Some say the world will end in fire, some say in ice. From what I've tasted of desire I hold with...

Some say the world will end in fire,some say in ice.From what I've tasted of desireI hold with those who favor fire.

Robert Frost 1920

Manche sagen, die Welt vergeht im Feuer,manche sagen im Eis.Durch das, was ich von Sehnsucht schmeckte,halt ichs mit denen, die das Feuer vorziehen.

This is the way the world ends:Not with a bang but with a whimper.

T.S. Eliot 1925

So wird die Welt enden: nicht mit einem Knall sondern mit einem Wimmern.

Das Schicksal des UniversumsSimone Bernhart

Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Bad Muenstereifel 05. Juli 2006 2

Abriss über Kosmologie

Relativistische Kosmologie basiert auf:

dem Kosmologischen Prinzip: das

Universum sieht zu jedem Zeitpunkt von jedem Punkt gleich aus

dem Weylschen Postulat: Galaxien im

Universum sollen sich bewegen wie Elementarteilchen in einer idealen Flüssigkeit

der Allgemeinen Relativitätstheorie: Wechselwirkung

zwischen Materie und der Raumzeit


Abriss über KosmologieFriedmann-Gleichungen:

Hubble-Parameter:

wird gemessen über die Rotverschiebung z = Δλ/λ (λ Wellenlänge) kosmologisch weit entfernter Objekte

heutiger Wert H0 Hubble-

Konstante

Doppler-Effekt


Abriss über Kosmologie

Gründe für die Existenz von Λ: Hilfreich, wenn die Hubble-Zeit 1/H0 und astrophysikalisch bestimmte

Weltalter zu verschiedenen Altern des Kosmos führen. Findet Verwendung in der modernen Quantenfeldtheorie, in der das

Vakuum nicht unbedingt ein Zustand mit Energie Null ist, sondern durchaus einen endlichen Erwartungswert haben kann. Diese nichtverschwindende Energiedichte kann man als Eigenschaft der Raumzeit auffassen und somit auch als Komponente einer kosmologischen Konstante.

Neuere Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung

Kosmologische Konstante Λ:eingeführt von Einstein, um ein statisches Universum zu beschreiben


Abriss über Kosmologie Die experimentelle Bestimmung von Λ erfolgt indirekt über den

Bremsparameter.

Bremsparameter q0: Rate, mit der die Expansion sich verlangsamt

Kritische Dichte ρC: die Materiedichte im Weltall, bei der die

Gravitationskräfte die Fluchtgeschwindigkeit gerade so stark abbremsen, dass sich die Geschwindigkeit dem Wert Null nähert, ohne ihn je zu erreichen (entspricht ca. 6 Protonen pro m3)

Mittlere Dichte ρ: Dichte der sichtbaren Materie im Universum

kosmolog. Dichteparameter: Ω0 = ρ/ρC

Mittlere Dichte im Universum:

ρ ≈ 10-27 kg/m3


Abriss über KosmologieChronologische Klassifikation der Friedmann-Universen: 1917 Einstein: statisches, geschlossenes Universum, Einführung

von Λ 1917 de Sitter: beschleunigte Expansion, flaches, materiefreies

Universum, nur mit dynamischem Λ; verletzt das Machsche Gesetz (keine Raumzeit ohne Materie)!

1922 Friedmann: Friedmann-Gleichungen, enthalten sämtliche

Universen (auch statischen Einstein-Kosmos); interessantes Modell: oszillierende Universen – abwechselnde Expansion und Kontraktion

1925 Lemaitre: expandierendes Universum; Annahme: zeitl.

Zurückverfolgung der Expansion führt zu “Geburt des Raumes” (Nature-Artikel 1931) – “Vater der Urknall-Theorie”

Danach folgen viele Verfeinerungen der urspr. Modelle

1981 A. Guth: inflationäres Universum (Phase extrem

rascher Expansion unmittelbar nach dem Urknall)


Beobachtungsergebnisse 1929 Hubble weist nach, dass das Weltall tatsächlich

expandiert 1933 Fritz Zwicky: Coma-Haufen (Galaxienhaufen aus über

1000 Galaxien) wird nicht allein durch die Masse seiner sichtbaren Bestandteile (Sterne) zusammengehalten; das 400-fache dieser Masse sei notwendig, damit der Haufen nicht auseinanderfliegt ->

Dunkle Materie 1998 finden durch Beobachtung von Typ 1a Supernovae zwei Teams unabhängig voneinander heraus, dass

das Universum beschleunigt anstatt abzubremsen (Schmidt-

Gruppe am Mount-Stromlo-Observatorium in Australien und Perlmutter-Gruppe der Berkeley-Laboratorien in Californien)

Beide Gruppen dachten, sie hätten einen Fehler gemacht: SN sollten in der Vergangenheit eigentlich heller gewesen sein, wenn die Expansion abnimmt, aber sie waren schwächer.

Eine Anti-Schwerkraft verursachte das Auseinanderstreben der

Galaxien, auch bekannt als Dunkle Energie -> Λ !


WMAPCOBE

Beobachtungsergebnisse Kosmische Mikrowellenstrahlung (CMB): Beleg für die

Urknalltheorie, stammt aus der Zeit etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall und lag bei etwa 3000 K; während der weiteren Expansion nimmt die Wellenlänge der Hintergrund-strahlung durch Rotverschiebung zu, sie ist heute als Strahlung messbar, die einer

Temperatur von 2,73 K entspricht. Beobachtungen der Fluktuationen in der kosmischen

Hintergrund-strahlung u.a. mit COBE (Cosmic Background

Explorer) und später mit WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy

Probe) bestätigten, dass das Universum flach ist und für immer expandiert.

BeobachtungsergebnisseFür ein inflationäres Universum:

Expansion des Universums

Milliarden Jahre

Rela

tive G

röße d

es

Univ

ers

um

s

Dunkle Materie + Dunkle Energiebeeinflussen die Expansion des Universums


Drei alternative Szenarien

“Big Crunch” – das Universum kollabiert

“Big Freeze/Chill” – stetige immerwährende Expansion

“Big Rip” – ewige beschleunigende Expansion


Zeitleiste1

3,5

Mrd

. Ja

hre

5 Mrd. Jahre

-4


Zeitleiste

5x109 Jahre: Sonne bläht sich zum Roten Riesen auf 1017 Jahre: Weisse Zwerge werden ausgekühlt sein zu schwarzen

Zwergen 1019 Jahre: Galaxien werden verdampft sein 1020 Jahre: Planeten werden aus ihren Bahnen geschleudert oder in

die Sterne gestürzt sein, um die sie kreisen 1023 Jahre: tote Sterne werden aus den Galaxienhaufen verdampft

sein – die Haufen zerfallen – die kosmische Hintergrundstrahlung wird abgekühlt sein auf ~10(-13) K

Alles außer den schwarzen Löchern wird ionisieren (Ionisation heißt jeder Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen entfernt werden, so dass das Atom oder Molekül als Ion zurückbleibt.)


Zeitleiste Schwarze Löcher werden wahrscheinlich aufgrund der sog. Hawking-Strahlung verdampfen – solche mit der Masse der Sonne in ca. 1066 Jahren und galaktische schwarze Löcher in ungefähr 1099 Jahren.

Neutronensterne werden entweder ionisieren oder in schwarze Löcher umgewandelt (“quantentunneln”), die dann verstrahlen.

Schließlich wird alle Materie aufgrund des sog. Tunneleffekts in Eisen verwandelt sein, was ungefähr 101500 Jahre dauern wird – wahrscheinlich setzt vorher der Protonen-Zerfall ein (1032 Jahre).

Falls Schwarze Zwerge oder Planeten nicht ionisieren oder sich durch Protonen-Zerfall auflösen, könnten sie möglicherweise in festes Eisen tunneln – dieses verdampft entweder oder wandelt sich um in ein Schwarzes Loch, das dann verstrahlt innerhalb von 10100000000000000000000000000 Jahren.

Die Teilchendichte wird gegen Null gehen – jedes Teilchen wird vom Rest der Welt abgeschnitten sein durch einen sog. kosmologischen Horizont – es wird keine Interaktion mehr möglich sein.

Der Protonen-Zerfall beginnt inJahren


Kurze Geschichte der EschatologieFreeman Dyson, Princeton:

“Time Without End” 1979, “ein Universum, das wächst ohne Grenzen in Reichhaltigkeit und Komplexität, ein Universum des Lebens, dass ewig besteht...” – die Menschheit wird einen ‘Winterschlaf’ halten

Leben mit Bewusstsein in Form von interstellaren Staub-/Plasmawolken

Die Beschleunigung könnte wieder abnehmen, wenn man das Quintessenz-Modell zugrunde legt anstelle des ‘Dunkle Energie’-Szenarios

von Jim Holt, 2004

Ed Witten, Princeton: Favorisiert das Quintessenz-Modell, die fortlaufende

Expansion ist möglicherweise nur vorübergehend Protonen zerfallen in 1033 Jahren oder so – Auflösung aller

MaterieLawrence Krauss, Case Western, Cleveland: “Wir scheinen im schlimmsten aller möglichen Universen zu

leben.” Leben ist dem Untergang geweiht – in jedem Fall

...EschatologieFrank Tipler, Tulane University, New Orleans: 1994 "Die Physik der Unsterblichkeit - Moderne Kosmologie, Gott und

die Auferstehung der Toten", der ‘Big Crunch’ als glücklichstes aller Enden

Am Ende des Universums kumuliert alles virtuell oder materiell Existierende im Punkt Omega und bildet die Gottheit in diesem […] unendlichen Moment, weil dort die Information vollkommen ist - es entsteht durch unendliche Information der vollendete Gott in der Ewigkeit.

Theologie als Teilgebiet der Physik

J. Richard Gott III, Princeton: Kopernikanisches Prinzip: ‘Wir sind nichts besonderes

(Erde nicht Mittelpunkt des Universums)' Die Menschheit wird mit 95% Wahrscheinlichkeit zwischen

5100 und 7,8 Millionen Jahren aussterben

Michio Kaku, City College in New York: “Rettungsboot”-Szenario: ein “Wurmloch” öffnen, durch das wir

in ein neues Universum entkommen können; benötigt eine vereinheitlichte Theorie der Physik, um das Wurmloch zu stabilisieren

Die menschliche Entwicklung mag 100,000 Jahre dauern, aber es ist immer noch genug Zeit übrig


Ein Ende mit Schrecken...Heutige Annahme: das Universum befindet sich in einem

wirklichen Vakuum, d.h., das Vakuum im All befindet sich im

Zustand niedrigster Energie (Grundzustand)

Sidney Coleman und Frank De Luccia, "Gravitational Effects on and of Vacuum Decay" (etwa: "Die Wirkungen, die von der Gravitation auf den Zerfall des Vakuums ausgeübt werden") 1980: was, wenn sich das heutige Vakuum nicht im Grundzustand befindet, sondern in einem langlebigen metastabilen Zustand, der eines Tages zerfällt (wie z.B. ein Urankern)?

Der Vakuum-Zerfall könnte an einem zufälligen Ort im Raum beginnen mit einer kleinen Blase echten Vakuums, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, dabei immer größere Gebiete falschen Vakuums absorbiert und in echtes Vakuum umwandelt, wobei alles auf ihrem Weg vernichtet wird.

Andererseits: Umkehrung dieses Phänomens als Rettung für unser Universums


oder doch eher ein Schrecken ohne Ende ...?

Some say the world will end in fire, some say in ice. From what I've tasted of desire I hold with...

Documents

Transcript of Some say the world will end in fire, some say in ice. From what I've tasted of desire I hold with...