Ein herzliches Willkommen an alle.
Da wir uns alle umorganisieren,
reden wir heute über den Zustand des Universums.
Sie kamen bereits in den Genuss verschiedener Vorträge über Kosmologie.
Ich werde versuchen, sie alle miteinander zu verbinden.
Wie ist der Zustand des Universums im Jahr 2015?
Nun, das Universum expandiert.
Das Universum ist 13,8 Mrd. Jahre alt.
Das Universum ist nahezu geometrisch flach.
Und es besteht aus einer Mischung verschiedener Dinge, wie dunkler Energie und Materie, Atomen, Neutronen und Photonen,
sowie aus anderen Dingen von geringerer Menge.
Da das nur Worte sind, möchte ich erklären, warum wir wissen
und denken, dass wir den Zustand des Universums so gut verstehen.
Beginnen wir mit der Expansion des Universums.
Sollte jemand von Ihnen den Vortrag von Saul Perlmutter zu diesem Thema verpasst haben,
denke ich, dass es hilfreich ist, diesen kurz zu besprechen.
Der Beginn der Expansion des Universums reicht lange zurück.
Zumindest bis 1929, als Edwin Hubble vor die Tür trat und Galaxien anschaute, und wir bis dahin noch nicht wirklich wussten,
was Galaxien sind, außer dass es Ansammlungen von Sternen sind.
Er betrachtete die Helligkeit der Sterne in diesen Galaxien.
Und stellte fest, dass einige der Galaxien hellere und andere schwächere Sterne hatten.
Er setzte die Helligkeit selbstverständlich in Zusammenhang mit ihrer Entfernung -
je weiter entfernt ein Objekt ist, umso schwächer wird es erscheinen.
Vesto Slipher, den viele von Ihnen nicht kennen werden, obwohl er ein großer Astronom ist,
und seine Familie gaben mir ein Stipendium, was natürlich einer der Gründe ist, warum ich ihn so schätze.
Vesto stellte fest, dass er hindurch gehen kann und einen Effekt sieht: den Dopplereffekt.
Er dachte, es ist der Dopplereffekt – heute nennen wir es Rotverschiebung.
Das Licht dieser Galaxie dehnte sich aus.
In einigen mehr, in anderen weniger, aber in fast allen war dieser Effekt zu beobachten.
Wenn Sie die Menge der Lichtausdehnung aufzeichnen,
die äquivalent zu ihrer Geschwindigkeit oder scheinbaren Geschwindigkeit von uns weg ist,
bekommen Sie die den Entwurf von Hubble und haben hier einen Trend.
Was ich an diesem Entwurf so mag, ist die Tatsache, dass wir dadurch die Expansion des Universums darstellen können.
Das sind keine schönen Daten.
Biologen wären vielleicht stolz auf diese Daten.
(Lachen)
Aber Physiker sind es nicht wirklich.
Dennoch zeigt sie uns, dass je weiter weg ein Objekt ist, umso schneller ist seine scheinbare Bewegung.
Daraus haben wir gelernt, dass das Universum expandiert.
Warum? Was bedeutet das also, je weiter weg, umso schneller die Geschwindigkeit?
Ich habe hier ein Spielzeuguniversum, das ich expandieren werde.
Wenn ich das Universum nehme und es zwischen davor und danach etwas größer mache
und diese beiden Dinge übereinanderlege, was sehen Sie?
Sie sehen, dass die Bewegung der nahen Objekte klein war und sie eine niedrige Geschwindigkeit hätten.
Entfernte Objekte hätten sich in derselben Zeit sehr viel bewegt.
Sie hätten eine hohe scheinbare Geschwindigkeit.
Dabei spielt es keine Rolle, wo im Universum man sich befindet – jeder sieht dasselbe.
In einem expandierenden Universum gilt die Regel, dass je weiter weg etwas ist, umso schneller ist die scheinbare Bewegung.
Nun wurde das alles schon mehr oder weniger von der Theorie vorhergesagt.
Der Theorie von keinem anderen als Albert Einstein.
Bevor wir dazu kommen, lassen Sie uns überlegen, was expandieren bedeutet?
Wenn ich expandiere, nun, dann werde ich immer größer und größer.
Ich kann dieses Experiment aber auch umgedreht ausführen.
Welches Ergebnis bekomme ich?
Die Dinge kommen immer näher und näher und näher, solange bis das Universum über allem anderen steht.
Das ist das, was wir den Urknall nennen.
Wenn Sie messen, wie schnell das Universum expandiert, bekommen Sie eine Idee davon, wie alt das Universum ist.
Das war so interessant für mich, dass ich entschied, meine Doktorarbeit darüber zu schreiben.
Auf einem Graphen können Sie sich das so vorstellen.
Im Moment sehen Sie Galaxien, die voneinander getrennt sind.
Gemessen an der Geschwindigkeit der Expansion lasse ich das Universum rückwärts laufen.
Ich kann einfach ablesen, wann die beiden Objekte übereinander sind und das Alter des Universums bestimmen.
Und das ist auch schon das Ende meiner Doktorarbeit – 3 Jahre, 11 Monate und 4 Tage,
aber ich habe nicht mitgezählt.
(Lachen)
Als ich meinem Doktorvater Bob Kirschner meine Ergebnisse zeigte -
ich fand heraus, dass das Universum ca. 14 Mrd. Jahre alt ist -
würde ich gerne sagen, dass ich Anerkennung für die Bestimmung des Alters des Universums bekam.
Die Wahrheit ist, dass ich nicht viele Leute von meinen Ergebnissen überzeugen konnte.
Aber ich hatte das richtige Ergebnis und das ist wichtig.
Eigentlich ist es nicht so wichtig, aber das ist ok.
Ok, die Theorie, die das alles verbindet, kommt von Einstein.
Einstein machte die Entdeckung im Jahr 1907,
dass Beschleunigung durch schnellere Bewegung und Schwerkraftbeschleunigung,
seiner Meinung nach im Wesentlichen immer dasselbe sein müssen und äquivalent waren.
Ein relativ bescheidener Gedanke, für den er acht Jahre brauchte.
Er musste einiges an Mathematik lernen, was auch heute noch eine Herausforderung ist, aber die essentielle Idee ist:
Stellen Sie sich vor, dass Sie in einer Box oder einem Raum sind.
Werden Sie von der Erdgravitation um 9,8 Meter/Sekunde beschleunigt?
Oder sind Sie eigentlich in einem Raumschiff und werden um 9,8 Meter/Sekunde beschleunigt?
Unter seiner Annahme, ist es unmöglich einen Unterschied festzustellen.
Diese Annahme hat sich niemals als falsch erwiesen.
Astronomen sind also diejenigen, die Einsteins Theorie der Anziehungskraft bestätigen.
Wie? Indem sie sich Finsternisse anschauen, und das sind die Daten von 1919.
Es ist furchtbar, es fehlt der Fokus, aber es war gut genug, um zu zeigen,
dass Sterne in der Nähe der Sonne,
auf Grund der Sonnenschwerkraft und ihrer Krümmung des Raumes, verschoben wurden.
Um dieses scheinbar kleine Problem zu lösen, musste Einstein sagen, dass der Raum durch die Masse gekrümmt wurde.
Und das war ein großer Schritt nach vorne.
Viele Leute waren natürlich skeptisch.
Andere waren es nicht.
Aber er wurde bestätigt und diese Grundidee erwies sich niemals als falsch.
Wir wissen, dass dies nicht mit Quantenmechanik funktioniert,
so gibt es zumindest etwas, das wahrscheinlich irgendwo einen Fehler hat.
Einstein wurde also ein bekannter Name auf Grund der allgemeinen Relativität, nicht der speziellen Relativität.
Er war auf den Titelseiten der Zeitungen.
Das war in der Tat eine Idee, die rein aus seinen Gedanken entstanden ist.
Und das ist sehr, sehr selten in der Wissenschaft.
Normalerweise hat man eine Idee, es gibt ein Problem und man muss es lösen.
Hier gab es kein Problem, über das Einstein nachdachte. Er sagte einfach, dass die Welt so sein müsste.
In den folgenden Jahren versuchten de Sitter und Einstein herauszufinden, was das für die Kosmologie bedeutete.
Newton konnte die Kosmologie und das Verhalten des Universums mit seinen Gleichungen der Schwerkraft nicht lösen.
Sie würden einzig und allein Sinn machen, wenn das Universum leer wäre.
Also versuchten de Sitter und Einstein es und dann tauchte Alexander Friedmann in St. Petersburg auf und sagte,
nehmen wir an, dass das Universum überall gleich ist.
Homogen.
Und isotrop, es rotiert nicht oder ähnliches.
Er fand eine Reihe von Lösungen.
Einstein kannte diese.
Zur selben Zeit kam der belgische Astrophysiker Georges Lemaître unabhängig davon auf die gleichen Lösungen.
Er sagte, die Berechnungen sagen aus, dass das Universum tatsächlich expandiert.
Zum Unglück von Lemaître traf er sich 1927 mit Einstein und zeigte ihm seine Arbeit.
Einstein sagte, dass seine Mathematik korrekt sei, sie aber bereits von Alexander Friedmann angewendet wurde.
Sein Verständnis von Physik sei jedoch schrecklich.
So gerat Lemaître für eine Weile in Vergessenheit.
Hubble kam dann und sagte, dass das Universum expandiert.
Zu Einstein sagte er nichts. Er veröffentlichte es einfach auf der Titelseite der NY Times.
Darum erinnern wir uns heute an Hubble und nicht an Lemaître.
Aber wir sollten uns an ihn erinnern, da Lemaître es in seiner Doktorarbeit herausfand.
Was also sagen Friedmanns Gleichungen über das Universum aus?
Nun, sie sagen, dass das Universum leer ist
und einfach immer größer und größer wird und eigentlich nicht wirklich etwas passiert.
Es ist einfach auf dieser Geraden.
Nicht unähnlich zu einem Ball, wenn man ihn in den Raum wirft.
Im Falle eines leichten Universums, andererseits, verlangsamt die Schwerkraft das Universum ein bisschen.
Dennoch wird das Universum für immer in der Lage sein weiter zu expandieren.
Wenn man es aber mit Dingen füllt, wie es Einstein schon vorhatte,
mit dunkler Energie, die Teil der Weltraumstruktur ist, wird die Schwerkraft eher drücken als anziehen,
und das Universum könnte sehr, sehr schnell exponentiell expandieren.
Zuletzt gab es dann noch das faszinierendste Modell des schweren Universums.
Das Universum, das auf Grund der vielen Schwerkraft expandiert, hört wegen der Schwerkrafteffekte auf zu expandieren, und schrumpft.
Es scheint also, dass alle Universen mit einem Urknall beginnen,
aber nur das schwere Universum mit einem umgekehrten Urknall aufhört.
Ein anderer Fehler des gekrümmten Weltraumes ist, dass sich das Universum in vier Dimensionen um sich selbst krümmt.
Sie können sich vorstellen, dass man sich bei genügend Zeit in diese Richtung bewegt und irgendwann zu seinem Ausgangspunkt zurückkommt.
Wohin krümmt sich das Universum?
Nun, es krümmt sich in der Zeit.
Wenn das Universum allerdings leicht ist, krümmt es sich andersherum in Form eines Sattels.
Ein Universum in der Form eines Sattels, z.B. ein Dreieck, dieses Experiment wollte ich schon immer einmal machen:
Schicken Sie zwei Hochschulabsolventen auf entgegengesetzte Wege und in einer Milliarde Jahren,
wenn wir mit 99% der Lichtgeschwindigkeit gereist sind,
treffen wir uns und messen die Winkel eines Dreieckes.
Und wir fragen uns, was sie sind?
In einem leichten Universum betragen sie in Summe weniger als 180 Grad.
Im schweren Universum summieren sie sich auf mehr als 180 Grad, geradeso als wenn man das Experiment auf der Erde machen würde.
Nehmen Sie sich einen Globus, wenn Sie mich nicht verstehen.
Zuletzt gibt es das “genau richtige” Universum.
Dieses Universum balancierte bedenklich zwischen dem Endlichen und Unendlichen,
wo Dreiecke eine Summe von 180 Grad haben.
Es gibt also eine Weltraumgeometrie, die inhärent zur allgemeinen Relativität ist.
Nach meiner Promotion bin ich nach Australien gegangen.
Auf dem Weg dorthin konnte ich mit einigen Kollegen zusammenarbeiten,
insbesondere mit Nick Suntzeff in Chile, um ein Experiment zur Messung der Vergangenheit des Universums zu entwerfen.
Inhalt war, in der Zeit zurückzugehen und zu sehen, wie sich die Expansionsrate des Universums im Laufe der Jahre verändert.
Das ist möglich, weil das Licht Milliarden von Jahren braucht, um uns zu erreichen, wenn wir weit zurückblicken.
1994 gab es neue Technologien und neue Ideen, wie man Supernovae nutzen kann,
um durchzugehen und die Flugbahn des Universums zu sehen.
Darüber also hat Saul Perlmutter in seinem Vortrag geredet.
Wir wollten im Wesentlichen sehen, wie sich die Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit veränderte.
Und wir konnten feststellen, dass egal ob es z.B. für immer existieren sollte, in etwas kollabieren würde,
das dem umgekehrten Urknall entspricht.
Die Supernovae waren also neue Ideen einer Gruppe in Chile.
Die Technologie wurde von Saul Perlmutter innerhalb von sechs Jahren entwickelt und wir haben diese beiden vereinigt
in einem relativ kompetitiven Experiment.
Saul und ich hatten dabei sehr viel Spaß.
Ich bin mir nicht sicher, ob es allen im Team so ging.
Aber der Wettbewerb war großartig.
Wir wussten, dass uns das andere Team immer antreiben würde, um effizienter zu arbeiten,
aber uns auch auf mögliche Fehler hinweisen würde.
So kamen wir dann nach einigen Jahren zu unseren Ergebnissen
und mussten sofort feststellen, dass die Daten im falschen Teil waren.
Die Entfernungsdaten waren in einem Teil des Diagramms, wo das Universum in der Vergangenheit langsamer expandierte
und schienen beschleunigend zu sein.
Einstein sagte uns, dass wir etwas Lustiges bräuchten, Zeug, das wir dunkle Energie nennen.
Das ist die Forschungsarbeit der beiden Teams im Jahre 1998.
Natürlich sind Saul und ich hier, aber wir repräsentieren ca. 60 Leute, die diese Arbeit gemacht haben.
Unser Team und Sauls Team sind beide in Stockholm repräsentiert.
Eine großartige Party für uns alle.
Ok, was also treibt das Universum voran?
Einstein sagte uns, dass es das ist, was wir dunkle Energie nennen.
Aber was ist dunkle Energie?
Er nannte es die kosmologische Konstante.
Es ist tatsächlich Energie, die Teil des Weltraumes selbst ist.
Seine Gleichungen zeigen, dass sie im Wesentlichen Schwerkraft erzeugt, die eher drückt als anzieht.
Wenn Sie eine detaillierte Analyse machen, so wie wir im Jahre 1998,
könnten Sie sehen, dass Sie einen Mix an Dingen brauchen.
Ca. 30% des Universums müssen Schwerkraft sein, die anzieht, und 70% drückende Schwerkraft.
Ok, das waren also die Ergebnisse.
Lassen Sie uns noch einmal nachdenken: Wenn wir das Universum komprimieren, was passiert dann?
Wenn Sie dieses Experiment auf der Erde machen, z.B. indem Sie einen kleinen Kolben zusammendrücken,
oder dieser Herr ihn zusammendrückt, geht es heiß her.
Darin befindet sich ein kleines Stück Baumwolle und er hat nur einen Glaskolben zusammengedrückt
und dieser erhitzte sich bis zu dem Punkt, an dem man die Baumwolle in Brand setzen könnte.
Das Universum ist sehr ähnlich.
Es hat jetzt eine bestimmte Temperatur und wenn das Universum kompakter wäre, wäre es heißer.
Wenn wir in der Zeit zurückgehen, kommt irgendwann ein Punkt, an dem das Universum ca. 3.000 Grad hatte.
Bei 3.000 Grad ionisiert Wasserstoff.
Davor waren die Elektronen nicht an ihre Protonen gebunden
und für einen Photon heißt das, dass sie wie ein riesiges Ziel aussehen,
das gerne Elektronen verstreut.
Das Universum war also undurchsichtig.
Im Moment ist es das nicht, wir können hindurchsehen.
Das führte zur Entdeckung, die Sie hoffentlich von Bob Wilson gehört haben,
und das ist eine der bemerkenswertesten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts: Egal in welche Richtung man blickt,
das Universum leuchtet.
Es leuchtet, weil es undurchsichtig und heiß war und Sachen, die undurchsichtig und heiß sind, leuchten.
Nicht wie ihr Ofen oder die Sonne.
Wie sah das Universum also vor 13,8 Milliarden Jahren aus?
In diesem Bild sehen wir viele interessante Dinge.
Wir können uns vorstellen, dass es Dellen und Wellen im Universum gibt.
Dadurch entstehen Schallwellen, die sich in Schallgeschwindigkeit ausdehnen.
Im Wesentlichen bis auf 380.000 Jahre, das ist die Schallgeschwindigkeit,
und sie werden ein bisschen herumgezogen werden vom Universum, aber machen wir uns darüber keine Gedanken.
Diese Schallwellen haben eine Skala, die wir mit Hilfe der Physik auf ein Zehntausendstel bestimmen können.
Ein Maßstab von unglaublicher Präzision.
Insbesondere unter Kosmologen, die normalerweise nur mit dem Faktor 2 rechnen.
Wenn Sie ein Lineal haben, können Sie herausfinden, wie weit entfernt ein Objekt ist.
Wie funktioniert das?
Viele Faktoren sind dafür verantwortlich, dass das Lineal einen Maßstab hat,
aber der wichtigste Punkt ist die Geometrie des Universums.
Ist das Universum gekrümmt, wird das Lineal verfälscht.
Nicht unähnlich dem Blick in einen Rückspiegel.
Das gesamte Universum fungiert als Linse.
Wenn es flach ist, wird es nicht verfälscht.
Wir können also die Schallwellen betrachten und bestimmen, wie groß sie sind.
Sie machen also dieses Experiment, und das wurde in 1998 schon einmal gemacht, genau zur selben Zeit wie unserer Experiment,
und Sie können sagen, wenn die Schallwellen klein sind, ist das ein Universum das leicht ist.
In einem schweren Universum sind sie groß und irgendwo dazwischen.
Wenn Sie also dieses Experiment machen, kommt heraus, dass das Universum genau richtig ist.
Es hat eine perfekte Menge an Material, so dass der Weltraumraum weder in sich noch von sich weg gekrümmt ist.
Ein fantastisch akkurates Experiment.
Darum sagen wir, dass das Universum geometrisch flach ist.
Gut, da sind so viele Sachen, die wir mit der kosmischen Hintergrundstrahlung machen können.
Sie ist eigentlich unser bestes Labor.
Eines dieser Dinge ist, dass die Dellen und das Wellen die Galaxien von heute werden.
In den frühen 2000ern haben einige meiner Kollegen in Australien 221.000 Galaxien aufgezeichnet.
In den USA erfasste man ein paar Jahre später 1 Million Galaxien.
Man kann durchgehen und die Schwerkraft messen, da sie diese Dellen ausbilden
und eine Struktur bilden wird.
Mit Hilfe von Computern können wir sehen, wie diese Struktur aussieht.
Es zeigt sich, dass diese von den Bestandteilen des Universums abhängt
Und davon wie viel Schwerkraft es hat.
Sehen Sie sich das reale Universum an, dort wo “observed” steht, und wir sehen vier verschiedene Universen,
die aus verschiedenen Dingen bestehen.
Ihr Auge ist ziemlich gut in Fouriertransformationen, die wir nutzen, um diese Daten zu vergleichen.
Wenn Sie sich das anschauen,
was ist ihrer Meinung nach das Richtige?
Wenn Sie an das hier dachten, sind Sie richtig.
So sehen die Daten aus.
Das ist ein Mix aus 5 Teilen dunkler Materie, wovon ich noch nicht geredet habe, und 1 Teil Atome.
Was ist das Besondere an dunkler Materie?
Dunkle Materie interagiert nicht, außer mit der Schwerkraft.
Sie geht mitten durch sich selbst, durch die Erde, durch die Atome,
sie ist unsichtbar gegenüber sich selbst und allem anderen im Universum.
Sie hat nur Schwerkraft.
Dadurch ist sie so verrückt einfach zu berechnen, da man einfach nur Newtons Gesetz anwenden muss und es funktioniert.
Sie müssen sich keine Sorgen um Druck oder ähnliches machen.
Es ist also sehr bequem, dass das Universum dieses Universum daraus gemacht hat.
Hätte es das nicht getan, wäre es sehr schwer zu berechnen.
Also, dunkle Materie.
Nun, wir wissen nicht wirklich was dunkle Materie ist.
Sie besitzt Schwerkraft, aber wir vermuten, dass sie ein unentdecktes Teilchen ist.
Und wir können irgendwie sagen, dass diese Sache tatsächlich existiert.
Hier haben wir zwei Galaxienhaufen, die aus Atomen und dunkler Materie bestehen.
Was passiert, wenn zwei Atome aufeinander treffen?
Sie leuchten auf, senden Röntgenstrahlen aus und kondensieren im Zentrum.
Wenn Sie schauen, wo die Atome in diesem Bild sind: Nun, sie sind im Zentrum.
Wenn Sie die Masse abbilden, indem Sie den Gravitationslinseneffekt nutzten, der den Weltraum verzerrt,
können Sie sehen, wo die Masse ist.
Es scheint, als ob die dunkle Materie durch sich selbst hindurchgegangen ist.
Diese Galaxien sind kollidiert und die Atome sind in der Mitte steckengeblieben.
Genauso wie wir hier sehen.
Wie wir es auch betrachten, wir sehen dunkle Materie in diesem Verhältnis von 5:1.
Nicht nur hier, sondern auch in der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Warum? Weil diese Schallwellen abhängig sind.
Der Wellenschlag im frühen Universum war von den Bestandteilen des Universums abhängig.
Wenn Sie etwas in einen Teich plumpsen lassen und dieser aus Honig anstatt Wasser ist, sehen die Wellen anders aus.
So hat der Urknall im Wesentlichen, wie ich Ihnen zeige werde, Kies in den Teich geworfen, die Wellen fluktuierten
und wir bekommen eine Momentaufnahme von der Transparentwerdung des Universums.
Und so sieht das Universum aus.
Wie sieht also der Wellenschlag aus?
Wir messen ihn in der Form wie viele Wellen in verschiedenen Maßstäben vorhanden sind.
So kommt man zu dieser komplexen Kurve.
Die Kurve ist die Theorie, die Punkte sind die Daten.
Es gibt nicht viele Experimente, die besser sind als dieses.
Wenn Sie irgendwas auch in kleinen Mengen ändern, dann passt die Theorie nicht länger zu den Daten.
Es zeigt uns, ebenso wie schon an anderer Stelle, dass das Universum zu 25% aus dunkler Materie besteht.
Und zu 5% aus Atomen oder Baryonen, wie wir gerne sagen.
Es zeigt uns ungefähr, auch akkurat, aber es ist annähernd zu sehen,
dass es 10^9 Photonen für jeden atomaren Nucleus gibt.
Außerdem gibt es 3 leichte Neutrinos.
Die 4 schweren Neutrinos vermasseln das Ganze.
Ok, das passiert also, wenn wir diesen Wellenschlag machen.
Wenn wir das alles zusammennehmen, kommt man zu dieser wirklich bemerkenswerten Geschichte.
Flachheit heißt, dass alle Materie im Universum sich auf 100% summiert, um flach zu sein.
Wenn man untersucht, wie viel Schwerkraft dort vorhanden ist, stellt man fest, dass 30% der Dinge anziehend sind.
Daher brauchen wir 70% “geheimnisvolle” Materie; dieselben Sachen wie im Supernovae-Experiment,
über das Saul und ich geredet haben, scheinen nötig zu sein, um das Universum auseinander zu drücken.
So haben wir offenbar unser Universum, von dem wir nur 5% ausmachen.
Da wir alle diese Bestandteile haben und wir wissen, wie diese zusammen funktionieren,
können wir das Universum sehr genau bis zum Urknall zurückverfolgen.
b Um 380.000 Jahre zurück und dann ist es eine sehr kleine Hochrechnung.
Diese zeigt uns, dass das Universum 3,8 Mrd. Jahre alt ist.
Entschuldigung, es sind 13,8 Mrd. Jahre.
Die genaue Zahl ist 13,82 Mrd. und die Leute werden wahnsinnig, wenn man sagt, dass es heute 13,78 Mrd. sind.
Wir konnten das Alter also sehr akkurat bestimmen.
Gehen wir in die Zeit vor der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Wenn man das Universum kleiner macht, wird es heißer und heißer.
Schließlich kommt man an den Punkt, wo die Photonen so heiß sind, dass sie Dinge kreieren können.
So zum Beispiel ein Elektron-Positron-Paar.
Wen ein Elektron-Positron-Paar sich trifft, kommen sie gerne wieder zusammen und produzieren zwei weitere Photonen.
Ein interessanter Punkt bei allen Teilchen, die sich Physiker anschauen, ist, dass sie
dieses eigenständige Modell haben, das zu funktionieren scheint.
Aus der Astronomie wissen wir aber, dass es da eine Reihe unbeantworteter Fragen gibt.
Warum existieren Atome?
Da in einem heißen Universum, wie alle Gleichungen sagen,
jedes Mal wenn Photonen zusammenkommen, diese gleichermaßen Materie schaffen und zerstören.
Dennoch haben wir dieses 10^9 Verhältnis, 1 Mrd. Photonen pro Atom.
Hier gibt es eine Asymmetrie in den Gleichungen, die wir nicht verstehen.
Da sie so, wie sie jetzt sind, nicht auf unserem Stand sind.
Das Universum besteht allein aus Photonen.
Hier geht also etwas vor sich, dass wir nicht verstehen.
Natürlich haben wir die dunkle Materie noch nicht entdeckt.
Wir glauben, dass es ein Teilchen ist, aber wir haben es nicht gesehen.
Was ist diese Dunkle Energie?
Wir wissen es wirklich nicht.
Seit unserer Entdeckung im Jahr 1998 haben wir fast nichts über Dunkle Energie gelernt.
Das ist eine traurige Angelegenheit.
Warum besitzen Neutrinos Masse?
Es gibt Gründe aus der Astronomie und aus Experimenten hier auf der Erde,
die ziemlich sicher davon ausgingen, dass sie ein bisschen Masse haben.
Die Gleichungen sagen uns das aber auch nicht.
Und zu guter Letzt, wie verhält sich die Schwerkraft mit anderen Kräften?
Das ist die große Frage in der Physik, die Frage der Vereinigung.
Wenn wir das Universum zurückbringen auf eine etwas moderatere Temperatur von 800.000 Grad
fungiert das Ganze als nuklearer Reaktor.
So kann man sehr klar vorhersagen, was der nukleare Reaktor tun wird.
Gehen wir das durch und machen die Gleichungen, dieselben wie für Atombomben oder ähnliche Dinge,
Und wir bekommen ein Universum, das eine Reihe von Elementen produziert:
75% Wasserstoff, 25% Helium und Spuren anderer Dinge.
Genau das, was wir im Universum sehen.
Alles andere, Kohlenstoff und all das Zeug, das Biologen begeistert,
das passierte alles erst später in den Sternen, die wir sehen.
Daher wissen wir, dass das Universum heiß war und abkühlte.
Hier sind diese kleinen Schallwellen nur Fluktuation, ein Hunderttausendstel.
Sie wuchsen durch die Schwerkraft und irgendetwas passierte.
Ungefähr 100 Mill. Jahre später formten sich die ersten Sterne und plötzlich, vor 13 Mrd. Jahren,
hatten wir dieses wirklich aufregende Universum,
das dem heutigen nicht so unähnlich ist.
Nun können wir also weitergehen und beginnen Fragen zu stellen.
Eines dieser Dinge, mit denen ich mich beschäftige, ist jeden einzelnen Stern der Milchstraße zu betrachten
und zu fragen, ob ich Sterne finden kann, die nur aus Wasserstoff und Helium bestehen.
Diese wären dann unmittelbar nach dem Urknall entstanden.
Also betrachteten wir Milliarden über Milliarden Objekte und fanden etwas, dass der Sache bis jetzt am Nächsten kommt.
Es ist ein Objekt, das überhaupt kein Eisen in sich hat.
Explodierende Sterne produzieren Eisen und auch andere Sachen.
Dieses Objekt hat buchstäblich kein Eisen.
Ein Hundertmillionstel.
Weniger als die Sonne.
Das ist ein Spektrum, in dem man das Eisen identifizieren kann; da ist wirklich nichts.
Es hat ein bisschen Calcium und andere Sachen.
Daher denken wir, dass dieser Stern aus der Asche eines der Ausgangssterne des Universums entstanden ist.
Bis jetzt haben wir nur einen, aber in den kommenden fünf Jahren finden wir hoffentlich noch einen ganzen Haufen davon.
Und können zusammensetzen, wie das Universum aus fossilen Relikten geformt wurde.
Aber wir können mit der nächsten Generation von Teleskopen aber auch zurückschauen in die Geschichte
und hoffentlich sehen, wie die Objekte geschaffen werden.
In Echtzeit.
Mit Hilfe des James Webb Weltraumteleskops und den extrem großen Teleskopen.
So können wir sagen, dass das heutige Universum zu 2% aus schwereren Atomen besteht.
Die Sterne haben diese ursprüngliche Mischung aufgenommen, 2% des Universums geschaffen und es durch Kernreaktionen transformiert
zu den Dingen, die das Leben hier auf der Erde ziemlich interessant machen.
Außer für diejenigen unter ihnen, die gerne mit Helium spielen.
Ok, eine andere große Frage – Was ist der Urknall?
Dieses Bild ist wirklich witzig.
Es ist sehr verklumpt hier, aber wir haben den Kontrast unglaublich herausgearbeitet.
Die Temperatur ist auf beiden Seiten gleich.
Wie können wir das verstehen?
Es stellt sich heraus, wenn man hindurchgeht und ein Diagramm macht oder es so betrachtet wie das Licht,
dann sieht man, wenn ich in diese Richtung blicke
und dann in die andere Richtung und zurück zu einer Entfernung von 380.000 Jahren nach dem Urknall gehe,
dass man hindurchgehen und diese Lichtkegel machen kann. Dann kann man sagen, dass dieser Teil des Lichtes und dieser Teil
einander niemals sehen können. Und doch haben sie fast dieselbe Temperatur zu einem Zehntausendstel.
Ok, also brauchen wir einen Trick.
Der Trick nennt sich Inflation.
Die Inflation ermöglicht eine Zeit im Universum, zu der das Universum exponentiell expandierte und aus irgendeinem Grund stoppte.
Darum sieht das Diagramm etwas lustig aus.
Und es scheint so, als ob ich bedauerlicherweise eine Folie verloren habe.
Es nimmt auch kleine Fluktuationen auf, die von Quantenmechanik verursacht werden, und vergrößert sie auf die Größe des Universums.
Das scheint verrückt? Wenn wir das nicht haben und das Universum anstelle so auszusehen, wie wir es sehen,
so aussehen würde, gäbe es keine Struktur dafür, wie die Schwerkraft Dinge zum Wachsen bringt.
Außerdem stellt sich heraus, dass ein verklumptes Universum im Moment der Beschleunigung abflacht.
Das trifft auf alle Beobachtungen zu, die wir vom Universum gemacht haben.
Aber es bedeutet auch, dass das Universum diese witzige Zeit hatte,
in der es, wie wir glauben, um zahlreich Größenordnungen wesentlich expandierte,
in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde und das Universum dann so machte, wie wir es heute sehen.
Das bringt uns zu der Frage, was der Urknall ist?
Nun, ich weiß nicht, was der Urknall ist.
Für mich ist der Urknall, was immer das Universum dazu brachte sich aufzublähen.
Da gibt es eine Zeit, wahrscheinlich davor,
aber diese Vergrößerung hat alles ausgewaschen, was wir wissen.
Es kann gut sein, dass der Urknall dieses Aufblasen, oder vielleicht gibt es etwas davor, das wissen wir noch nicht.
Daher befürchte ich, dass ich nicht weiß, was der Urknall ist. Ich weiß nur was danach passiert ist.
Wie sieht unsere Zukunft aus?
Bedauerlicherweise muss ich sagen, dass die Kernreaktionen unserer Sonne immer stärker werden.
In den nächsten 500 Mill. Jahren wird es sehr heiß auf der Erde werden.
Nicht in dem kleinen Maße, wie wir es heute erleben: Wir reden hier von einer Fluktuation von 50 Grad plus.
In 500 Mill. Jahren müssen wir also ein anderes Zuhause finden oder wir werden nicht mehr existieren.
Letzten Endes wird die Sonne in 5 Mrd. Jahren wirklich keinen Kernbrennstoff mehr haben.
Wir sind dann definitiv dem Untergang geweiht.
Mit der Expansion und Erhitzung wird das Leben unangenehm werden.
Aber wir haben die Hoffnung, dass wir auf einen anderen Planeten gehen können. Vielleicht nicht ganz so wie in Interstellar,
aber wir werden weitermachen und das Universum erforschen.
Und was werden wir sehen?
Es zeigt sich, dass es viele Orte gibt, an die wir gehen können.
Es gibt 100 Mrd. Sterne in unserer eigenen Galaxie.
Wenn man hindurchgeht und von unserer Galaxie nah herangeht und ein winziges Stück des Himmels betrachtet,
sehen wir in diesem winzigen Stück, buchstäblich in Briefmarkengröße, zwanzigtausend Galaxien.
Das ist also ein sehr dichtes Universum.
Aber es ist endlich, was äußerst bemerkenswert ist.
Wenn wir aber über den gesamten Himmel blicken, sehen wir im Wesentlichen alles.
Wenn Sie also hindurchgehen und überlegen wollen, wie unbedeutend wir sind, wenn sie nur eine schnelle kleine
Überschlagsrechnung machen.
Wie viele Sterne gibt es im Universum?
Nun, es gibt ca. 260 Mrd. Galaxien, wenn ich all diese Bilder zusammenzähle.
Es gibt ca. 100 Mrd. Sterne in jedem dieser Bilder.
Es zeigt sich, dass ein Fünftel dieser, wie wir aus letzten Messungen annehmen, einen erdähnlichen Planeten hat.
Es gibt also eine Menge Sterne im Universum.
Mehr Sterne als es Sandkörner auf der Erde gibt.
Wir sind also unbedeutend.
Denken Sie daran, dass unsere Vorfahren in einem nicht weit entfernten Käfig vor 17.300 Jahren dieses Bild machten.
Wir haben die Sterne der Plejaden, dieselben wie wir heute sehen, fast alle Menschen konnten diese bisher sehen,
Wir haben den Taurus, den Stier, an derselben Stelle am Himmel wie heute.
Dieselbe Beschreibung, die wir heute nutzen.
Wir nennen sie die Sieben Schwestern, die australischen Ureinwohner nannten sie die Sieben Schwestern.
Sie waren für zehntausende Jahre von Europa isoliert.
Sterne sind unsere Geschichte.
Das Erstaunliche ist, dass wir, als unbedeutende Menschen, fähig waren durchzugehen,
und die Geschichte zusammenzusetzen, die ich Ihnen heute gezeigt habe.
Zeit ist von äußerster Wichtigkeit. Zum einen, weil ich keine mehr habe,
zum anderen, weil das Universum expandiert. Wir befinden uns gerade am Anfang davon.
Je mehr der Weltraum expandiert, umso unbedeutender sind wir.
Je mehr der Weltraum expandiert, umso mehr dunkle Energie kann ihn auseinander drücken.
Schließlich wird die Expansion des Weltraumes schneller stattfinden als das Licht fähig ist den Weltraum zu durchqueren.
Daher werden die Galaxien, die wir heute sehen, in der Zukunft nicht mehr da sein.
Wenn Sie meine Anträge auf Förderung lesen, finanzieren Sie mich bitte jetzt, denn wir haben nur begrenzt Zeit.
(Lachen)
Um das klarzumachen, wir expandieren nicht.
Ich wollte nur sicherstellen, dass sie das verstehen.
Wir befinden uns in einem sehr dichten Teil des Universums.
Die Schwerkraft hat unseren Teil des Universums zum Kollabieren gebracht, wir expandieren nicht.
Dennoch wenn wir, als Kosmologen, den Rest der Welt betrachten, wird das Universum außer Sichtweite beschleunigt werden.
Wir verstehen nicht, was dunkle Energie ist, doch nur wenn die dunkle Energie nicht plötzlich verschwindet,
aus einem Grund, den wir nicht vorhersehen können, wird das Universum stetig weiter expandieren und verschwinden,
womit ich und meine Kollegen arbeitslos wären.
Vielen herzlichen Dank. (Applaus)