„Frontiers of extragalactic astrophysics“ · 2009. 5. 7. · Theorie der Quantengravitation: Schleifen-Quantengravitation - Hintergrundunabhängigkeit - Struktur von Raum und

„Frontiers of extragalactic astrophysics“ SoSe 2009

Silke BritzenMax-Planck-Institut für RadioastronomieBonn

Tel.: 0228 525 280E-mail: [email protected]: http://www.mpifr-bonn.mpg.de/staff/sbritzen/

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Programm SoSe 09

03.04. Überblick über die Themen des Semesters

Ostern17.04. Die Konstanz der Naturkonstanten

08.05. Zeit

22.05. Raum & Zeit und die Loop-Quantengravitation

05.06. Zeitreisen

19.06. Gibt es Extraterrestrisches Leben?

03.07.

17.04. : Die Konstanz der Naturkonstanten


• Einstein hielt Naturkonstanten wie c, G und h nicht für wirklich fundamental, da ihr Zahlenwert noch von „konventionellen“ Einheiten abhängt. Erst wenn es gelingt, aus mehreren Konstanten eine Größe zu bilden, die ein reiner Zahlenwert ohne Maßeinheit ist, liegt nach Einsteins Ansicht eine wirklich universelle Konstante vor. Doch auch damit gab er sich nicht zufrieden: Der Zahlenwert einer solchen Konstante sollte durch die logische Grundlage der physikalischen Theorie zwingend festgelegt sein:

„… ich kann mir keine einheitliche und vernünftige Theorie zwingend vorstellen, die explizit eine Zahl enthält, welch die Laune des Schöpfers ebenso gut anders hätte wählen können, wobei die Welt qualitativ anders in ihren Gesetzmäßigkeiten ausgefallen wäre.“ (A. Einstein)

Sein Ziel: alle Naturkonstanten zu erklären und damit aus dem Weg zu räumen!!

• Eine Naturkonstante ist eine physikalische Größe, deren Größenwert sich weder räumlich noch zeitlich verändert.

• Unterscheidung zwischen elementaren oder grundlegenden und abgeleiteten Konstanten (Zuordnung unterliegt gewisser Willkür)

• Abgeleitete Konstanten lassen sich aus den elementaren Konstanten berechnen

• Zusammenfassung von Konstanten zu Fundamentalkonstanten

• Sind die Naturkonstanten auch über astronomische Zeiträume hinweg wirklich konstant?? Thema dieser Vorlesung!!


Naturkonstanten sindder Physiker Freud und Leid


Ein kleiner Teil der Naturkonstanten:

• Elektromagnetismus: Coulom-Konstante, Curie-Konstante, Elementarladung, …• Gravitation: Gravitationskonstante, …• Thermodynamik: Absoluter Nullpunkt, Boltzmann-Konstante, ..• Teilchenphysik: Bohrscher Radius, Plancksches Wirkungsquantum, …• Elektron: Ruhemasse, Spezifische Ladung, …• Neutron: Ruhemasse, ..• Protron: Gyromagnetisches Verhältnis, Verhältnis von Protonen-zu Elektronenmasse, …• Vermischtes: Faraday-Konstante, Atomare Masseneinheit, …• Die von-Klitzing-Konstante (universeller Wert zur Messung elektrischer Widerstände)• Cabbibo-Kobayashi-Maskawa-Matrix („Liebling der Teilchenphysiker“)• etc. ….Während Meter, Kilogramm und Sekunde bloße Konventionen sind, die selbst auf der Erde

nicht überall Verbreitung gefunden haben, kommt den Planck-Einheiten universelle Bedeutung zu: Vertreter einer außerirdischen Zivilisation wüßten, was wir mit diesen Einheiten meinen (Planck-Masse=2.176 x 10-8kg; Planck-Länge=1.616 x 10-35m; Planck- Zeit=5.391 x 10-44 s)

Feinstrukturkonstante (137,035 999 679 (94)): bestimmt die Kraft zwischen den Atomkernen und den Elektronen in der Atomhülle

- Daten aus der Oklo-Mine in Westafrika, vor ca. 2 Milliarden Jahren war dort Uran so stark angehäuft, dass eine natürliche Kettenreaktion stattfand: Feinstrukturkonstante hat sich seitdem nicht geändert!

- Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii deuten auf eine leichte Abnahme der Feinstrukturkonstante um etwa ein hundertstel Promille im Verlauf von 10 Milliarden Jahren hin (variable Elektronenladung oder Lichtgeschwindigkeit??)

- Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem VLT deuten auf Konstanz der Feinstrukturkonstanten hin

- Präzisionsmessungen im Labor seit Kurzem möglich: Untersuchungen von T. Hänsch am MPI für Quantenoptik belegen die Konstanz der Feinstrukturkonstante mit einer Genauigkeit von 15 Nachkommastellen über einen Zeitraum von 4 Jahren


A. Müller

Stammbaum: Vereinigung der Wechselwirkungen,am Anfang waren alle zusammen – zu jeder Wechselwirkungsollte eine Naturkonstante existieren

Hierarchie:h und c sind fundamentaler als e: fundamentaler könnte heißen,daß die Konstanten h und c bei der Aufspaltung nach dem Urknall früher auftauchten als die Elementarladung

17.04. Die Konstanz der Naturkonstanten

08.05. Die Zeit

08.05. Die Zeit

• Was ist Zeit ?• Warum fließt sie nur in einer Richtung?• Fließt sie wirklich nur in einer Richtung?• Verläuft sie kontinuierlich ?• Kann man sie anhalten ?• Was war vor der Zeit ?• Gibt es ein Ende der Zeit ?• etc.

• Isaa Newton (1643 – 1727): „Die absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand.“ (1686, Principia)

• Absolut, gleichförmig, steht zu keinem äußeren Gegenstand in Bezug, hat eine Richtung !

• Aber: sie ist relativ (Einstein) …

22.05. Loop Quantengravitation

Die Grenzen

der physikalischen

Forschung

(i) Mikrokosmos (bis ~10-15 m)

CERN, DESY, SLAC, ...

Standardmodell der Elementarteilchenphysik

(ii) Makrokosmos (bis ~1026 m)

Radioteleskope, Satelliten (Hubble, Chandra,...)

Standardmodell der Kosmologie

Nicolai

Warum Quantengravitation?Klassische Gravitation wird beschrieben durch die Einstein‘schen Gleichungen:Energie und Impuls der Materie als Quelle der Krümmung von Raum und Zeit

Aber: klassische Behandlung der Geometrie und quantenmechanische Behandlung der Materie passen nicht zusammen!

Konzeptuelle SchwierigkeitenMathematische Schwierigkeiten

μνμνμν π GTRgR 821

=−

klassisch? quantisiert?{{

Nicolai

Offene Fragen

Singularitäten-Theoreme: Ende von Raum und Zeit?

Nicolai

Offene Fragen

Was geschah am Anfang t=0 (URKNALL)?

Nicolai

Offene Fragen

Gab es ein „davor“, ohne Raum und Zeit?

Nicolai

Hauptlinien der aktuellen ForschungStringtheorie

- Supergravitation, Superstrings, M-Theorie

Weitere Ansätze

Kanonische Quantengravitation- Geometrodynamik- Schleifenquantengravitation

Pfadintegrale und dynam. TriangulierungenNichtkommutative Geometrie und Raum-ZeitRG-Fixpunkte und asymptotische SicherheitIntegrable Modelle der Quantengravitation

Kausale Geschichten, zelluläre Automaten,...

Nicolai

Neue

Elementarteilchen: Tachyonen, SUSY- Teilchen, Gravitinos, Axionen, Dilatonen

Schwarze

und Weiße

Löcher

Wurmlöcher

und Multiversen

Raum-Zeit-Schaum

Höhere

Dimensionen

Aus dem Gewächshaus der theoretischen Physik

Schattenwelten, Schattenmaterie

Fädchentheorie

Nicolai

StringtheorieStörungstheoretische Quantisierung

der Einstein‘schen

Theorie führt auf sinnlose Resultate („∞“).

Maximal (super)symmetrische

Modelle

Konsequenz:Pertubativ

endliche Theorie der Quantengravitation erfordert Einbeziehung (supersymmetrischer) Materiekopplungen zur Kompensation der Divergenzen.

D = 4, N = 8 Supergravitation (1978-1982)D = 11 Supergravitation (1978)IIA / IIB und heterotische Superstrings(D = 10) (1984-1986)Supermembranen und M(atrix)-Theorie(D = 11) (1987) Nicolai

Geometrisierung der MaterieNochmals: Einstein‘sche Gleichungen

Kaluza-Klein-Theorie: nicht-gravitativeWechselwirkungen aus höheren DimensionenBran-Welten: ist unser Universum in ein Hyperuniversum eingebettet?Superraum und Supersymmetrie: fermionische Materie aus einer fermionischen Erweiterung der Raum-Zeit?E10: Die Symmetrie des Universums?

{{μνμνμν π GTRgR 8

21

=−

Marmor? Holz?Lässt sich die rechte Seite geometrisch verstehen?

Vereinheitlichung der fundamentalen Wechselwirkungen?Nicolai

ErfolgeKeine UV Divergenzen (bis jetzt...)Gravitation wird „vorhergesagt“Realistisches Spektrum der Niederenergiephysik?Mikroskopische BH-Entropie: S = ¼ AEl Dorado der künftigen Experimentalphysik:neue Teilchen, verborgene Dimensionen,...Enormer Impakt auf die Mathematik

Ungelöste FragenKein vollständiger Beweis der UV EndlichkeitHintergrundunabhängige Formulierung? (Stringfeldtheorie?)Struktur der Raum-Zeit bei kurzen Abständen?

Kosmologische Raum-Zeiten (FRW, etc.)?Supersymmetriebrechung (via N = 1)?Riesige Entartung: > 101000 konsistente Vakua(Falsifizierbarkeit oder anthropisches Prinzip?) Nicolai

Kanonische Quantisierung

Quantisierung mit metrischen Variablen führt auf Wheeler-DeWitt-Gleichung (1962)

Schrödinger-Gleichung

der Quantengravitation!

Ψ [g] = „Wellenfunktion des Universums“

Unauflösbare mathematische Schwierigkeiten? (Singuläre Funktionaldifferentialgleichung)Unauflösbare Interpretationsprobleme? (Ursprung der Zeit, Kopenhagen oder Vielwelten-Interpretation, u.a.m.?)Kaum Fortschritte in 40 Jahren:Bryce DeWitt: „... that damned equation!“Neue Perspektiven mit Ashtekar-Variablen (1986):

Schleifenquantengravitation (Loop Quantum Gravity) Nicolai

In Kürze

Beide Zugänge zielen auf wesentliche Aspekte einer zukünftigen Theorie der Quantengravitation:

Schleifen-Quantengravitation- Hintergrundunabhängigkeit- Struktur von Raum und Zeit

auf Planck-Skala

Superstrings- UV Endlichkeit und Konsistenz- Klassische Raum-Zeit als Hintergrund- Ursprung der Materie- Vereinigung von Materie und Gravitation

Wegen ihrer sich widersprechenden Grundannahmen erscheint jedoch eine „große Synthese“ der beiden Zugänge nahezu

ausgeschlossen.Nicolai

Der heilige Gral...

Parsifal Ich schreite kaum,

doch wähn' ich mich schon weit.

Gurnemanz Du siehst, mein Sohn,

zum Raum wird hier die Zeit.Richard Wagner, Parsifal, 1. Aufzug, 1. Bild Nicolai




• Interessante Aspekte:– Sie schreibt nicht vor, daß nur räumlich benachbarte Raumquanten miteinander

verbunden sind. Hin und wieder könnten auch extrem weit entfernte Quanten miteinander verbunden sein. Solche nichtlokalen Verbindungen – so L. Smolin – könnten der Quantentheorie vielleicht jene Zufälligkeit austreiben, die Einstein so haßte und von der er glaubte, daß sie letztlich unserer Unkenntnis über irgendwelche noch „verborgenen Parameter“ geschuldet sei. „Die Verteilungen solcher nichtlokaler Verbindungen könnten diese verborgenen Parameter sein.“ Da sie über kosmische Distanzen reichen, könne man sie im Experiment nicht kontrollieren, wodurch uns ihre Wirkung als blanker Zufall erscheinen muß. Dann gebe es doch eine Ursache dafür, warum das Uranatom jetzt zerfällt und nicht ein paar Minuten später – nur läge sie irgendwo in den Tiefen des Alls. Gott müßte also nicht würfeln.

– Hochenergetisches Ende der kosmischen Hintergrundstrahlung könnten bis zur Erde gelangen – kann Beobachtungsergebnisse erklären

– Beschreibt einen exakten Quantenzustand eines Universums mit positiver kosmologischer Konstante

– Strahlung von Gammastrahlen-Ausbrüchen müßte je nach Energie zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommen – GLAST ?

05.06. Zeitreisen

• Eine Bewegung in der Zeit, die vom gewöhnlichen Zeitablauf abweicht• Physikalisch sind Reisen in die Zukunft durch eine Ausnutzung der Zeitdilatation

theoretisch möglich!• Gehören eher der Science Fiction an.

• Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein sind folgende Zeitreisen möglich

– Reisen in die Zukunft (fast lichtschnelles Raumschiff)– Reisen in die Vergangenheit: unbestritten ist, dass die praktische Umsetzung

derartiger Theorien in absehbarer Zeit unmöglich ist; 1949 entdeckte Kurt Gödel, dass eine Lösung der ART, bei der das Universum rotiert, das Zurückkehren eines Objekts in seine eigene Vergangenheit ermöglicht. Ein solches Universum wird als R- Universum (Gödeluniversum) bezeichnet.

• Wurmlöcher• kosmische Strings• schnell rotierende Schwarze Löcher• Tachyonen (hypothetische überlichtschnelle Teilchen)

05.06. Zeitreisen

05.06. Zeitreisen

• Neues theoretisches Modell in Physical Review (2007): mittels Wurmloch, exotische Materie nicht nötig: „ Wenn jemand eine Zeitreise unternehmen will, muss er sich entlang einer Zeitschleife der gebogenen Raumzeit bewegen“.

• „Meine Zeitmaschine ist selbst Raumzeit, also kein Super-Auto“• Nur Reisen zu dem Zeitpunkt zurück, an dem die erste Zeitmaschine gebaut wurde. Reisen

ins Alte Rom, Mittelalter etc. sind prinzipiell ausgeschlossen.• Nötig: Technologie für riesige Gravitationsfelder …

• Hawking:“Die Gesetze der Physik haben sich verschworen, eine Zeitreise von makroskopischen Objekten zu verhindern.“

• Hawking:“ Wer offen über Zeitreisen spekuliert, riskiert entweder einen Aufschrei der Öffentlichkeit, hier würden Forschungsgelder für etwas absolut Lächerliches verschwendet, oder die Forschung wird vom Militär als geheim klassifiziert.“

• „Zeitreisen sind ein ‚politisch inkorrektes‘ Thema.“

• „Wir verbergen unsere Beschäftigung mit dem Thema hinter komplizierten Fachausdrücken, die ein Code für Zeitreisen sind.“

• Seit den 80iger Jahren ….


Steinmetz

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Using a computer modeling system to figure out how Olympus Mons came to be, McGovern andMorgan reached the surprising conclusion that pockets of ancient water may still be trapped under the mountain. (Credit: Rice University/NASA)

Zählt zu den erdähnlichen Planeten, liegt aber außerhalbder Ökosphäre (habitable Zone). In unserem Sonnen-System befindet sich nur die Erde innerhalb.Mars erscheint als trockener Wüstenplanet. BislangVorliegende Ergebnisse lassen jedoch den Schluss zu, daß dieMarstmosphäre vor Milliarden Jahren wesentlich dichter war undReichlich Wasser auf der Oberflächer vorhanden war.

• Höheres Leben scheint es auf dem Mars nicht zu geben, primitive Lebensformen (Mikroben), tiefer im Boden, um vor UV-Strahlen geschützt zu sein, scheinen aber denkbar.

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Der zweite und kleinste derVier großen Monde des Jupiter.Sechstgrößte im Sonnen-system.Temperatur maximal -150 Grad-dennoch vermutet man, daß sichunter einer Kruste aus Wassereis ein bis zu 90 kmtiefer Ozean aus Wasser befinden könnte.

Europa

Netzwerk von kreuz und quer verlaufendenGräben und Furchen, Ähnlichkeit mit Rissen und Verwerfungen auf irdischen Eisfeldern.Kältevulkanismus oder durch den Ausbruchvon Geysiren aus warmem Wasser entstanden,woduch die Eiskruste auseinandergedrückt wurde.

Für 2020 Start des Europa Jupiter Systems Mission/Laplace, 2 OrbiterJupiter Europa Orbiter, Jupiter Ganymede Orbiter

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Anzahl entdeckter Exoplaneten

pro Jahr1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 19981 0 0 3 0 1 1 6 1 71999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 200810 19 12 34 26 28 32 28 62 62200911

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Wie verraten sich Außerirdische ?

• Schon im Jahr 1964 stellte der sowjetische Astrophysiker Nikolai Kardaschow eine Berechnung an, nach der man außerirdische Zivilisationen an ihrem Energieverbrauch erkennen sollte. Er ging dabei von der Überlegung aus, dass die Menschheit seinerzeit (1964) einen Energieverbrauch von rund 1013 Watt (10 000 Gigawatt) hatte und dieser jährlich um etwa 1% ansteigt.

• Aufgrund dieser Annahme, übertragen auf andere Intelligenzen mit ähnlichem Entwicklungsstand, benötigt eine Zivilisation nach 3200 Jahren die gesamte von einem Stern abgestrahlte Leistung. Nach 5800 Jahren ist der Energiebedarf auf die Strahlungsleistung einer ganzen Galaxie angewachsen. Kardaschow teilte die extraterrestrischen Intelligenzen in 3 Klassen ein:

I. Energiebedarf einer Zivilisation, welcher der von ihrem Stern empfangen Strahlung entspricht (ca. 1013 Watt)

II. Dieser Typ "Superzivilisation" setzt die Gesamtleistung ihres Sterns um (ca. 1026 Watt)

III. Die dritte Klasse letztendlich benötigt die Strahlungsleistung einer ganzen Galaxie (ca. 10 34 Watt)

Steinmetz

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Selber die Wahrscheinlichkeiten berechnen …

• Die Greenbank-Formel:N = R * Fp * Ne * Fl * Fi * Fc * L

Symbol Bedeutung optimistisch vorsichtig pessimistisch

R Entstehungsrate sonnenähnlicher Sterne/Jahr 15 2 0.5

Fp Wahrscheinlichkeit eines Planetensystems (%) 30 10 1

Ne Anzahl Planeten in der Ökosphäre 2 1 0.5

Fl Planeten mit entwickeltem Leben (%) 50 20 1

Fi Planeten mit intelligentem Leben (%) 10 5 1

Fc Planeten mit entwickelter Technik (%) 10 5 1

L Lebensdauer einer technischen Zivilisation (Jahre) 1 Million 10 000 100

N Zahl der vorhandenen kommunikationsfähigen Zivilisationen in unserer Galaxie 45.000 1 0

Auf http://www.abenteuer-universum.de/leben/leben.htmlselber ausrechnen, wieviele Zivilisationen es gibt / geben könnte!

http://www.abenteuer-universum.de/leben/leben.html

CoRoT-Exo-7b, dargestellt als punktförmiger Schatten unten links vor seinem Zentralstern Bild: Klaudia Einhorn

CoRoT-Exo-7b zieht in der maßstabsgetreuen,künstlerischen Darstellung vor seinem Stern Bild: Klaudia Einhorn

COROT-Exo-7b

Bislang sind 337 Exoplaneten gefunden worden (Stand: Februar 2009). COROT (Convection, Rotation and Planetary Transits) sucht nach kleinen, massearmenund steinigen Exoplaneten (Helligkeitsschwankungen).

COROT-Exo-7b

Veranschaulichung der Helligkeitsschwankung durch einen vorbeifliegendenPlaneten, der einen kleinen Flecken erzeugt. Bild: CNES

Auch hier: kein Leben!! Temperaturen von 1000-1500 Grad, Oberfläche steinigoder aus Lava bestehend. Könnte auch teils aus Wasser und Stein bestehen undEine heiße Atmosphäre aus Wasserdampf besitzen.

• Einige Zitate:

• „Angesichts der gigantisch vielen Planeten, auf denen Leben theoretisch möglich ist, ist es vermutlich unvermeidlich, daß es extraterrestrisches Leben gibt.“

• „100 Milliarden erdähnlicher Planeten könnte es in unserer Galaxie geben, 10 Trilliarden im sichtbaren Universum. Praktisch jeder Stern könnte einen erdähnlichen Planeten haben. Allerdings würden diese Planeten eher der Erde vor einigen Milliarden Jahren gleichen, …..wenn extraterrestrisches Leben, dann Bakterien.“

• „Wenn es einen bewohnbaren Planeten gibt, dann wird nach einigen Milliarden Jahren Leben entstehen. Das sei so, als würde man seinen Kühlschrank ausschalten und warten, was dann passiert:“Irgendetwas wird wachsen. Es wäre unmöglich zu verhindern, daß auf den bewohnbaren Planeten Leben wächst.“

• „Die Existenz von intelligentem Leben ist sehr viel weniger gewiss. Es existiert nur eine gewisse Zeit.“

„Extraterrestrisches Leben ist unvermeidlich“

• März 2009: Band im Infrarot-Bereich detektiert, in dem man organisches Material nachweisen könnte: Sauerstoff und Stickstoff im interstellaren Staub. Damit könnten die Vorläufer von Leben im All nachgewiesen werden. „Yellow Stuff“

• Suche in planetbildenden Regionen ähnlich in unserem Sonnensystem

Homo sapiens sapiens im All: nicht mehr Science-Fiction, sondern vielmehr Science Fact! Bild: NASA


Gelten überall dieselben Gesetze? NASA

• Weitere Themen:– Extraterrestrisches Leben bereits auf unserer Erde?– Mehrere Episoden „Leben“ auf der Erde ?– Wie kommt das Leben auf die Erde ?– Nur erdähnliche Planeten als Kandidaten für habitable Zonen ?– Würden wir über extraterrestrisches Leben erfahren ?– Was würde passieren, wenn Kontakt möglich wäre ?– Extraterrestrisches Leben auf jeden Fall weiter entwickelt ? Was bedeutet das ?– etc.


Programm SoSe 09

03.04. Überblick über die Themen des Semesters

Ostern17.04. Die Konstanz der Naturkonstanten

08.05. Zeit

22.05. Raum & Zeit und die Loop-Quantengravitation

05.06. Zeitreisen


03.07.

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„Frontiers of extragalactic astrophysics“ · 2009. 5. 7. · Theorie der Quantengravitation: Schleifen-Quantengravitation - Hintergrundunabhängigkeit - Struktur von Raum und