Antimaterie ist dasselbe wie gewöhnliche Materie, außer dass sie die entgegengesetzte elektrische Ladung hat. Beispielsweise hat ein Elektron, das eine negative Ladung hat, einen Antimateriepartner, das sogenannte Positron. Ein Positron ist ein Teilchen mit der gleichen Masse wie ein Elektron, aber mit einer positiven Ladung.
Teilchen ohne elektrische Ladung, wie etwa Neutronen, sind oft ihre eigenen Antimateriepartner. Doch müssen die Forscher noch feststellen, ob die mysteriösen winzigen Teilchen, die als Neutrinos bekannt und ebenfalls neutral sind, ihre eigenen Antiteilchen sind, berichtet Live Science.
Auch wenn es wie Science-Fiction klingt, Antimaterie ist real. Antimaterie entstand zusammen mit Materie nach dem Urknall. Doch Antimaterie ist im heutigen Universum selten und die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, warum.
Eine NASA-Raumsonde hat einen durch ein Gewitter verursachten Antimaterieausbruch in der Erdatmosphäre registriert. NASA
Der Mensch hat Antimaterieteilchen durch superschnelle Kollisionen an riesigen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider erzeugt, der sich außerhalb von Genf befindet und von der CERN (der Europäischen Organisation für Kernforschung) betrieben wird. Mehrere Experimente am CERN erzeugen Antiwasserstoff, den Antimaterie-Zwilling des Elements Wasserstoff. Das bislang komplexeste Antimaterieelement ist Antihelium, ein Analogon von Helium.
Es gibt auch natürlich vorkommende Antiteilchen, die sporadisch im gesamten Universum produziert werden. Doch wenn Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig und erzeugen Energie. Das bedeutet, dass Antimaterie in einem von Materie dominierten Kosmos wie dem unseren nicht lange bestehen bleibt.
Antimaterie steht auch im Mittelpunkt des Rätsels, warum das Universum überhaupt existiert. In den ersten Momenten nach dem Urknall existierte nur Energie. Als das Universum abkühlte und sich ausdehnte, bildeten sich sowohl Materie- als auch Antimaterieteilchen. Wissenschaftler haben die Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen mit extrem hoher Präzision gemessen und festgestellt, dass sich beide gleich verhalten. Wenn also Antimaterie und Materie in gleichen Mengen entstanden wären und sich gleich verhalten würden, müsste die gesamte zu Beginn der Zeit entstandene Materie und Antimaterie beim Kontakt vernichtet worden sein, ohne dass etwas zurückgeblieben wäre.
Die Materie begann sich gegenüber der Antimaterie durchzusetzen
Einer Theorie zufolge wurde zu Beginn des Universums mehr Materie als Antimaterie geschaffen, sodass selbst nach der gegenseitigen Vernichtung noch genügend Materie übrig blieb, um Sterne, Galaxien und schließlich alles auf der Erde zu bilden. Der Unterschied wäre sehr gering. Weniger als 1 von 1 Milliarde gewöhnlicher Teilchen würde das Chaos überleben und die gesamte Materie bilden, die uns heute umgibt.
Wenn das Neutrino – ein winziges, geisterhaftes Teilchen, das kaum mit anderer Materie interagiert – tatsächlich sein eigenes Antiteilchen ist, könnte dies der Schlüssel zur Lösung dieses Problems sein. Dieser Theorie zufolge könnte zu Beginn der Zeit ein kleiner Teil der Neutrinos von Antimaterie zu Materie gewechselt sein und dadurch möglicherweise zu einem kleinen Ungleichgewicht der Materie am Anfang des Universums geführt haben. Es wurde versucht, durch Experimente festzustellen, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, doch bisher blieb das Ergebnis ergebnislos.
Der britische Physiker Paul Dirac sagte 1928 Antimaterie voraus, als er versuchte, die Quantenmechanik, die subatomare Teilchen beschreibt, und Einsteins Relativitätstheorie zu kombinieren. Dirac suchte nach einer Lösung für die Gleichung, die die Bewegung eines Elektrons beschreibt, das sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt. „So wie die Gleichung x^2 = 4 zwei mögliche Lösungen haben kann (x = 2 oder x = minus −2), so kann die Dirac-Gleichung zwei Lösungen haben: eine für ein Elektron mit positiver Energie und eine für ein Elektron mit negativer Energie“, so CERN.
Zunächst zögerte Dirac, seine Entdeckungen weiterzugeben. Aber er akzeptierte sie schließlich und sagte, dass es für jedes Teilchen im Universum ein Spiegelteilchen geben müsse, das sich genauso verhalte, aber die entgegengesetzte Ladung habe.
Positronen wurden einige Jahre später von Carl Anderson, Physiker am California Institute of Technology, entdeckt, der hochenergetische kosmische Strahlen untersuchte, die aus dem Weltraum kommen, auf die Erdatmosphäre treffen und dort einen Strom anderer Teilchen erzeugen. In seinem Detektor beobachtete Anderson eine Spur von etwas mit der gleichen Masse wie ein Elektron, aber mit einer positiven Ladung. Der Herausgeber der Zeitschrift Physical Review schlug laut dem American Institute of Physics vor, das Teilchen Positron zu nennen.
Für ihre Arbeit an dieser Entdeckung erhielten Dirac und Anderson den Nobelpreis für Physik: Dirac 1933 und Anderson 1936.
Der britische theoretische Physiker Paul Dirac war eine der bedeutendsten Persönlichkeiten in der Frühzeit der Quantenphysik. Den Nobelpreis für Physik erhielt er 1933 gemeinsam mit Erwin Schrödinger. Doch erst 1927 begann dieser ruhige, aber brillante Geist seine Suche nach der „schönen Mathematik“ und formulierte eine seiner größten Errungenschaften: die Dirac-Gleichung.
In diesem Auszug aus dem Kapitel über Antimaterie in seinem Buch „The One Thing You Need to Know“ erklärt der Autor Marcus Chown, wie Diracs ungewöhnliche Methoden und Eigenarten uns geholfen haben, die grundlegende Physik zu verstehen, die die Welt um uns herum formt.
Die Natur hat beschlossen, die Anzahl ihrer Grundbausteine zu verdoppeln. Bemerkenswerterweise gibt es für jedes subatomare Teilchen ein „Antiteilchen“ mit entgegengesetzten Eigenschaften, beispielsweise elektrischer Ladung. Bis 1927 hatte niemand die geringste Ahnung, dass eine solche „Antimaterie“-Welt existierte. Doch in diesem Jahr schrieb der britische Physiker Paul Dirac eine Gleichung auf, die ein Elektron beschreibt, das sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt, und bemerkte, dass diese Gleichung etwas Seltsames enthielt.
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Dirac war einer der Pioniere der Quantentheorie, einer revolutionären Beschreibung der submikroskopischen Welt der Atome und ihrer Bestandteile, schreibt Marcus Chown in seinem Buch „The Only Thing You Need to Know“. Die Theorie brachte zwei scheinbar widersprüchliche Eigenschaften der Welt in Einklang, die durch Experimente im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts aufgedeckt worden waren: die Fähigkeit von Atomen und dergleichen, sich wie lokalisierte Teilchen und wie sich ausbreitende Wellen zu verhalten. Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger formulierte dies 1926 in der Schrödingergleichung, die die Ausbreitung von Quantenwahrscheinlichkeitswellen im Raum beschreibt.
Paul Dirac. Getty Images
Das Problem mit der Schrödinger-Gleichung besteht darin, dass sie die andere Revolution in der Physik des 20. Jahrhunderts nicht berücksichtigt. In seiner speziellen Relativitätstheorie von 1905 zeigte Einstein, dass seltsame Dinge mit Raum und Zeit passieren, wenn sich ein Körper mit Masse der Lichtgeschwindigkeit nähert. Obwohl die Schrödinger-Gleichung gut zur Beschreibung eines Elektrons in einem kleinen Atom geeignet ist, wo die elektrische Kraft von nur wenigen Protonen im Atomkern dafür sorgt, dass es mit einer Geschwindigkeit kreist, die viel langsamer ist als die Lichtgeschwindigkeit, versagt die Gleichung in schwereren Atomen, wo der Atomkern viele Protonen hat und das Elektron mit einer Geschwindigkeit kreist, die nahe der Fluchtgeschwindigkeitsgrenze liegt. Was benötigt wurde, war eine Gleichung, die mit der speziellen Relativitätstheorie vereinbar war – relativistisch – und genau das wollte Dirac finden.
Dirac war ein seltsamer Mann, bei dem man heute wahrscheinlich eine autistische Störung diagnostizieren würde. Er war groß, schlaksig und sah aus wie ein Spazierstock. Er hatte die Angewohnheit, die ganze Woche über hart zu arbeiten und sonntags lange Spaziergänge in der Landschaft um Cambridge zu machen, wo er, in Anzug und Krawatte gekleidet, auf hohe Bäume kletterte. Er war buchstäblich dumm und der Mr. Spock der Physik. Als während einer seiner Vorlesungen ein Student die Hand hob und sagte: „Professor Dirac, ich verstehe die Gleichung an der Tafel nicht“, antwortete er: „Das ist ein Kommentar, keine Frage“, und fuhr mit seiner Vorlesung fort.
Diracs Herangehensweise an die Physik war nicht weniger seltsam als sein Charakter. Während andere Physiker nach alltäglichen Analogien für die Phänomene suchten, die sie beschreiben wollten, und diese dann in einer mathematischen Gleichung zusammenzufassen versuchten, hatte Dirac den Mut, sich einfach mit Stift und Papier hinzusetzen und die Form der Gleichung zu erraten. „Ich spiele gerne mit Gleichungen und suche einfach nach schönen mathematischen Beziehungen, die möglicherweise überhaupt keine physikalische Bedeutung haben“, sagte Dirac. „Manchmal ist das so.“
Auf seiner Suche nach „schöner Mathematik“ in seinen spartanischen Räumen am St. John’s College Ende November 1927 zauberte Dirac buchstäblich aus dem Nichts das hervor, was als Dirac-Gleichung bekannt wurde. Heute ist es eine von zwei Gleichungen, die in die Bodenfliesen der Westminster Abbey in London eingraviert sind. Eine andere ist Stephen Hawkings Gleichung für die Temperatur eines Schwarzen Lochs. „Von allen Gleichungen in der Physik ist die Dirac-Gleichung vielleicht die magischste“, sagt der amerikanische Physiker Frank Wilczek (in „It Must Be Beautiful: Great Equations Of Modern Science“ von Graham Farmell (Granta, 2003)). „Sie ist am freiesten erfunden, am wenigsten durch Experimente bedingt und hat die seltsamsten und erstaunlichsten Konsequenzen.“
Dirac entdeckte, dass es unmöglich war, die Eigenschaften eines relativistischen Elektrons, wie etwa seine Energie, mit einer einfachen Zahl zu beschreiben. Deshalb musste er stattdessen eine zwei mal zwei Zahlen umfassende Tabelle verwenden, die als Matrix bekannt ist. Diese „Dualität“ erklärte die mysteriöse Eigenschaft des Elektrons. Experimente zeigten, dass sich das Teilchen so verhielt, als würde es sich auf eine von zwei Arten drehen: im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Wenn sich das Elektron jedoch tatsächlich drehte, könnte sein Verhalten nur verstanden werden, wenn es sich schneller als das Licht drehte, was Einstein für unmöglich hielt. Die Physiker mussten zu dem Schluss kommen, dass der „Spin“ des Elektrons etwas völlig Neues war. Es handelte sich um eine intrinsische Quanteneigenschaft, für die es in der Alltagswelt kein Pendant gab. Und da war es, sah Dirac, es sprang einfach ungebeten aus der Formel hervor, die er aufgeschrieben hatte. „Meine Gleichung ergab genau die Eigenschaften, die für das Elektron erforderlich sind“, sagte Dirac. „Das war ein wirklich unerwarteter Bonus für mich, völlig unerwartet.“ Laut dem amerikanischen Physiker John Hasbrouck Van Vleck lässt sich Diracs Erklärung des Elektronenspins mit „einem Zauberer vergleichen, der Kaninchen aus einem Seidenhut holt“.
Der Spin war seltsam. Doch ein anderer Aspekt, der sich aus Diracs Gleichung ergab, war noch seltsamer. Als Dirac seine Gleichung aufschrieb, bemerkte er, dass sein Mechanismus seltsamerweise dupliziert war. Es schien nicht nur ein negativ geladenes Elektron zu beschreiben, sondern auch ein Teilchen mit der gleichen Masse wie das Elektron, aber mit einer positiven Ladung. Zu dieser Zeit waren nur drei subatomare Teilchen bekannt: das Proton im Atomkern; ein Elektron, das um den Kern kreist; und ein Photon, ein Lichtteilchen. Es schien, als wäre kein weiterer Bedarf vorhanden. Selbst große Physiker der Zeit wie Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli glaubten, dass Diracs Gleichung falsch sein müsse. Allerdings hatte Dirac recht und sie lagen falsch, wie ein Experiment 8.000 Kilometer von Cambridge entfernt später zeigte.
Im Jahr 1932 versuchte Carl Anderson, ein amerikanischer Physiker am California Institute of Technology in Pasadena, die kosmische Strahlung zu verstehen, extrem energiereiche Teilchen aus dem Weltraum. Er erwartete, dass sie in der Atmosphäre mit Atomen kollidieren und deren Elektronen freisetzen würden. Wenn er einfach die Energie solcher ausgestoßenen Elektronen messen könnte, so argumentierte er, hätte er Kontrolle über die Energie der kosmischen Strahlung. Zu diesem Zweck verwendete er ein extrem starkes Magnetfeld, um die Elektronen abzulenken. Er kam zu dem Schluss, dass sie, wenn sie eine hohe Energie hätten und sich daher schnell bewegten, nur wenig Zeit in der Nähe seines Magnetfelds verbringen würden und weniger stark abgelenkt würden, als wenn sie eine niedrige Energie hätten und mehr Zeit dort verbringen würden.
Anderson machte seine Elektronen mithilfe einer „Wilson-Kammer“ sichtbar. Im Inneren des Geräts bildeten sich entlang der Elektronenspuren winzige Spuren von Wassertropfen, und er konnte diese Spuren fotografieren. Am 2. August 1932 entwickelte Anderson eine Fotoplatte und war erstaunt, als er ein Teilchen mit der Masse eines Elektrons sah, das durch ein Magnetfeld vom Elektron weggelenkt wurde. Er wusste nichts von Diracs Vorhersage. Allerdings stieß er auf Diracs positiv geladenes Elektron, ein Teilchen, das er sofort „Positron“ nannte.
Da durch die Kombination von Materie und Antimaterie Energie entsteht, haben Ingenieure vorgeschlagen, dass mit Antimaterie betriebene Raumfahrzeuge eine effektive Möglichkeit zur Erforschung des Universums darstellen könnten.
Die NASA untersucht die Möglichkeit, mit Antimateriefahrzeugen zum Mars zu reisen, doch die Idee hat einige Nachteile. Erstens ist es sehr teuer.
Antimaterie-Motor. smotrim.ru
„Eine grobe Schätzung der Kosten für die Produktion der 10 Milligramm Positronen, die für eine bemannte Mission zum Mars benötigt werden, beträgt bei etwa 250 Millionen Dollar, wenn man die Technologie verwendet, die sich derzeit in der Entwicklung befindet“, sagte Gerald Smith von Positronics Research LLC in Santa Fe, New Mexico, in einem Papier für die NASA aus dem Jahr 2006. Die Kosten mögen hoch erscheinen, doch der Transport eines beliebigen Gegenstands in die Umlaufbahn kostet immer noch rund 10.000 US-Dollar pro Pfund. Daher wäre auch der Start eines großen Raumfahrzeugs mitsamt seiner menschlichen Besatzung kostspielig.
Erst kürzlich erwogen NASA-Forscher, die bei Kollisionen von Materie und Antimaterie erzeugte Energie zu nutzen, um eine Sonde zum nahegelegenen Sternensystem Alpha Centauri zu schicken. Die Energie der Kollisionen würde es dem Raumfahrzeug ermöglichen, auf 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und dann ausreichend abzubremsen, um Alpha Centauri möglicherweise jahrzehntelang zu erkunden.
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
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