Franz Embacher 
 

Kosmologie

 
Tagung der ARGE Physik NÖ
zur LehrerInnenfortbildung
21.-22.4.1998
 
Die folgende Aufzählung von Themen der modernen Kosmologie ist bei weitem nicht vollständig. Dennoch ist sie zu lang für eine ausgiebige Besprechung, sodaß manche Punkte nur in Stichworten angerissen werden können.
 

Der Bezugsrahmen der modernen Kosmologie

  • Hubble 1929: Expansion des Universums.
  • Wofür interessiert sich die Kosmologie heute?
  • Geographie des Universiums, globale und lokale Strukturen: Hubble-Fluß, kosmische Hintergrundstrahlung, Super-Galaxienhaufen, Galaxienhaufen, Galaxien
  • Die Rolle der Astrophysik in der Kosmologie: Sterne, Galaxientypen, Supernovae, Quasare.
  • Die Rolle der Theorie in der Kosmologie, kosmologisches Prinzip, Allgemeine Relativitätstheorie, Theorie aller Wechselwirkungen, Quantentheorie.
 

Theoretische Grundvorstellungen und die wichtigsten physikalischen Größen

  • Rotverschiebung z.
  • Kosmologisches Prinzip.
  • Die Rolle der Gravitation, die Zustandsgleichung der Materie im heutigen Universum von Standpunkt der Kosmologie.
  • Modellierung der Dynamik der Expansion des heutigen Universums: Ein Newton'sches Argument, das zur 'Friedmann-Gleichung' führt, Dichte r.
  • Skalenfaktor a.
  • Kosmische Zeit t (heute = t0).
  • Hubble-Konstante H0.
  • Wird das Universum für immer expandieren? Kritische Dichte rc, Dichteparameter W und W0, die berühmten drei Fälle k<0, k=0, k>0.
  • Das Alter des Universums.
  • Temperatur T 'des Universums' bzw. seiner Komponenten.
  • Der bisher behandelte Fall heißt 'materiedominiertes Universum'. Im frühen ('strahlungsdominierten') Universum sind Modifikationen nötig: Strahlungsdruck p.
  • Zu den für die Kosmologie wichtigen physikalischen Größen gehört noch die kosmologische Konstante L. Sie wird später behandelt.
  • Die Rolle der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Kosmologie: Krümmung der Raum-Zeit. Die Einstein'schen Gleichungen in stark vereinfachter Form. Das geschlossene Weltmodell, die Sphäre S3, Ameisen auf der Sphäre S2.
  • Der Urknall und was er nicht ist.
 

Die Geschichte des Universums im groben Überblick und einige ungelöste Probleme

  • Die kosmologischen Epochen im Urknallmodell.
  • Die kosmische Hintergrundstrahlung, die COBE-Mission und ihre Resultate, DT/T.
  • Das Problem der klumpigen Verteilung der Materie.
  • Das Horizontenproblem.
  • Das Flachheitsproblem.
  • Dunkle Materie.
 

Der Wert der Hubble-Konstante und das Alter des Universums

  • Noch einmal: das Hubble-Gesetz und der Hubble-Fluß. Hubble-Diagramm.
  • Probleme der Entfernungsmessung. Die kosmische Entfernungsleiter und einige 'Standardkerzen':
    • RR-Lyrae-Sterne
    • Cepheiden
    • die jeweils hellste Galaxie in einem Galaxienhaufen
    • Typ Ia Supernovae
    • Quasare und Gravitationslinsen
    • Der Sunyaev-Zel'dovich-Effekt
 

Quantenkosmologie

  • Einheitliche physikalische Sichtweise. Stellung der Quantentheorie in der modernen Physik.
  • Quantengravitation
  • Energie des Vakuums, die kosmologische Konstante L.
  • Die Wellenfunktion des Universums, Entstehung des Universums als Tunneleffekt.
  • Die Wheeler-DeWitt-Gleichung.
  • Zur Frage der Anfangsbedingung. Die Hartle-Hawking-Randbedingung.
  • Die Rolle der Materie im sehr frühen Universum
 

Das inflationäre Universum

  • Inflation als natürliche Folge der Quantenkosmologie.
  • Inflation als Wirkung eines 'Higgs-Feldes'.
  • Wie löst die Inflation das Problem der Klumpung? Eingefrorene Quantenfluktuationen.
  • Wie löst die Inflation das Flachheitsproblem?
  • Wie löst die Inflation das Horizontenproblem?
  • Alternative zur Inflation: Kosmische Strings?
 

Nochmals: zum Alter des Universums

  • Experimentelle Evidenz für eine nichtverschwindende kosmoloigische Konstante?
 

Fundamentale Probleme und gewagte Theorie-Entwürfe

  • Quantentheorie geschlossener Systeme: was ist einE BeobachterIn, was ist eine Messung?
  • Selbstreproduzierendes Universum und das anthropische Prinzip - ist das noch Physik?
  • Paralleluniversen und die Viele-Welten-Theorie.
 

Themen, die nicht zur Kosmologie gehören, aber oft in kosmologischen Zusammenhängen genannt werden: 

Wie exotisch ...

  • ... sind Schwarze Löcher?
  • ... ist die Theorie, daß Schwarze Löcher nicht schwarz sind, sondern strahlen (Hawking-Effekt)?
  • ... sind 'Wurmlöcher'?
  • ... sind Zeitreisen und Verletzungen der Kausalität?
 

Einige Quellen zur modernen Kosmologie im Internet

  • Microwave Anisotropy Probe: http://map.gsfc.nasa.gov/html/web_site.html. Trotz des sehr technischen Namens ist dies eine der besten WWW-Seiten über moderne Kosmologie. Sie eignet sich auch hervorragend für Unterrichtsprojekte, in denen SchülerInnen selbst Informationen im Web nachspüren.
  • COBE: http://www.gsfc.nasa.gov/astro/cobe/cobe_home.html.
  • Hubble Space Telescope (HST): Auf der Website des Hubble Space Telescope Science Institute, http://www.stsci.edu/ , finden Sie sehr viel Material zur beobachtenden Astrophysik und Kosmologie, Pressetexte und zahlreiche Bilder. Diese Site ist nicht zuletzt aufgrund ihrer Größe und ständigen Aktualisierung eine Fundgrube, die sich gut für Unterrichtsprojekte eignet.
  • Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching: http://www.mpa-garching.mpg.de/.
  • Als weiterer deutschsprachiger Einstieg in astrophysikalische Themen empfiehlt sich die Website des Vereins Kuffner Sternwarte (Wien): http://www.ast.univie.ac.at/~wuchterl/Kuffner/KSWhome.html. Sie bietet laufend aktualisierte Kurznachrichten über Resultate der zahlreichen Beobachtungsmissionen.
  • Zu Problemen der Quantentheorie und Quantengravitation siehe den Dialog zwischen Stephen Hawking und Roger Penrose, 'The Nature of Space and Time' auf der Website von Scientific American: http://www.sciam.com/0796issue/0796hawking.html.
 

Zeitschriften

  • Neben den bekannteren Wissenschafts-Zeitschriften wie Spektrum der Wissenschaft erscheinen auch in
  •  in Sterne und Weltraum von Zeit zu Zeit Artikel über kosmologische Themen, so etwa kürzlich (4/98) einer von Federspiel, Labhardt und Tammann zum Wert der Hubble-Konstante (erster Teil; der zweite Teil wird demnächst erscheinen).
  

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