Feinabstimmung (Anthropische Prinzip)

Dr. Stefan Bauberger 29.04.05 - 1 -

Braucht der Kosmos den Menschen?

Braucht der Kosmos den Menschen?

Seminar SoSe 2005


Überblick

Worum geht's?

Feinabstimmung in Physik, Kosmologie

Reflexion●


Worum geht's?Was ist das anthropische Prinzip?: Das gilt es im Seminar herauszufinden!

Viele „anthropische Prinzipien“Definitionen scheinen unklar zu sein.Ist es ein guter Begriff?

Feinabstimmung: Die „Beobachtung“, dass „Vieles“ im Universum darauf abgestimmt ist, Leben zu ermöglichen / hervorzubringen.

Beobachtung?Vieles: Naturkonstanten, Naturgesetze, kosmologische Parameter

Warum interessant?Vgl.: Monod: „Zigeuner am Rand des Universums“Geplantes Universum (Schöpfung)?


Feinabstimmung: Kohlenstoffchemie

Das „Wunder“: Unvergleichlich hohe Komplexität der KohlenstoffchemieKohlenwasserstoffketten, mit ein paar anderen Atomen dranAuch im Weltraum C-ChemieLeben: Selbstreproduzierende Komplexität mit Mutationen steigert die KomplexitätVoraussetzung für DNA, Proteine, ...Dazu braucht es:

Feinabgestimmte Energieniveaus der Atome und MoleküleFeinabgestimmte Größen der Atome und Moleküle


Chemie: Fein abgestimmt?Was bewirkt eine Veränderung der grundlegenden Parameter der Chemie? (m

e, Feinstrukturkonstante α)?

Die Größen und Energieniveaus der Atome und Moleküle werden „skaliert“.Kein qualitativ anderes Verhalten.Grund für das „Wunder“ der Komplexität der Kohlenstoffchemie:Nicht die Feinabstimmung der ParameterSondern: Das Zusammenwirken der relevanten NaturgesetzeDennoch ein Wunder?Oder sogar noch viel mehr?


Feinabstimmung:Kohlenstoffsynthese

Sterne: Primärer Brennprozess: Aus Wasserstoff (H) wird Helium (He) gebildet. (4 H → He)

Ein wenig Beryllium: 2 He → Be

Kohlenstoff: Be + He → C

Das Beryllium sollte aber so schnell zerfallen, dass nicht viel Kohlenstoff gebildet werden kann.

„Rettung“: Ein Resonanzenergieniveau des Kohlenstoffkerns, das auf 4% genau passt. (Von Hoyle vorhergesagt)

Dasselbe nochmal für C + He → O (Sauerstoff).

Abstimmung von mu, m

d, α, α

s auf 1% (Oberhummer et. al.

1999)


Feinabstimmung:Weitere Kernprozesse

Entscheidende Größen: md (Masse des Down-Quark), m

u

(Masse des Up-Quark) Abweichungen führen zu:H → np → npp nicht → DD → ppBildung von He mit zwei Protonen, ohne Neutron oder von (nn)(Hogan: 1999, Agrawal et. al. 1998, Dyson 1971)Rees 1999 (auch Hogan): 0,6 < ε < 0,8 wobei:ε = Bindungsenergie(He)/Masse(He) = 0,7


Weitere Feinabstimmung(weniger gut quantifiziert)

Schwache Wechselwirkung stärker:Nur Eisen im UrknallNeutrinos gefangen in Supernova-Kernen

Schwache Wechselwirkung schwächer:Nur Helium in SternenKeine Synthese von schweren Elementen in Supernovae

Starke Wechselwirkung stärker:Sterne brennen zu schnellRiesige Atomkerne

Starke Wechselwirkung schwächer:Keine Kerne

Wieviel Abweichung ist jeweils möglich?


Kernprozesse:Was ist fein abgestimmt?

md (Masse des Down-Quark), m

u (Masse des Up-Quark)

bzw. ihr Verhältnis und ihre Verhältnisse zur Elektronenmasse m

e

Die Wechselwirkungen α, αs (Elektromagn. und starke

WW)Schwache Wechselwirkung sin θ

W

Gravitationskonstante G, bzw. das Verhältnis G me

2/ α

Davon abgeleitet: Massen, Energien, Lebensdauern von Proton, Neutron, Kernen


Feinabstimmung durch Große Vereinheitlichung?

Idee: Die Parameter der Kernprozesse ergeben sich aus einer großen Vereinheitlichung / Symmetrie

Vergleichbar mit der Komplexität der Kohlenstoffchemie

Stringtheorien, SUSY, M-Theorie


Weitere Feinabstimmung(Beispiele)

Temperatur der Sterne: Verhältnis von elektromagnetischer Kraft und Gravitation

Gravitation stärker: Zu kurze Brenndauer der Sterne

Gravitation schwächer: Keine Sterne

Dimension der Raumzeit: 3+1


Pseudo-Beispielefür Feinabstimmung

Lichtgeschwindigkeit c = 3 ∙ 108 m/sAber: Im Rahmen der Relativitätstheorie definiert c nur das Verhältnis von Raum- und Zeitmaßstäben. „c“ ist ein Artefakt unserer Messtechnik.In der theoretischen Physik üblicher Maßstab: c = 1.

Plancksches Wirkungsquantum: ℏ = 1 ∙ 10-34 JsVerhältnis von Energie- bzw. Massenskale zur Längen-/ZeitskalaIn der theoretischen Physik üblicher Maßstab: ℏ = 1.

Man findet Listen mit mehr als 30 fein abgestimmten Parametern. ;-)


Feinabstimmungdurch Multiversum?

Idee: Unser Universum ist eines von vielen, in denen die entscheidenden Parameter jeweils andere Werte haben (die zufällig festgelegt sind).

Feinabstimmung als Beobachtereffekt (observational selection): Nur in den Universen, wo die Feinabstimmung „stimmt“, gibt es Beobachter.

Erklärbar z.B. im Rahmen von „chaotischer Inflation“, durch „Symmetriebrechung“.


Feinabstimmung:Kosmologische Parameter

Der Kosmos muss langlebig sein, darf aber nicht zu schnell expandieren (sonst keine Galaxien):Massendichte (incl. Dunkle Materie) muss stimmen.Flachheit muss stimmen (Massendichte + kosmologische Konstante).Strukturen müssen sich bilden (Galaxien, Sterne), aber die Materie darf nicht zu klumpig sein (sonst nur Schwarze Löcher).Fluktuationen der Massendichte müssen stimmen.

Bei allen diesen Größen: Selbstverstärkende Effekte. Rückextrapolation für Flachheit: Im Urknall Abweichung von weniger als 10-60.


Feinabstimmung Kosmologie:Erklärungen

Aus anderen Gesetzen. Z.B.: Inflation erklärt die Flachheit. Und SUSY + SUGRA + Minichaotische Fluktuationen der kosmologischen Konstante.

Oder Multiversum und Beobachtereffekt.


Fragen

Was ist eigentlich erklärungsbedürftig?

Bewertung der Multiversum-Erklärung

Bewertung der Erklärung durch grundlegendere Gesetze

Wahrscheinlichkeit / Unwahrscheinlichkeit der Feinabstimmung

Teleologische versus naturwissenschaftliche Erklärung


?

?

?

?

Feinabstimmung (Anthropische Prinzip)

Documents

Transcript of Feinabstimmung (Anthropische Prinzip)