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Unsere Welt zu verstehen:  Universum Zustand



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Wie unser Universum entstand und in seinen heutigen Zustand kam



Hemlut Satz (2016):
 
Unser Universum — so stellt man sich das heute vor — entstand aus einer vorher schon vorhandenen Urwelt — einem extrem energiereichen. sog. » falschen « Vakuum: Durch eine Fluktuation darin kam es zum Entstehen einer Blase in dieser Urwelt, welche zu unserer Welt werden sollte: einer Blase, in der das falsche Vakuum zusammenbrach in den Normalzustand des physikalischen Vakuums, den wir kennen.
 
Die im Zuge diesen Zusammenbruchs freigesetzte Energie schuf erste Elementarteilchen:
     
  • Neutrinos, Elektronen, Positronen und Photonen,
     
  • vor allem aber ein dichtes Plasma bestehend aus Quarks und Gluonen, in dem die Quarks noch asymptotische Freiheit genossen, da dieses Plasma so dicht war, dass keines der Quarks von anderen weiter entfernt war als etwa 1 Femtometer (dem, was wir heute als Durchmesser oder gar nur Radius eines Neutron kennen). Es gab also noch keinen leeren Raum.

Da der Raum aber von Anfang an expandiert ist, hat jenes Plasma an Dichte verloren, so dass schließlich auch die Quarks ihre asymptotische Freiheit verloren und gezwungen waren, sich feste Partner zu suchen: Sie fanden sich zusammen zu
     
  • entweder zu Dreiergruppen (= Nukleonen)
     
  • oder zu Zweiergruppen (= Mesonen)
     
  • oder zu Paaren von Quarks und Antiquarks, die sich per Annihilation in Strahlung auflösen konnten.

Und so kam es, dass die Quarks und die aus ihnen entstandenen Nukleonen (= Protonen und Neutronen) unter allen vorhandenen Teilchen schließlich nur noch eine winzige Minderheit darstellten. Man nennt diesen Zeitpunkt — etwa 10-5 sec nach dem Urknall — deswegen das Ende der Quark-Ära.
 
Die auf sie folgende Lepton-Ära — in der auch die meisten Elektronen mit Positronen zerstrahlt sind — dauerte bis etwa 10 Sekunden nach dem Urknall.
 
Da es jetzt also vor allem Neutrinos und Photonen gab, war das der Beginn der sog. Strahlungs-Ära.
 
Zu diesem Zeitpunkt kamen auf jedes Nukleon etwa 1 Milliarde Photonen.
 
Dieses Verhältnis hat sich bis heute nur unwesentlich verändert. Und dennoch bildet Strahlung heute nicht mehr — wie damals — den Hauptbestandteil des Universums. Der Grund hierfür: Der Expansion des Raums wegen bekamen alle Photonen zunehmend längere Wellenlänge, was ihre Energie vermindert hat. Die Masse der Nukleonen und anderer Fermionen blieb konstant. Unterm Strich sank die Energiedichte der Photonen immer mehr und fiel schließlich — nach etwa 40000 Jahren — unter die der Nukleonen. Damit war auch die Strahlungsära zu Ende und nun Materie der dominante Inhalt des Universums.
 
Atome konnten sich in großer Menge aber erst etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall bilden. Der Grund hierfür:
 
In der Strahlungsära lag die Temperatur bei etwa 1010 Grad Kelvin, und deswegen konnten die damals noch relativ energiereichen Photonen durch Zusammenstoß mit Protonen und Neutronen verhindern, dass sich Atomkerne bildeten bzw. nennenswert lange bestehen konnten: Entstehende Verbindungen wurde fast sofort wieder zerstört. Das geschah so lange, bis das Universum etwa 10 Sekunden alt war. Erst dann konnte Kernfusion einsetzen, also das Verschmelzen von Nukleonen zu Kernen. Dabei verbanden sich zunächst ein Proton und ein Neutron zu einem Deuterium, und weiter dann zwei Deuterium-Kerne zu einem Helim-Kern, und so fort.
 
 
 
Etwas übersichtlicher dargestellt:

 
Es gab i.W. fünf Übergänge:
     
  • Der erste Übergang war der lokale Absturz der Urwelt aus dem falschen Vakuum in den richtigen Normalzustand. Er ist vergleichbar mit dem Entkommen einer Dampfblase aus erhitztem Wasser. Die hierbei freigesetzte Energie hat etwas geschaffen, das man » Urfermionen « nennen kann: Fermionen, die noch frei in einander umwandelbar waren (da damals noch alle Botenteilchen massefrei waren).
     
    Diesen Zustand des Universums vermutet man als supersymmetrisch.
     
  • Der zweite Übergang — etwa 10-15 sec nach dem Urknall — fand statt am Ende der GUT-Ära, als die Botenteilchen, die eine Umwandlung von Quarks in Leptonen und umgekehrt möglich machten, plötzlich effektive Masse erhielten mit dem Effekt, dass solche Umwandlung nicht mehr möglich war:
     
    Quarks und Leptonen waren von da an bleibend verschiedene Teilchen, da ihre Botenteilchen sich nun wie Wolken stark an sie klammerten (was den Fermionen effektive Masse gab).

     
  • Der dritte Übergang geschah dann im Laufe der Quark-Ära — etwa 10-10 Sekunden nach dem Urknall, bei etwa 1010 Grad Kelvin — als die Botenteilchen, die für die schwache Kernkraft zuständig sind (d.h. für radioaktiven Zerfall) plötzlich so große effektive Masse erhielten, dass diese Kraft extrem schwach und kurzreichweitig wurde.
     
    Gleichzeitig erhielten die bis dahin masselosen Quarks und Leptonen inhärente Masse (die, welche wir heute an ihnen beobachten).
     
  • Erst der vierte Übergang — etwa 10-5 sec nach dem Urknall bei nun etwa 1012 Grad Kelvin — war dann einer ganz anderer Art:
     
    Die Farbladung tragenden Quarks haben sich da zu farbneutralen Hadronen (= Nukleonen und Mesonen) gebunden, die unabhängig von einander existieren können. Dies hatte erstmals das Entstehen materiefreier Raumregionen zur Folge, stellt also den Beginn der Verklumpung von Materie im Universum dar.
     
    Dass sich Quarks auf der Suche nach Partnern aber auch oft mit ihrem Antiquark zusammenfanden, haben sich die meisten von ihnen durch Annihilation in Strahlung aufgelöst. Ähnliches hat kurz darauf auch fast alle Leptonen zerstrahlen lassen: Elektronen mit Positronen.
     
    Dass nicht wirklich alle Fermionen zu Strahlung wurden ist nur dem Umstand zu verdanken, dass es damals einige wenige Quarks mehr als Antiquarks und einige Elektronen mehr als Positronen gab. Diesem Umstand also haben wir unsere Existenz zu verdanken. [ Das Verhältnis von Quarks zu Antiquarks dürfte bei etwa 30 Mio + 1 zu 30 Mio gelegen haben. ]
     
    Note: Der zur Annihilation umgekehrte Vorgang kann nur provoziert werden durch extrem hohe Temperatur — die Temperatur des Universums aber fällt, wenn der Raum sich ausdehnt.
     
  • Durchsichtig wurde das Universum erst 380 000 Jahre nach dem Urknall, als sich alle Ionen zu Atomen gruppiert hatten.

 


 
Quelle: Helmut Satz: Kosmische Dämmerung (Verlag C.H. Beck, 2016) S. 67-100


 


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