Die Täglichen Fünf zu Universum und Physikdie Antworten erklärt

Reale Grundlage

• Wie lange braucht Sonnenlicht von der Sonnenoberfläche bis zur Erde? Antwort: etwa 8 Minuten 20 Sekunden. Der mittlere Abstand Erde–Sonne beträgt etwa 150 Millionen km, und Licht braucht dafür etwa 499 Sekunden. Die Sonne, die du siehst, ist immer die Sonne von vor gut 8 Minuten.

• Welche Temperatur hat die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung heute? Antwort: etwa 2,7 K. Etwa 2,725 K. Sie entstand, als das Universum 380.000 Jahre alt und etwa 3000 K heiß war, und seitdem hat die Expansion des Universums sie gedehnt und um etwa den Faktor 1100 abgekühlt.

• Wie alt ist das Universum ungefähr? Antwort: etwa 13,8 Milliarden Jahre. Etwa 13,8 Milliarden Jahre. 4,6 Milliarden Jahre ist das Alter des Sonnensystems; 46 Milliarden Lichtjahre ist der Radius des beobachtbaren Universums, kein Alter.

• Das Universum ist erst 13,8 Milliarden Jahre alt, doch das beobachtbare Universum hat einen Radius von etwa 46 Milliarden Lichtjahren. Warum? Antwort: Das Universum dehnte sich weiter aus, während das Licht unterwegs war. Das Licht ist 13,8 Milliarden Jahre gereist, und in dieser Zeit wurde der Ort, von dem es aufbrach, durch die Expansion noch weiter weggeschoben. Die Lichtgeschwindigkeit hat sich nie geändert.

• Welcher Stern ist, abgesehen von der Sonne, der hellste am Nachthimmel? Antwort: Sirius. Sirius, etwa 8,6 Lichtjahre entfernt. Der Polarstern liegt in der Helligkeit nur um Rang 50; er ist berühmt, weil er sich kaum bewegt.

• Wie lange lebt ein Stern mit 20 Sonnenmassen etwa? Antwort: etwa 10 Millionen Jahre. Je massereicher, desto heftiger das Brennen: Die Lebensdauer ist ungefähr umgekehrt proportional zur Masse hoch 2,5. Die Sonne lebt etwa 10 Milliarden Jahre, und die kleinsten Roten Zwerge leben Billionen von Jahren.

• Was ist das häufigste Element im Universum? Antwort: Wasserstoff. Nach Atomzahl sind etwa 92 % Wasserstoff, nach Masse etwa 74 %. Das meiste davon ist ein Überbleibsel der ersten Minuten nach dem Urknall.

• Woher stammen die Goldatome in deinem Schmuck höchstwahrscheinlich? Antwort: aus gewaltigen Ereignissen wie der Verschmelzung von Neutronensternen. Elemente, die schwerer sind als Eisen, brauchen viele Neutronen zum Aufbau. Das Gravitationswellenereignis GW170817 von 2017 ließ die Menschen erstmals direkt sehen, wie Neutronensternverschmelzungen schwere Elemente schmieden.

• Welcher Stern ist der Sonne am nächsten? Antwort: Proxima Centauri. Proxima Centauri, etwa 4,24 Lichtjahre entfernt. Er ist der kleinste Rote Zwerg im Dreifachsternsystem Alpha Centauri, und 2016 wurde um ihn ein Planet gefunden.

• Was ist der „Ereignishorizont“ eines Schwarzen Lochs? Antwort: die Grenze, jenseits derer nicht einmal Licht entkommen kann. Der Horizont ist keine physische Oberfläche. Bei einem sehr großen Schwarzen Loch bemerkt jemand, der den Horizont überquert, womöglich zunächst nichts, kann aber nie wieder heraus.

• Welches Schwarze Loch war auf dem ersten Bild eines Schwarzen Lochs zu sehen, das 2019 veröffentlicht wurde? Antwort: das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87. Das Event Horizon Telescope schaltete Radioteleskope rund um die Welt zu einem „erdgroßen“ Teleskop zusammen. Das Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße wurde 2022 veröffentlicht.

• Warum „funkeln“ Sterne? Antwort: wegen der Turbulenz in der Erdatmosphäre. Luftmassen unterschiedlicher Temperatur wirken wie fließende Linsen und machen das Sternenlicht stärker und schwächer. Ein Planet erscheint als kleine Scheibe und funkelt daher weniger.

• Warum zeigt der Mond der Erde immer dieselbe Seite? Antwort: Die Rotationsdauer des Mondes ist gleich seiner Umlaufdauer. Das nennt man Gezeitenkopplung. Der Mond dreht sich in etwa 27,3 Tagen einmal, genau so lange, wie er für einen Umlauf um die Erde braucht.

• Wie viele Sterne hat die Milchstraße ungefähr? Antwort: etwa 100 bis 400 Milliarden. Die Schätzung liegt zwischen 100 und 400 Milliarden. Die Spanne ist so groß, weil sich lichtschwache Rote Zwerge schwer zählen lassen.

• Was wird aus der Sonne am Ende? Antwort: ein Weißer Zwerg. Die Sonne ist nicht massereich genug, sie bläht sich zuerst zu einem Roten Riesen auf, stößt einen Planetarischen Nebel ab und hinterlässt schließlich einen Weißen Zwerg von der Größe der Erde.

• Warum war das Universum in seinen ersten 380.000 Jahren „undurchsichtig“? Antwort: Freie Elektronen streuten die Photonen ständig. Es war damals zu heiß, und die Elektronen waren noch nicht von Atomkernen eingefangen worden. Als es auf etwa 3000 K abkühlte, bildeten sich Atome, und Licht konnte sich frei ausbreiten. Dieses Licht ist die heutige kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung.

• Welchen Anteil an aller Materie im Universum macht die Dunkle Materie ungefähr aus? Antwort: etwa 85 %. Etwa 85 %. Die uns bekannten Atome machen nur einen kleinen Teil der Materie aus, und Dunkle Materie wurde bisher nur über die Gravitation nachgewiesen.

• Was veröffentlichte Hubble 1929? Antwort: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von uns. 1924 zeigte er erstmals, dass die Andromeda-Galaxie außerhalb der Milchstraße liegt, und 1929 veröffentlichte er die Beziehung, dass die Fluchtgeschwindigkeit proportional zur Entfernung ist. Lemaître hatte diese Beziehung schon 1927 hergeleitet.

• Wie schnell ist Voyager 1 jetzt ungefähr? Antwort: etwa 17 km pro Sekunde. Etwa 17 km pro Sekunde. Bei dieser Geschwindigkeit würde es etwa 75.000 Jahre dauern, Proxima Centauri zu erreichen.

• Welches dieser Objekte hat sich nicht im Sonnensystem gebildet? Antwort: ʻOumuamua. ʻOumuamua, 2017 entdeckt, ist das erste bekannte interstellare Objekt. Es stammt aus einem anderen Sternsystem und verlässt uns jetzt wieder.

• Was bedeutet der „kosmologische Ereignishorizont“? Antwort: Das Licht, das manche Galaxien heute aussenden, wird uns nie erreichen. Das Universum dehnt sich beschleunigt aus, und weit genug entfernte Galaxien entfernen sich so schnell, dass ihr heute ausgesandtes Licht uns nie einholen kann. Das Universum dort drüben ist nicht zu Ende.

• Was ist der größte Unterschied zwischen den ersten Sternen (Population III) und den heutigen Sternen? Antwort: Sie enthalten fast keine Elemente, die schwerer sind als Helium. Es gab im Universum noch keine schweren Elemente. Sie waren möglicherweise extrem massereich und extrem kurzlebig, und bisher wurde keiner durch direkte Beobachtung bestätigt.

• Wie viel wiegt etwa ein Teelöffel Neutronensternmaterie? Antwort: Milliarden Tonnen. Die Dichte eines Neutronensterns beträgt etwa 4×10¹⁷ kg pro Kubikmeter, ein Teelöffel (etwa 5 mL) wiegt also etwa 2 Milliarden Tonnen.

• Als 2015 erstmals Gravitationswellen nachgewiesen wurden, um wie viel änderte sich die Länge der 4 km langen LIGO-Arme? Antwort: um etwa ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons. Etwa 10⁻¹⁸ m. Um so eine winzige Änderung zu messen, muss sich LIGO von Erdbeben, Verkehr und sogar den Schwingungen der Meereswellen abschirmen.

• Warum ist der Himmel blau? Antwort: Luftmoleküle streuen kurzwelliges Licht leichter. Das nennt man Rayleigh-Streuung. Bei Sonnenuntergang durchquert das Licht mehr Atmosphäre, das blaue Licht wird weggestreut, und das rote und orange Licht bleibt übrig.

• Woraus besteht der größte Teil eines Atoms? Antwort: aus leerem Raum. Der Kern misst nur etwa ein Hunderttausendstel des Atomdurchmessers. Wäre ein Atom so groß wie ein Fußballstadion, wäre der Kern wie eine Erbse in der Mitte des Spielfelds.

• Warum ist Wasser H₂O und nicht HO? Antwort: Ein Sauerstoffatom braucht zwei weitere Elektronen, um stabil zu sein. Sauerstoff hat 6 Elektronen in der Außenschale, und 2 weitere geteilte füllen sie auf, also teilt er mit jedem von zwei Wasserstoffatomen ein Elektronenpaar.

• Was ist nach Masse das häufigste Element auf der Erde? Antwort: Eisen. Mit dem Kern gerechnet macht Eisen etwa ein Drittel der Erdmasse aus. Betrachtet man nur die Kruste, ist Sauerstoff am häufigsten.

• Woraus bestehen Diamant und Graphit? Antwort: aus Kohlenstoff. Es sind dieselben Kohlenstoffatome in unterschiedlicher Anordnung: Im Diamant ist jedes Kohlenstoffatom an vier Nachbarn gebunden, im Graphit bilden die Atome Schichten aus Sechsecken.

• Welches Element wurde als erstes künstlich hergestellt? Antwort: Technetium. Es wurde 1937 in weggeworfener Molybdänfolie aus einem Zyklotron gefunden. Sein Name kommt vom griechischen Wort für „künstlich“.

• Warum ist Eisen der Endpunkt der Sternfusion? Antwort: Die Fusion von Eisen setzt keine Energie mehr frei. Die Kerne um Eisen-56 sind am festesten gebunden. Alles Schwerere zu verschmelzen, verbraucht stattdessen Energie; sobald sich der Kern eines massereichen Sterns mit Eisen füllt, kollabiert er.

• Wie schnell bewegt sich Licht im Vakuum ungefähr? Antwort: 300.000 km pro Sekunde. Der genaue Wert ist 299.792.458 Meter pro Sekunde. Seit 1983 ist das Meter über die Lichtgeschwindigkeit definiert.

• Was sagt E = mc² aus? Antwort: Masse und Energie lassen sich ineinander umwandeln. Wird 1 Gramm Materie vollständig in Energie umgewandelt, ergibt das etwa 9×10¹³ Joule, was etwa 20.000 Tonnen TNT entspricht.

• Wo wurde 2012 das Higgs-Boson entdeckt? Antwort: am Large Hadron Collider. Am Large Hadron Collider des CERN. Seine Entdeckung bestätigte den Mechanismus, durch den Teilchen Masse erhalten, und der Nobelpreis für Physik 2013 ging an die Physiker, die diesen Mechanismus vorgeschlagen hatten.

• Wie viel Grad Celsius hat der absolute Nullpunkt? Antwort: −273,15 °C. −459,67 ist in Grad Fahrenheit. Dem absoluten Nullpunkt kann man sich beliebig nähern, ihn aber nie erreichen; das ist der dritte Hauptsatz der Thermodynamik.

• Wie viele Neutrinos der Sonne durchqueren pro Sekunde eine Fläche von der Größe deines Fingernagels? Antwort: etwa 60 Milliarden. Etwa 60 Milliarden pro Quadratzentimeter und Sekunde. Fast alle fliegen durch dich und durch die Erde hindurch und hinterlassen keine Spur.

• Lässt sich mit Quantenverschränkung Information schneller als das Licht übertragen? Antwort: nein. Die Messergebnisse an den beiden Enden eines verschränkten Paares sind korreliert, aber jedes Ende für sich sieht zufällig aus. Man muss die beiden Ergebnisreihen erst über ein gewöhnliches Signal vergleichen, bevor die Korrelation sichtbar wird. Das nennt man das No-Communication-Theorem.

• Was sollte „Schrödingers Katze“ ursprünglich zeigen? Antwort: Überträgt man die Quantenüberlagerung auf die makroskopische Welt, wirkt sie absurd. Schrödinger schlug das Gedankenexperiment 1935 als Kritik an der damals verbreiteten Deutung der Quantenmechanik vor, doch es wurde zum bekanntesten Bild der Quantenmechanik.

• Was besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik? Antwort: Die Entropie eines abgeschlossenen Systems nimmt nicht ab. Wärme fließt von selbst vom Heißen zum Kalten, nicht umgekehrt. Er gibt der Zeit eine Richtung.

• Warum kocht Wasser auf einem hohen Berg unter 100 °C? Antwort: Der Luftdruck ist niedrig. Je niedriger der Druck, desto leichter entweichen Wassermoleküle. Auf dem Gipfel des Mount Everest kocht Wasser bei etwa 70 °C.

• Warum vertauscht ein Spiegel links und rechts, aber nicht oben und unten? Antwort: Was ein Spiegel wirklich umkehrt, ist vorn und hinten. Der Spiegel kehrt die Richtung senkrecht zu seiner Fläche um. Wir stellen uns die Person im Spiegel als jemanden vor, der sich umgedreht hat und uns anschaut, und deshalb scheinen links und rechts vertauscht.

• Die Protonen im Atomkern tragen alle positive Ladung, warum stoßen sie sich dann nicht ab? Antwort: Die starke Wechselwirkung hält sie zusammen. Auf der Größenskala des Kerns ist die starke Wechselwirkung weit stärker als die elektromagnetische Abstoßung, doch ihre Reichweite ist extrem kurz, und außerhalb des Kerns verschwindet sie fast.

• Was ist eine „Halbwertszeit“? Antwort: die Zeit, in der die Hälfte der Kerne zerfallen ist. Die Halbwertszeit von Kohlenstoff-14 beträgt etwa 5.730 Jahre, sodass sich damit organisches Material bis zu einem Alter von einigen Zehntausend Jahren datieren lässt.

Verwandte Forschung

Diese Studien hängen mit dem Thema zusammen, belegen diese Seite aber nicht direkt.

• Das Universum dehnt sich aus: Hubble fand heraus: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich. Das Universum ist nicht statisch, es dehnt sich aus.

  Quelle: Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"

• Das Uratom: Lemaître schlug unabhängig vor, dass das Universum sich ausdehnt, und stellte sich später vor, es habe als „Uratom“ begonnen, der Vorläufer der Urknalltheorie.

  Quelle: Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"

• Das Higgs-Teilchen finden: Der Large Hadron Collider fand bei etwa 125 GeV ein neues Teilchen und bestätigte damit eine Vorhersage von vor 48 Jahren.

  Quelle: ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"

• Kosmische Hintergrundstrahlung: Zwei Forscher der Bell Labs wurden das Rauschen in ihrer Antenne nicht los und erkannten schließlich, dass es das Nachleuchten des Urknalls war. Sie erhielten 1978 den Nobelpreis.

  Quelle: Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"

• Schatten eines Schwarzen Lochs: Radioteleskope rund um die Welt bildeten ein erdgroßes „virtuelles Teleskop“ und fotografierten den Schatten des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87.

  Quelle: Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 2019, "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole"

• Gravitationswellen: Zwei Schwarze Löcher verschmolzen vor 1,3 Milliarden Jahren, und die Wellen der Raumzeit wurden endlich von Menschen gehört. Einsteins Vorhersage von vor einem Jahrhundert war bestätigt.

  Quelle: Abbott et al. (LIGO & Virgo), Physical Review Letters 2016, "Observation of gravitational waves from a binary black hole merger"

• Das Rezept des Universums: Der Planck-Satellit vermaß die winzigen Schwankungen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung: Gewöhnliche Materie macht etwa 5 % der gesamten Energie des Universums aus, Dunkle Materie etwa 27 %, der Rest ist Dunkle Energie.

  Quelle: Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"