Kosmische Hintergrundstrahlung

Kosmische Hintergrundstrahlung Übung

• Definiere die Begriffe Hintergrundstrahlung und kosmische Hintergrundstrahlung.

  Tipps

  Beachte die Verwendung präziser physikalischer Begriffe.

  In jeden Definitionssatz haben sich zwei fehlerhafte Wörter eingeschlichen.

  Lösung

  Die Definition für die Hintergrundstrahlung allgemein lautet:

  Hintergrundstrahlung nennt man eine elektromagnetische Strahlung, die - richtungsunabhängig - überall am Himmel in gleicher Stärke nachgewiesen werden kann.

  Diese Strahlung kann also theoretisch einem beliebigen Teil des elektromagnetischen Spektrums (siehe Abbildung) entspringen.

  Die kosmische Hintergrundstrahlung hingegen liegt in einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums:

  Physikalisch besonders wichtig ist die im Mikrowellenbereich angesiedelte kosmische Hintergrundstrahlung.

  In der Abbildung ist dieser Teil des Spektrums markiert: Die Wellenlänge der kosmischen Hintergrundstrahlung liegt im Dezimeterwellenbereich, also zwischen zehn Zentimetern und einem Meter. Ihre Frequenz liegt damit zwischen 300 MHz und 3 GHz.

• Benenne die wichtigsten Eigenschaften der kosmischen Hintergrundstrahlung.

  Tipps

  Die Eigenschaften beziehen sich auf die Besonderheiten beim Messen der kosmischen Hintergrundstrahlung sowie ihre Verteilung im Weltall.

  Es gibt insgesamt drei wichtige Eigenschaften.

  Lösung

  Misst man die kosmische Hintergrundstrahlung, so stellt man fest: Egal, in welche Richtung des Universums man misst und egal von welchem Punkt aus, der Wert für die kosmische Hintergrundstrahlung ist immer (abgesehen von minimalsten Schwankungen) gleich groß.

  Sie ist daher richtungsunabhängig, standortunabhängig und sehr gleichmäßig. Sie beträgt momentan rund 2,7 Kelvin, verringert sich jedoch im Verlauf der Zeit durch die Ausdehnung und dadurch bedingte Abkühlung des Universums.

• Analysiere die wichtigsten Erkenntnisse bei der Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung.

  Tipps

  Wann wurde die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt?

  In welchem Wellenlängenbereich liegt sie?

  Was ist Hohlraum- beziehungsweise Schwarzkörperstrahlung?

  Lösung

  1964 entdeckten Penzias und Wilson die kosmische Hintergrundstrahlung zufällig und wurden dafür später mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

  Zu den bekannten Eigenschaften Richtungsunabhängigkeit, Standortunabhängigkeit und Gleichmäßigkeit der kosmischen Hintergrundstrahlung, die definitionsgemäß im Mikrowellenbereich liegt, wurde sie darüber hinaus als Hohlraumstrahlung identifiziert. Den typischen Strahlungsverlauf eines schwarzen Körpers konnte man auch bei der kosmischen Hintergrundstrahlung nachweisen.

• Erkläre, weshalb die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung so bedeutend war.

  Tipps

  Beschreibe die beiden Zustände, die in den Abbildungen dargestellt sind.

  Welcher entscheidende Schritt vollzog sich beim Übergang vom oberen in den unteren Zustand?

  Protonen sind positiv geladen, Elektronen negativ. Photonen sind als gelbe Pfeile dargestellt.

  Lösung

  Der Nachweis der kosmischen Hintergrundstrahlung ist demnach ein Beweis dafür, dass die beschriebenen Prozesse tatsächlich auch so stattgefunden haben. Damit bestätigt die kosmische Hintergrundstrahlung die Urknalltheorie.

  Neben der Existenz der kosmischen Hintergrundstrahlung gibt es noch einen zentralen Beweis, der die Urknalltheorie bestätigt: Die Expansion des Universums kann mit Hilfe der Rotverschiebung des Lichtes entfernter Galaxien bewiesen werden. Diese zeigt an, dass sich die Galaxien von uns weg bewegen, sich also das Universum immer weiter ausdehnt.

• Benenne den aktuellen Wert der kosmischen Hintergrundstrahlung in Grad Celsius.

  Tipps

  Addiere beispielsweise den Wert der kosmischen Hintergrundstrahlung in Kelvin zum Wert des absoluten Nullpunktes in Grad Celsius.

  Beachte das negative Vorzeichen.

  Lösung

  Die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung liegt bei -270,45° Celsius oder rund -270,5° Celsius. Sie ist wirklich sehr klein. Temperaturen in dieser Größenordnung kommen natürlicherweise auf der Erde nicht annähernd vor.

• Erkläre das wissenschaftliche Wesen einer Theorie wie der Urknalltheorie.

  Tipps

  Wissenschaftliche Theorien erheben nie den Anspruch einer absoluten Wahrheit.

  Auch namenhafte Theorien müssen neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen standhalten.

  Lösung

  Tatsächlich könnte ein schlüssiger Gegenbeweis ausreichen, um die bestehende Urknalltheorie zu widerlegen. Eine wissenschaftliche Theorie besitzt nicht den Anspruch, die reine Wahrheit abzubilden. Die kennen wir so nicht. Wir können lediglich beobachten, was mit unseren Mitteln möglich ist. Wir können analysieren, Vermutungen anstellen, Beweise sammeln, Verallgemeinerungen festlegen, Grundannahmen postulieren.

  Aber egal wie gesichert und gut untermauert eine Theorie auch zu sein scheint, sie kann prinzipiell immer widerlegt werden, wenn ein Gegenbeweis auftaucht. In der Geschichte der Physik gibt es dafür viele spannende Beispiele. Mach dich doch mal auf eine Erkundungstour durch die großen Irrtümer der Wissenschaftler. Denn auch solche Irrtümer gehören zur Physik mit dazu.