Wir leben in einem Universum, in dem es viel Materie gibt und im Großen und Ganzen überhaupt keine Antimaterie. Zwei unserer Leser wollen wissen, was Antimaterie ist, und ein Physiker gibt ihnen eine Antwort auf diese Frage.
Antimaterie. Aus diesem Wort atmen faszinierende Bücher und Filme, in denen Bösewichte Sprengstoff von Antimaterie bekommen oder Raumschiffe mit solchem Treibstoff reisen.
Aber was ist diese Substanz - was ist im Wesentlichen Antimaterie?
Die Leser von Wiedenskub möchten dies sehr gerne wissen. Sie haben einige der vielen Artikel gelesen, die wir über die Experimente von Physikern mit Antimaterie veröffentlicht haben, aber sie würden gerne mehr wissen.
Zunächst müssen wir klarstellen, dass die Antimaterie der Physiker nicht mit den Antikörpern verwechselt werden darf, die uns aus Biologie und Medizin bekannt sind. Dort sind Antikörper (auch Immunglobuline genannt) spezielle Proteinverbindungen, die Teil der körpereigenen Abwehr gegen Krankheiten sind. Sie können an fremde Moleküle binden und so den Körper vor Mikroorganismen und Viren schützen.
Aber hier werden wir nicht darüber reden. Wir haben einen Wissenschaftler aus der Welt der Physik kontaktiert: Nikolaj Zinner, Lehrer am Institut für Physik und Astronomie der Universität Aarhus, wird uns gerne über Antimaterie berichten.
Substanz mit entgegengesetzter Ladung
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„Alle diese Teilchen, die bekanntlich in der Natur liegen, alles, woraus unsere Welt besteht, existieren in Varianten mit entgegengesetzter Ladung. Das ist Antimaterie “, sagt Nikolai Sinner.
„Antimaterie sieht genauso aus und hat die gleiche Masse wie gewöhnliche Materie, aber genau die entgegengesetzte Ladung. Zum Beispiel haben positiv geladene Positronen negativ geladene Elektronen. Positronen sind Antiteilchen von Elektronen."
Antimaterie ist also nichts grundsätzlich Ungewöhnliches. Es ist nur eine Substanz mit einer entgegengesetzten Ladung zu der Substanz, in deren Umgebung wir uns normalerweise befinden. Aber warum es so wenig davon gibt, ist nur ein Rätsel, und wir werden später darauf zurückkommen.
„Im Alltag begegnen wir keiner Antimaterie, aber sie tritt in vielen Situationen auf, beispielsweise während des radioaktiven Zerfalls, unter dem Einfluss kosmischer Strahlung und in Beschleunigern. Es verschwindet einfach sehr schnell wieder. Wenn ein Positron auf ein Elektron trifft, entsteht reine Energie in Form von zwei hochenergetischen Lichtteilchen - Quanten.
Verschwindet in einem Lichtblitz
„Hier ist ein Elektron und ein Positron, sie haben entgegengesetzte Ladungen, also ziehen sie an. Sie können sehr nahe beieinander sein, und wenn dies geschieht, verschmelzen sie und bilden zwei Photonen. Dies ist eine Folge der Naturgesetze - sagt Nikolai Sinner. "Die Masse zweier Teilchen wird in Form von zwei Teilchen in Energie umgewandelt - Quanten der Gammastrahlung."
„Wenn Sie viel Antimaterie hätten und sie mit gewöhnlicher Materie in Kontakt kommen lassen würden, würden Sie eine sehr starke Reaktion auslösen. Und umgekehrt: Energie kann in Materie und Antimaterie umgewandelt werden, und dies geschieht in Teilchenbeschleunigern."
Wird in medizinischen Scannern verwendet
Dieses Phänomen, bei dem die Begegnung von Materie und Antimaterie zu ihrem Verschwinden und zur Freisetzung von Energie führt, ist wahrscheinlich das erste, was die Autoren von Science-Fiction fasziniert.
Zum Beispiel spielt Antimaterie eine wichtige Rolle in Dan Browns Engeln und Dämonen, und in Star Trek laufen interstellare Schiffe mit Antimaterie.
In der realen Welt hat Antimaterie jedoch eine friedlichere Anwendung.
Die Antimaterie in Form von Positronen aus dem Zerfall radioaktiver Stoffe wird in Krankenhäusern in PET-Scannern (Positronenemissionstomographie) verwendet, die Bilder von inneren Organen aufnehmen und in ihnen ungesunde Prozesse erkennen können.
„Antimaterie ist also gar nicht so mystisch. Dies ist ein Teil der Natur, den wir gerne nutzen “, sagt Nikolai Sinner.
Wir setzen uns auch Antimaterie aus, indem wir Bananen essen. Sie enthalten Kalium, das leicht radioaktiv ist und beim Zerfall Positronen freisetzt. Ungefähr alle 75 Minuten emittiert eine Banane ein Positron, das schnell mit einem Elektron kollidiert und sich in zwei Gammaphotonen verwandelt.
Aber das alles ist absolut nicht gefährlich. Um eine Strahlungsdosis zu erhalten, die der Röntgenaufnahme entspricht, müssen wir mehrere hundert Bananen konsumieren.
Es wurde bereits vor der Entdeckung vorhergesagt
Sie können besser verstehen, was Antimaterie ist, wenn Sie sich die Geschichte ihrer Entdeckung ansehen. Interessanterweise wurde die Existenz von Antimaterie vorhergesagt, noch bevor sie entdeckt wurde.
In den 1920er Jahren stellte sich heraus, dass eine neue Theorie namens Quantenmechanik perfekt war, um die kleinsten Teilchen der Materie - Atome und Elementarteilchen - zu beschreiben. Es war jedoch nicht so einfach, die Quantenmechanik mit der zweiten großen Theorie des 20. Jahrhunderts, der Relativitätstheorie, zu kombinieren.
Der junge britische Physiker Paul Dirac beeilte sich, dieses Problem zu lösen, und gelang es, eine Gleichung abzuleiten, die Quantenmechanik mit spezieller Relativitätstheorie kombiniert.
Mit Hilfe dieser Gleichung wurde es möglich, die Bewegung eines Elektrons zu beschreiben, selbst wenn sich seine Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit näherte.
Aber die Gleichung bereitete eine Überraschung vor. Er hatte zwei Lösungen, genau wie die Gleichung "x² = 4": x = 2 und x = -2 ". Das heißt, es könnte nicht nur das bekannte Elektron beschreiben, sondern auch ein anderes Teilchen - ein Elektron mit negativer Energie.
Entdeckt in Wilsons Zelle
Dann wussten sie nichts über Teilchen mit negativer Energie, und Paul Dirac interpretierte seine Entdeckung wie folgt: Es kann ein Teilchen geben, das mit Ausnahme der entgegengesetzten Ladung genau einem Elektron entspricht.
Wenn das Elektron eine negative Ladung hat, muss es ein entsprechendes Teilchen mit einer positiven Ladung geben. Berechnungen zufolge sollte dieselbe Regel für alle Elementarteilchen gelten, dh im Allgemeinen für alle Teilchen, aus denen die Welt besteht.
Und so begann die Jagd nach dem Anti-Elektron. Der amerikanische Physiker Carl Anderson verwendete eine Nebelkamera (auch bekannt als Wilsons Kamera), um Spuren von Teilchen aus dem Weltraum zu erfassen, die die gleiche Masse wie ein Elektron haben, jedoch die entgegengesetzte Ladung aufweisen.
Auf diese Weise wurde Diracs Antielektron entdeckt, das Positron genannt wurde - kurz für "positives Elektron". Von diesem Moment an wurden Schritt für Schritt neue Antiteilchen entdeckt.
Das Universum war am Anfang reine Energie
Dirac schlug vor, dass entfernte Sterne - vielleicht die Hälfte von allem, was wir am Himmel sehen - aus Antimaterie bestehen könnten, nicht aus Materie. Dies folgt zum Beispiel aus seiner Rede, die er 1933 bei der Annahme des Nobelpreises für Physik hielt.
Aber heute wissen wir, dass alles im Universum nur aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Und das ist wirklich mysteriös, denn zu Beginn der Existenz des Universums hätte es ungefähr die gleiche Menge von beiden geben müssen, erklärt Nikolai Sinner.
„Wenn wir anfangen, die Entwicklung des Universums zurückzuspulen, wird die Energie immer mehr. Die Dichte steigt, die Temperatur steigt. Schließlich verwandelt sich alles in reine Energie - energietragende oder Kraftteilchen wie Photonen. Dies war nach unseren gängigsten kosmologischen Theorien der Beginn des Universums."
„Und wenn wir von diesem Bezugspunkt aus wieder vorwärts gehen, muss die Energie irgendwann beginnen, sich in Materie umzuwandeln. Es ist durchaus möglich, Materie aus reiner Energie zu erzeugen, aber in diesem Fall erhalten Sie genauso viel Antimaterie wie Materie. Das ist das Problem - man würde von beiden die gleiche Menge erwarten."
„Es muss ein Naturgesetz geben, das dafür verantwortlich ist, dass es heute mehr Materie als Antimaterie gibt. Und über dieses Ungleichgewicht kann nichts mehr gesagt werden. Und so könnte diese Asymmetrie erklärt werden."
Neutrinos helfen, das Rätsel zu lösen
Die große Frage ist, wo man in den Naturgesetzen nach dem Grund für den Sieg der Materie über die Antimaterie suchen sollte. Physiker versuchen dies durch Experimente herauszufinden.
Am CERN-Forschungszentrum in der Schweiz wird Antimaterie produziert und in Magnetfeldern gehalten. Durch eine Reihe von Antiwasserstoff-Experimenten versuchen Physiker, eine Antwort auf die Frage zu finden, ob Materie und Antimaterie exakte Spiegelbilder voneinander sind.
Vielleicht gibt es mit Ausnahme der Ladung immer noch einen kleinen Unterschied zwischen ihnen, und dieser Unterschied wird erklären, warum es im Universum so viel Materie in Bezug auf Antimaterie gibt.
Es gelang, Antihelium zu schaffen
Da Antimaterie sehr selten ist und schnell verschwindet, wenn sie auf eine Substanz trifft, gibt es in der Natur keine Antimateriemoleküle, und es können nur die kleinsten Moleküle erzeugt werden.
Im Jahr 2011 gelang es amerikanischen Wissenschaftlern, Antihelium zu erzeugen. Es gab keine größeren Atome.
Wir von Wiedenskab haben viel über diese Experimente geschrieben, die bisher zeigen, dass sich Antimaterie genauso verhält wie Materie, was beispielsweise im Artikel „Aarhus-Wissenschaftler hat die genauesten Antiwasserstoffmessungen in der Geschichte durchgeführt“beschrieben ist. Und vielleicht hilft uns die Lösung dieses Rätsels dabei, Elementarteilchen zu finden, die Neutrinos genannt werden. Wir haben darüber in dem Artikel "Eisexperiment wird das Geheimnis der Materie enthüllen" geschrieben.
„Wir können hoffen, dass wir die Antwort im Neutrino finden, weil wir bereits wissen, dass es sich seltsam verhält. Hier gibt es viele Lücken in der Physik, daher wäre es ratsam, hier mit dem Graben zu beginnen “, sagt Nikolai Sinner.
Die Antimaterie selbst ist nicht allzu mystisch, aber die Physiker haben noch nicht herausgefunden, warum es heute im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt. Sie arbeiten an diesem Thema.
Henrik Bendix
