchen

(92)

Fundamentale Wechselwirkungen Fundamentale Wechselwirkungen

Gravitation:

Gravitation: ^Allg. ^Allg. ^Relativit ^Relativit ^ä ^ä ^tstherorie ^tstherorie ^, ^,

Graviton

Graviton ? String ? String - - Theorie? Theorie?

Elektromagnetismus:

Photon Photon Starke Wechselwirkung:

Starke Wechselwirkung:

Schwache Wechselwirkung:

Gluonen Gluonen

W und

W und Z Z - - Bosonen Bosonen

(93)

Komplexe Struktur,

Symmetrien teilweise aufgehoben

Einfache Struktur, Symmetrien gültig

Historie des Universums

(94)

Die Rolle der Elementarteilchen Die Rolle der Elementarteilchen

im fr

im fr ü ü hen Universum hen Universum Der Kreis schlie

Der Kreis schlie ß ß t sich: t sich:

Stufenweise Stufenweise

Strukturbildung durch Strukturbildung durch

Abk Abk ü ü hlung und hlung und

anziehende Wechselwirkungen

(95)

Expansion des Universums:

Abk Abk ü ü hlung hlung

Volumen Volumen

=>

Temperatur Temperatur

=>

Geschwindigkeit

(96)

Hohe Geschwindigkeit:

Streuung, Streuung,

aber keine Bindung aber keine Bindung

Kleine Geschwindigkeit:

Einfang, Bindung

(97)

1. Schritt:

3 Mikrosekunden nach Null 3 Mikrosekunden nach Null Quarks und

Quarks und Gluonen Gluonen bilden bilden Hadronen

Hadronen

(Protonen, Neutronen, etc) (Protonen, Neutronen, etc)

(starke WW)

(98)

2. Schritt:

10 10 - - 300 Sekunden nach Null 300 Sekunden nach Null Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen

bilden leichte Kerne bilden leichte Kerne

(starke WW)

(99)

3. Schritt:

ca ca 300 000 Jahre nach Null 300 000 Jahre nach Null

Kerne fangen Elektronen ein Kerne fangen Elektronen ein

und bilden Atome und bilden Atome

(elektromagnetische WW)

(100)

4. Schritt:

Atome bilden Sterne Atome bilden Sterne

(Gravitation)

(101)