Die Welt im Groen und Kleinen
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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
Transcript of Die Welt im Groen und Kleinen
Die Welt im GroDie Welt im Großßen und Kleinenen und Kleinen--------------------------------------------------------------------------------
Kosmologie und Kosmologie und TeilchenphysikTeilchenphysik
Prof. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Thomas Prof. Dr. Thomas MannelMannel
Die Welt im GroDie Welt im Großßenen
Die Welt im Großen
m1km 0,001 m 01 0
Rosen
Die Welt im Großen
m 10km 0,01
m 01 1
Rosenbeet auf dem CERN-Gelände
Die Welt im Großen
m 100km 0,1
m 01 2
Luftaufnahme CERN
Die Welt im Großen
m 000 1km 1
m 01 3
Luftaufnahme CERN
Die Welt im Großen
m 000 10km 10
m 01 4
Luftaufnahme Genf
Flughafen
Die Welt im Großen
m 000 100km 100
m 01 5
Genfer See und französische
Alpen
Die Welt im Großen
Europa
m 000 000 1km 000 1 m 01 6
Die Welt im Großen
Erde
m 000 000 10km 000 10 m 01 7
Die Welt im Großen
Erde
m 000 000 100km 000 100 m 01 8
Erde
Die Welt im Großen
Umlaufbahndes
Mondes
m 000 000 000 1km Millionen 1
m 01 9
Erde
Mondbahn
Länge der Mondbahn: 2,4 Mio. kmHöhe der deutschen Staatsverschuldungals Turm von 1 €-Münzen: 3,2 Mio. km
Länge der Mondbahn: 2,4 Mio. kmHöhe der deutschen Staatsverschuldungals Turm von 1 €-Münzen: 3,2 Mio. km
Die Welt im Großen
Umlaufbahndes
Mondes
m 000 000 000 10km Millionen 10
m 01 10
Erdbahn
Mondbahn
Die Welt im Großen
Innere Planetenbahnen
des Sonnensystems
m 000 000 000 100km Millionen 100
m 01 11
Erdbahn
Venus-Bahn
Die Welt im Großen
Innere Planetenbahnen
des Sonnensystems
m 000 000 000 000 1km Milliarde 1
m 01 12
ErdbahnSonne
Jupiter
Mars
Die Welt im Großen
Äußere Planetenbahnen
des Sonnensystems
m 000 000 000 000 10km Milliarden 10
m 01 13
Pluto
Erde
Neptun
Uranus
Die Welt im Großen
Äußere Planetenbahnen
der Sonne
m 000 000 000 000 100km Milliarden 100
m 01 14
Die Welt im Großen
Entfernung zumnächsten FixsternAlpha Centauri
m 000 000 000 000 000 43Lichtjahre 4.3
m 013.4 16
≈⋅
Faktor 500 Faktor 500
Die Welt im Großen
Entfernung zumnächsten
SternenhaufenM4
m 000 000 000 000 000 000 70Lichtjahre 7000
m 017 19
≈⋅
Faktor 2000 Faktor 2000
Die Welt im Großen
Spiralgalaxie
m 000 000 000 000 000 000 000 1Lichtjahre 000 100
m 01 21
≈
Die Welt im Großen
Galaxiemit Satelliten-galaxien
m 000 000 000 000 000 000 000 10Lichtjahre Millionen 1 m 01 22
≈
Die Welt im Großen
Galaxien-haufen
m 000 000 000 000 000 000 000 100Lichtjahre Millionen 10 m 01 23
≈
Die Welt im Großen
m 000 000 000 000 000 000 000 000 100Lichtjahre Milliarde 1
m 01 25
≈
Struktur in Verteilung der
Galaxien: Blasen und
Löcher
Faktor 100 Faktor 100
Die Welt im Großen
m 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1Lichtjahre Milliarden 10 m 01 26
≈
HomogenesUniversum
Die Welt im Kleinen Die Welt im Kleinen
Die Welt im Kleinen
m1km 0,001 m 01 0
Rosen
Die Welt im Kleinen
Rosenblatt
m 1 0.dm 1
m 01 -1
Die Welt im Kleinen
Fliege
m 01 0.cm 1
m 01 -2
Die Welt im Kleinen
Fliegenauge
m 001 0.mm 1
m 01 -3
Die Welt im Kleinen
Fliegenauge
m 1 000 0.m 100 m 01 -4
µ
Die Welt im Kleinen
Detail imFliegenauge
m 01 000 0.m 10
m 01 -5
µ
Die Welt im Kleinen
Elektronen-mikroskop-Aufnahme
m 001 000 0.m 1
m 01 -6
µ
Die Welt im Kleinen
Elektronen-mikroskop-Aufnahme
m 1 000 000 0.nm 100
m 01 -7
Die Welt im Kleinen
DNS-Molekül
m 01 000 000 0.nm 10
m 01 -8
Die Welt im Kleinen
Molekül
m 001 000 000 0.nm 1
m 01 -9
Die Welt im Kleinen
Atomebestehen aus
Kern und Elektronenhülle
m 1 000 000 000 0.nm 0.1
m 01 -10
Die Welt im Kleinen
Atome sindfast leer,der Kern
ist sehr klein
m 01 000 000 000 0.pm 10
m 01 -11
Die Welt im Kleinen
Atome sindfast leer,der Kern
ist sehr klein
m 001 000 000 000 0.pm 1
m 01 -12
Die Welt im Kleinen
Radius des Kerns nur
ca. 1/10.000der innersten
Elektronenbahn
m 1 000 000 000 000 0.fm 100
m 01 -13
Die Welt im Kleinen
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen
m 01 000 000 000 000 0.fm 10
m 01 -14
Die Welt im Kleinen
Proton/Neutronbestehen
aus Quarks
m 001 000 000 000 000 0.fm 1
m 01 -15
Die Welt im Kleinen
PunktförmigeQuarks und Leptonen
m 1 000 000 000 000 000 0.fm 0.1
m 01 -16
Die Welt im Kleinen
PunktförmigeQuarks und Leptonen
m 01 000 000 000 000 000 0.fm 0.01
m 01 -17
Die Welt im Kleinen
PunktförmigeQuarks und Leptonen
m 001 000 000 000 000 000 0.fm 0.001
m 01 -18
Die Welt im Kleinen
Quarks und Leptonenwirklich gar keine
Ausdehnung?
??
m 1 000 000 000 000 000 000 0.fm 1 0.000 m 01 -19
Wie wir ObjekteWie wir Objekteunterschiedlicherunterschiedlicher
GrGrößöße sehene sehen
AtomAtom
AtomkernAtomkern
ZelleZelle
GalaxieGalaxie
ElektronenElektronen--mikroskopmikroskop
BeschleunigerBeschleuniger
GravitationGravitation
Sterne und Galaxien Sterne und Galaxien
Bewegung des Mondes um die Erde Bewegung des Mondes um die Erde Schwerkraft , ErdanziehungSchwerkraft , Erdanziehung
Bewegung der Planeten um die SonneBewegung der Planeten um die Sonne
Galaxien und GalaxienhaufenGalaxien und GalaxienhaufenUniversum Universum
Erste Theorie: Isaac NewtonErste Theorie: Isaac Newton
Allgemeine RelativitAllgemeine Relativitäätstheorietstheorie
KeineKeineKrKrüümmungmmung
PositivePositiveKrKrüümmungmmung
NegativeNegativeKrKrüümmungmmung
Massen deformieren den RaumMassen deformieren den Raum
Probemasse im GravitationsfeldProbemasse im Gravitationsfeld
Schwarzes LochSchwarzes Loch
Expansion des UniversumsExpansion des Universums
ZurZurüück zum Urknallck zum Urknall
REVERSEREVERSE
Der Nachhall des UrknallsDer Nachhall des UrknallsKosmischeKosmischeHintergrundstrahlung:Hintergrundstrahlung:extrem homogenextrem homogen
CobeCobe--SatellitSatellit
ZurZurüück zur bekannteren Welt...ck zur bekannteren Welt...
ElektromagnetismusElektromagnetismus
Bindung von AtomenBindung von Atomen
BlitzeBlitzeElektrische Ladungen, Elektrische Ladungen,
elektrischer Strom elektrischer Strom MagnetismusMagnetismus
Chemische Bindungen, Chemische Bindungen, MolekMoleküüle und Festkle und Festköörperrper
KristallKristall
AtomeAtomeElektromagnetischeElektromagnetischeBindungenBindungen
Rutherford Rutherford -- StreuexperimentStreuexperiment
Struktur der AtomeStruktur der Atome
Das Atom ist im wesentlichen leer!Das Atom ist im wesentlichen leer!
Es gibt einen kleinen harten Es gibt einen kleinen harten Kern im AtomKern im Atom
Verknüpfung mit rutherford12.lnk
BohrschesBohrschesAtommodellAtommodell
HH--AtomAtom
99,999 999999 999%des Atomsist leer !
99,999 99999,999 999999 999%999 999%des Atomsdes Atomsist leer !ist leer !
Quantenmechanisches AtomQuantenmechanisches Atom
Heisenbergsche Unschärferelation
h21
≥∆⋅∆ px
AtomkernAtomkern
ProtonProton
NeutronNeutron
Starke WechselwirkungStarke Wechselwirkung
Energieerzeugung in der Sonne Energieerzeugung in der Sonne (Solarenergie=Kernfusion)(Solarenergie=Kernfusion)
Zusammenhalt der Quarks inZusammenhalt der Quarks inProtonen und NeutronenProtonen und Neutronen
Zusammenhalt der Kerne Zusammenhalt der Kerne
Energieerzeugung durchEnergieerzeugung durchKernspaltung und KernfusionKernspaltung und Kernfusion
AtomAtom-- und Wasserstoffbombeund Wasserstoffbombe
ProtonProton
3 Quarks3 Quarks
AtomkernAtomkern
Schwache WechselwirkungSchwache Wechselwirkung
Umwandlung von chemischen Umwandlung von chemischen Elementen (Alchemie)Elementen (Alchemie)
ÜÜbergbergäänge zwischen nge zwischen verschiedenen Quarkverschiedenen Quark--SortenSorten
Kernreaktionen in der Sonne Kernreaktionen in der Sonne
Radioaktiver Kernzerfall Radioaktiver Kernzerfall
Zerfall des NeutronsZerfall des Neutrons
Elementare Bestandteile der Materie 1900Elementare Bestandteile der Materie 1900
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
NeutrinoNeutrinoNeutrinoeTauMyonElektron
bottomstrangedowntopcharmup
τµ
:Leptonen
:Quarks
Elementare Bestandteile der Materie 2000Elementare Bestandteile der Materie 2000
Bausteine der Materie des heutigen Universums
Punktförmig,ohne jegliche Ausdehnung!
m10(Elektron) Radius 18−<
Untersuchung Untersuchung der Quarks und der Quarks und LeptonenLeptonen
Starkes Mikroskop Starkes Mikroskop ==
Streuexperiment bei hohen Energien Streuexperiment bei hohen Energien
grogroßße Teilchenbeschleunigere Teilchenbeschleuniger
ZweiZwei--MeilenMeilen--Linearbeschleuniger Linearbeschleuniger
SLAC SLAC StanfordStanfordUSAUSA
Deutsches Deutsches ElektronenElektronen--SynchrotronSynchrotronHadronHadron--ElektronElektron RingRing--AnlageAnlage
HERAHERADESY DESY HamburgHamburg
FeynmanFeynman--DiagrammDiagramm ffüür Streuprozesser Streuprozesse
)'p(u)'p(uMkM
kkg
)p(u)p(u)ie( 2122
2
212
ν
νµµν
µ γ⋅−
+−⋅γ−=A
TeilchenTeilchen AntiteilchenAntiteilchen
Energie Energie LichtLicht
(Photon)(Photon)
Originalton EinsteinOriginalton Einstein
2cmE
2cmEAus der speziellen Relativitätstheorie folgt, daß Masse und Energie beides nur verschiedene Erscheinungsformen derselben Sache sind -
- eine etwas ungewöhnliche Betrachtungsweise für einen durchschnittlichen Geist.
2cmEWeiterhin 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.
2cmE
From the soundtrack of the film, Atomic Physicscopyright © J. Arthur Rank Organization, Ltd., 1948
Masse und Energie sind sogar äquivalent nach der obengenannten Formel. Dies wurde von Cockcroft und Walton 1932 experimentell
demonstriert.
AnnihilationAnnihilationFeynmanFeynman--DiagrammDiagramm
Der LEP Der LEP -- Speicherring am CERNSpeicherring am CERN
Das Forschungslabor Das Forschungslabor CERN bei GenfCERN bei Genf
BlickBlick in denin den Tunnel: Tunnel: 27 km 27 km
Magnete und KavitMagnete und Kavitäätenten
Magneten von LEPMagneten von LEP
Supraleitende Supraleitende Beschleunigungsstrecke Beschleunigungsstrecke
ffüür LEP IIr LEP II
Zugang zum DELPHIZugang zum DELPHI--ExperimentExperiment
100 Meter tiefer: DELPHI100 Meter tiefer: DELPHI
DELPHI DELPHI Endplatte
Rutherford entdecktden Atomkern
Entdeckung neuer Teilchen
Fundamentale WechselwirkungenFundamentale WechselwirkungenGravitation:Gravitation: Allg. Allg. RelativitRelativitäätstherorietstherorie,,
GravitonGraviton? String? String--Theorie?Theorie?
Elektromagnetismus:Elektromagnetismus:Photon Photon
Starke Wechselwirkung:Starke Wechselwirkung:
Schwache Wechselwirkung:Schwache Wechselwirkung:
GluonenGluonen
W und W und ZZ--BosonenBosonen
Komplexe Struktur,Symmetrien teilweise aufgehoben
Einfache Struktur,Symmetrien gültig
Historie des Universums
Die Rolle der Elementarteilchen Die Rolle der Elementarteilchen im frim früühen Universumhen Universum
Der Kreis schlieDer Kreis schließßt sich:t sich:
StufenweiseStufenweiseStrukturbildung durch Strukturbildung durch
AbkAbküühlung undhlung undanziehende Wechselwirkungen anziehende Wechselwirkungen
Expansion des Universums:Expansion des Universums:AbkAbküühlung hlung
Volumen Volumen => =>
Temperatur Temperatur => =>
GeschwindigkeitGeschwindigkeit
Hohe Geschwindigkeit:Hohe Geschwindigkeit:Streuung, Streuung, aber keine Bindungaber keine Bindung
Kleine Geschwindigkeit:Kleine Geschwindigkeit:Einfang, BindungEinfang, Bindung
1. Schritt:1. Schritt:3 Mikrosekunden nach Null3 Mikrosekunden nach Null
Quarks und Quarks und GluonenGluonen bildenbildenHadronenHadronen
(Protonen, Neutronen, etc)(Protonen, Neutronen, etc)
(starke WW)(starke WW)
2. Schritt:2. Schritt:10 10 --300 Sekunden nach Null300 Sekunden nach Null
Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen bilden leichte Kernebilden leichte Kerne
(starke WW)(starke WW)
3. Schritt:3. Schritt:caca 300 000 Jahre nach Null300 000 Jahre nach Null
Kerne fangen Elektronen einKerne fangen Elektronen einund bilden Atomeund bilden Atome
(elektromagnetische WW)(elektromagnetische WW)
4. Schritt:4. Schritt:
Atome bilden SterneAtome bilden Sterne
(Gravitation)(Gravitation)
Dank anDank anTobias Tobias DussaDussa
Jens RehnJens RehnHartmut Hartmut StadieStadie
Patrick Patrick SchemitzSchemitz
CERNCERN
http://http://wwwwww--ekp.physik.uniekp.physik.uni--karlsruhe.dekarlsruhe.de/~feindt/~feindt
http://http://www.physik.uniwww.physik.uni--karlsruhe.dekarlsruhe.de
