Was für eine Materie ist Positronium?

Sie sollten Positronium als Beweis dafür betrachten, dass Ihre Aufteilung des Universums in Materie und Antimaterie zu einfach ist.

Das schreibst du

Materie besteht aus Elektron, Proton und Neutron.

Aber das beschreibt nur stabile Materie und nur stabile Materie, die zufällig mit Elektromagnetismus wechselwirkt. Eine Zählung stabiler Materie sollte auch das Neutrino umfassen; Wir lassen es im Chemieunterricht weg, weil es keine Moleküle bildet. (Allerdings ist es möglich, dass Neutrinos indirekt die Stabilität von Molekülen beeinflussen .) Eine Bestandsaufnahme der „elektromagnetischen Materie“ sollte auch die Mu- und Tau-Leptonen sowie Baryonen wie Lambda und Sigma umfassen, die schwere Quarks enthalten. Wenn Sie diese Partikel aus der zweiten und dritten Generation beanstandensind exotisch, weil sie instabil sind … nun ja, das Neutron ist instabil. Sollte Ihre Liste der „Materie“ „Elektronen, Protonen und Kerne“ lauten? Zählen instabile Kerne wie Tritium und Kohlenstoff-14 als „normale“ Materie oder sind sie „exotisch“, bis sie in Helium-3 oder Stickstoff-14 zerfallen? (Und natürlich senden diese Zerfälle dabei ein Anti -Neutrino aus, um das Klassifizierungsproblem von jemand anderem zu sein.)

Um die Energie-Eigenzustände von Positronium und ihre Eigenschaften wie Spin, Parität und Lebensdauer zu berechnen, verwenden wir die gleichen Werkzeuge, die Intro-Quanten-Studenten verwenden, um das Wasserstoffatom zu beschreiben. Im Sinne von „quak wie eine Ente“ ist es also sinnvoll, Positronium ein „Atom“ zu nennen. Weil Positronium nicht wirklich ins Periodensystem passt und weil es keinen großen Beitrag zur Chemie leistet, könnte man es ein „exotisches“ Atom nennen.

Aber „exotisch“ könnte Ihnen den falschen Eindruck vermitteln, dass Positronium ungewöhnlich oder schwer zu finden ist, genauso wie ich wahrscheinlich nie einem Nashorn oder einem Hellroten Ara begegnen werde, wenn ich keine besonderen Vorkehrungen treffe. Das ist nicht wirklich der Fall. Die Bildung von Positronium ist ein normaler Schritt bei der Vernichtung schneller Positronen in Materie und kommt daher nicht weniger häufig vor als Positronen. Wenn Sie eine menschliche Person sind, die teilweise aus Kalium von der Erde besteht, enthalten Sie viele Male pro Stunde Positronium.

In der Quantenelektrodynamik lernen wir, dass Elektron und Positron eigentlich Anregungen desselben Feldes sind: ein vierkomponentiger Spinor mit zwei Ladungszuständen und zwei Spinzuständen. In einem sehr realen Sinne ist Positronium der einfachste „materielle“ Zustand des Elektromagnetismus und mathematisch einfacher als der bekanntere Zustand, in dem es viele Elektronen und nicht sehr viele Positronen gibt. Diese Perspektive hat wichtige physikalische Konsequenzen. Man kann sagen, dass das krafttragende Photon „einen Teil seiner Zeit“ als virtuelle Elektron-Positron-„Schleife“ verbringt. Die Schleifenkorrekturen des Elektromagnetismus beziehen sich auf Observable wie die Änderung der effektiven Elektronenladung bei kurzen Abständen (häufiger als „Laufen der Feinstrukturkonstante“ aufgrund der „Vakuumpolarisation“ bezeichnet) sowie auf Korrekturen des magnetischen Moments eines ruhenden Elektrons.

Ich stimme Ihrer anderen Antwort und Ihren Kommentaren nicht zu, dass die Klassifizierung „duzzit matter“ ist oder dass Ihre Frage dumm ist. Das bringt das Thema auf den Punkt. Etwa in der Mitte seines ausgezeichneten Ancestor's Tale schreibt Dawkins über „die Tyrannei des diskontinuierlichen Geistes“. Kategorisierungen seien äußerst nützlich, sagt er; aber manchmal ist eine Kategorisierung unmöglich, oder Kategorien, die in einem Kontext nützlich sind, sind in einem anderen nutzlos. Zu erkennen, wann dies geschehen ist, ist eine Gelegenheit, interessante Dinge zu lernen.

Wikipedia stuft Positronium als exotisches Atom ein . Da es jedoch eine Lebensdauer von (bestenfalls) etwa 100 Nanosekunden hat, spielt die Bezeichnung, die wir ihm beimessen, kaum eine Rolle.

Alle unsere Elementarteilchenexperimente und -beobachtungen passen perfekt zum Lorentz-Rahmen, einem Rahmen, in dem jedes Elementarteilchen oder jede Zusammensetzung von Elementarteilchen perfekt durch die vier Vektoren beschrieben wird $(E,p_x,p_y,p_z)$. Die Länge dieses Vierervektors ist die invariante Masse,$m_0$. Alle unsere experimentellen Daten und Beobachtungen zeigen das$m_0$größer oder gleich Null ist, für alle bekannten Partikel und ihre Zusammensetzungen.

Meine einfache Antwort wäre, dass es nach unseren Experimenten und Beobachtungen keine Antimaterie gibt. Es gibt Antiteilchen zu Teilchen, die die Spiegelquantenzahlen haben, aber Materie, die im umgangssprachlichen Sprachgebrauch die Masse der klassischen Mechanik definiert, ist bis auf Teilchenebene immer gleich.

Das ist die Verwirrung, die Verwechslung von Antiteilchen mit Antimaterie. Das Positronium ist ein Komposit aus einem Teilchen und einem Antiteilchen . Es gibt auch Experimente mit Anti-Wasserstoff , Lorentz-Transformationen halten, und die invariante Masse unterscheidet sich nicht von der invarianten Masse von Wasserstoff, obwohl die Experimente versuchen, Unterschiede zur Physik darüber hinaus zu finden Standardmodell..

Es gibt nette Antworten von @annav und @rob, ich möchte hinzufügen, dass sowohl Elektronen als auch Positronen Anregungen desselben Feldes sind, das den gesamten Raum durchdringt, nur eine Manifestation derselben (normalen) Energie. Mein Lieblingsbeispiel dafür ist die Paarbildung, bei der sich energetische Photonen in (genau wie in Ihrem Beispiel) und Elektron und Positron verwandeln, die beide aus derselben zugrunde liegenden Energie dieses quantenmechanischen Universums erzeugt werden.

https://en.wikipedia.org/wiki/Pair_production

Genauso wie wenn Sie eine Saite zupfen (Sie erregen ein Feld), können Sie sie auf viele Arten zupfen, es auf eine Weise tun, Sie erhalten ein Elektron, zupfen (das Feld anregen) auf eine andere Weise, Sie erhalten ein Positron, aber Sie spielen nur mit demselben alten Feld, auf derselben alten Gitarre (Universum).

Wir leben zufällig in einem Universum, in dem dunkle Energie dominiert, es ist nur so, dass in unserer näheren Umgebung alles aus normaler Energie (Materie) besteht, und dazu gehören sowohl Elektronen als auch Positronen, und aus diesem Grund nennen wir dies nur aus Konvention normale Energie (Materie), und wir nennen dunkle Energie die andere, die insgesamt dominiert. Genau wie diese Konvention leben wir zufällig in einem Universum, in dem Elektronen in unserer Umgebung über Positronen dominieren, und nur aus diesem Grund nennen wir Elektronen Materie und Positronen Antimaterie.

Ja, diese 4,6 % beinhalten alles, was wir wissen, außer Dunkle Materie und Dunkle Energie. Es umfasst also Atome, Baryonen, Leptonen, Neutrinos, Antimaterie, kosmische Strahlung und auch die Massenenergie von virtuellen Teilchen (ein Großteil der Masse des Protons und der Atome stammt davon). Abhängig von Ihrer Definition von "exotischer Materie" ist das entweder hypothetisch und daher jedermanns Vermutung, oder Dinge wie Positronium, das nicht stabil ist, aber Teil dieser 4,6% wäre.

Umfasst normale Materie auch Antimaterie und Energie?

Aber die ultimative Antwort auf Ihre Frage ist, dass Positronium (genau wie Quarkonium) nur eine Manifestation desselben zugrunde liegenden Phänomens ist, das wir (normale) Energie nennen, sowohl Elektronen als auch Positronen sind (etwas unterschiedliche) Erregungen desselben zugrunde liegenden Quantenfelds.