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Kosmologie und Relativitätstheorie


Grundlegende Aussagen, Ergebnisse und Vorhaben


  • Einsteins Theorie der Gravitation beschreibt nach wie vor treffend und präzise die beobachteten Phänomene.
  • Die Aussendung von Gravitationswellen durch bewegte Massen wurde z.B. durch Messungen des Binärpulsars PSR 1913+16 indirekt bestätigt. Die Periode des Bahnumlaufes der beiden Neutronensterne nimmt genau in dem Maße ab, wie es dem Energieverlust, der die Aussendung von Gravitationswellen begleitet, entspricht.
  • Die Entwicklung des Alls aus dem Urknall hatte höchstwahrscheinlich mehrere "inflationäre" Epochen. Dies geht aus neuen Beobachtungen der Galaxienverteilung hervor.
  • Die Urknall-Hypothese wurde durch Messungen des Satelliten "COBE" (Cosmic Background Explorer) im Bereich der 3 K-Strahlung weiter untermauert. Das vom Satelliten gemessene Strahlungsfeld ist sehr gleichmäßig, Temperaturschwankungen von einigen 10000-stel können ausgeschlossen werden. Gleichzeitig wurden Anzeichen geringfügiger Anfangsfluktuationen zur Rekombinationszeit, die Ursache für die heute beobachtete hierarchische Struktur des Universums sein können, gefunden. Andere Modelle müssen das "3 K-Nadelöhr" berücksichtigen.
  • Neue Modelle gehen häufig von nichtleuchtender, schwach-wechselwirkender, dunkler Materie aus (z.B. massebehafteten Neutrinos), die häufig sogar den Anteil "normaler" Materie übersteigt. Hinzu kommen Gebilde, die der Struktur des Grundzustandes der Welt, des Vakuums entstammen (Monopole, kosmische Strings, Texture). Auch sehr komplexe Modelle haben noch einige Schwierigkeiten, die beobachteten Prozesse zu erklären.
  • Vielleicht müssen wir uns aber auch auf ein Universum ohne Urknall einstellen, zumindest gibt es Altersprobleme im Verständnis neuester Aufnahmen des Hubble-Space-Telescopes.

  • Die Gleichheit von "schwerer" und "träger" Masse ist eine Voraussetzung der Einsteinschen Theorie. Sie soll in Satellitenexperimenten mit extremer Genauigkeit untersucht werden.
  • Die Präzessionsbewegung der Drehachse eines Gyroskops auf der Erdumlaufbahn soll mit einer Genauigkeit von 1:10 Millibogensekunden beobachtet werden.
  • Versuch der direkten Messung von Gravitationswellen mit Hilfe von Laserinterferometern. Das System soll so genau werden, dass Signale eines Gravitationskollaps eines Sterns bis zu einer Entfernung der nächsten 1000 Galaxien nachweisbar wird (1 Signal / 10 Tage).

Im Unterricht kann man verschiedene Modelle diskutieren. An Hand von Zeitskalen wird deutlich, wie sehr die Vorstellungen aus unserem Zeitgefühl von denen abweichen, die für kosmologische Prozesse anzusetzen sind. Für die Annahme eines Urknalls bietet sich der Vergleich des wahren Zeitpunktes und die Reduzierung der Ereignisse auf die Länge eines Jahres an.

Wahrer Zeitpunkt

Reduzierter Zeitpunkt

Ereignis

15 Milliarden Jahre

1 Jahr

"Urknall"

4,5 Milliarden Jahre

3,5 Monate

Erstarren der Erdkruste

3 Milliarden Jahre

2,5 Monate

Erste Lebewesen

230 Millionen Jahre

5,5 Tage

Erste Säugetiere

2 Millionen Jahre

34 Minuten

Erste Menschen

8 Tausend Jahre

16 Sekunden

Sumerer; erste Städte

6 Tausend Jahre

12 Sekunden

Älteste Schrift

500 Jahre

1 Sekunde

Kopernikus

16 Jahre

0,03 Sekunden

Schüler der 10. Klasse


Wenn man ein offenes Weltallmodell mit Urknall annimmt, kann man an der nachfolgenden log. Zeitskale deutlich machen, wie kurz der Zeitraum der Existenz der Sonne ist.


Die Frage nach der Zukunft des Alls ist stark von der Gesamtmasse abhängig. Obige Abbildung nimmt ein offenes Weltall an. Danach dehnt sich das All in seiner Raumzeit immer weiter aus .Die nachfolgende Abbildung zeigt die Abhängigkeit des "Weltradius" von der Zeit im offenen und geschlossenen Weltallmodell (schematisch). An der mit rotem Pfeil markierten Stelle könnte eine inflationäre Entwicklung stattgefunden haben. Wenn wir das Alter des Weltalls mit ca. 15 Milliarden Jahren annehmen, ist der Unterschied zwischen den "Weltradien" im offenen und geschlossenen Modell nur gering. Wir können heute nicht sicher sagen, welchen "Weg" das All gehen wird.


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