Was ist Antimaterie?

Also, was ist Antimaterie?

Schon vom Namen her ist es offensichtlich das „Gegenteil“ von gewöhnlicher Materie, aber was bedeutet das wirklich?

Zufällig gibt es mehrere gleichermaßen gültige Möglichkeiten, den Unterschied zu beschreiben. Am einfachsten zu erklären ist meiner Meinung nach jedoch, dass in Antimaterie alle elektrischen Ladungen auf allen Teilchen auf allen Ebenen vertauscht wurden.

Gewöhnliche Elektronen haben also negative Ladungen, ihre Antimaterie-Äquivalente haben also positive Ladungen. Protonen sind positiv, also erhalten sie in Antimaterie die negativen Ladungen. Sogar Neutronen, die keine Gesamtladung haben, haben immer noch innere Teile (Quarks), die sehr sicher geladen sind, und die werden auch umgedreht.

Nun, für mich ist die bemerkenswerteste Eigenschaft von Antimaterie nicht, wie sie sich von gewöhnlicher Materie unterscheidet, sondern wie erstaunlich ähnlich sie gewöhnlicher Materie ist. Es ist wie ein fast perfektes Spiegelbild der Materie – und ich verwende diesen Ausdruck nicht leichtfertig, da sich herausstellt, dass das Zwingen gewöhnlicher Materie, ihr eigenes Spiegelbild zu werden, einer der anderen Wege ist, die ich erwähnt habe, um zu erklären, was Antimaterie ist!

Die Ähnlichkeit ist so groß, dass große Mengen Antimaterie beispielsweise die gleiche Chemie wie gewöhnliche Materie besitzen würden. Aus diesem Grund gibt es keinen Grund, warum eine ganze lebende Person nicht aus Antimaterie bestehen könnte. Aber wenn Sie zufällig eine solche Person treffen, beispielsweise während Sie außerhalb eines Raumschiffs über der Erde schweben, empfehle ich Ihnen dringend, sich sehr asozial zu verhalten. Geben Sie ihnen nicht die Hand und laden Sie sie nicht ein, was auch immer Sie tun!

Der Grund hat mit diesen Gebühren zu tun, zusammen mit einigen damit verbundenen Faktoren.

Jeder weiß, dass sich entgegengesetzte Ladungen anziehen. So suchen Elektronen in gewöhnlicher Materie die enge Gesellschaft von Protonen. Sie hängen gerne dort herum und bilden Wasserstoff. In der gewöhnlichen Materie stellt sich jedoch auch heraus, dass es auch alle möglichen Barrieren gibt – ich stelle sie mir gerne als unbezahlte Schulden gegenüber einer sehr strengen Bank vor – die verhindern, dass die negativen Ladungen der Elektronen den positiven Ladungen zu nahe kommen der Protonen.

Während also die entgegengesetzt geladenen Elektronen und Protonen im Prinzip miteinander verschmelzen und eine neue Einheit ohne Ladung bilden könnten, ist das, was wirklich passiert, viel komplizierter. Abgesehen von ihrer entgegengesetzten Ladung haben Elektronen nicht die richtigen "Schulden", um alles abzuzahlen, was die Protonen "schulden", und umgekehrt. Es ist, als würde man positive Äpfel mit negativen Orangen mischen. Die Schulden, die eigentlich Erhaltungssätze genannt werden, ermöglichen es den stark angezogenen Protonen und Elektronen, sich sehr nahe zu kommen, aber niemals nahe genug, um ihre Ladungen gegenseitig vollständig aufzuheben. Das ist auch eine wirklich gute Sache. Ohne diese enge, aber nicht ganz vorhandene Mischung von Äpfeln und Orangen,

Betrachten wir nun noch einmal Antimaterie. Die Elektronen in Antimaterie sind positiv geladen – tatsächlich wurden sie vor langer Zeit in „Positronen“ umbenannt – also werden auch sie wie Protonen stark von den Elektronen angezogen, die in gewöhnlicher Materie zu finden sind.

Wenn Sie jedoch Elektronen zu Positronen hinzufügen, mischen Sie jetzt positive Äpfel mit negativen Äpfeln. Es stellt sich heraus, dass genau diese Ähnlichkeit zu einer sehr gefährlichen Mischung führt, einer, die das Mischen von Elektronen und Protonen überhaupt nicht mag. Das liegt daran, dass bei Elektronen und Positronen die verschiedenen Schulden, die sie enthalten, genau übereinstimmen und auch genau entgegengesetzt sind. Das bedeutet, dass sie ihre gegenseitigen Schulden bis hinunter zu ihrer einfachsten und absolutsten gemeinsamen Größe, der reinen Energie, tilgen können. Diese Energie wird in Form einer sehr gefährlichen und hochintensiven Lichtversion namens Gammastrahlen abgegeben.

Warum also verhalten sich Elektronen und Positronen so schlecht, wenn sie zusammenkommen?

Hier ist eine einfache Analogie: Halten Sie ein Gummiband an seinen beiden Enden fest. Legen Sie als Nächstes ein AAA zwischen die Stränge in der Mitte. (Dies ist einfacher für Menschen mit drei Armen.) Als nächstes verwenden Sie die Batterie, um das Gummiband aufzuwickeln, bis es ziemlich straff ist.

Betrachten Sie nun das Ergebnis genau. Beachten Sie insbesondere, dass die linke und die rechte Seite in entgegengesetzte Richtungen verdreht sind und tatsächlich ungefähr Spiegelbilder voneinander sind.

Diese beiden entgegengesetzt verdrehten Seiten des Gummibands stellen ein einfaches Analogon zu einem Elektron und einem Positron dar, in dem Sinne, dass beide Energie speichern und beide eine Art definierende "Verdrehung" haben, die mit dieser Energie verbunden ist. Sie könnten die Analogie leicht weiterführen, indem Sie jede Hälfte irgendwie verspannen und das Gummiband in der Mitte durchschneiden. Mit dieser ausgefeilteren Analogie könnten die beiden "Partikel" möglicherweise von selbst wegwandern.

Lassen Sie den Akku vorerst jedoch einfach los und beobachten Sie, was passiert. (Wichtig: Tragen Sie eine Schutzbrille, wenn Sie dies wirklich versuchen!) Da Ihre beiden spiegelbildlichen "Partikel" auf beiden Seiten der Batterie genau entgegengesetzte Drehungen haben, entwirren sie sich sehr schnell, wobei Energie freigesetzt wird, die die Batterie senden kann irgendwo wegfliegen. Die Verdrehung, die beide "Teilchen" definierte, wird gleichzeitig vollständig zerstört und hinterlässt nur ein glattes und verdrehungsfreies Gummiband.

Das ist natürlich eine gewaltige Vereinfachung, aber wenn man sich Elektronen und Positronen ähnlich wie die beiden Seiten eines verdrehten Gummibandes vorstellt, bekommt man am Ende ein überraschend gutes Gefühl dafür, warum Materie und Antimaterie gefährlich sind, wenn sie nah beieinander liegen. Wie die Seiten des Gummibandes speichern sowohl Elektronen als auch Positronen Energie, sind Spiegelbilder voneinander und "entwirren" sich gegenseitig, wenn sie sich berühren dürfen, wodurch ihre gespeicherte Energie freigesetzt wird. Wenn Sie große Mengen von beiden mischen könnten, wäre das Ergebnis eine Entwirrung, deren begleitende Freisetzung von Energie wirklich erstaunlich (und sehr wahrscheinlich tödlich!) Anzusehen wäre.

Wie "real" ist Antimaterie angesichts all dessen?

Sehr, sehr echt. Seine Unterschriften sind überall! Dies gilt insbesondere für das Positron (Antimaterie-Elektron), das die am einfachsten zu erzeugende Form von Antimaterie ist.

Haben Sie zum Beispiel schon einmal von einem medizinischen Verfahren namens PET-Scan gehört? PET steht für Positronen-Emissions-Tomographie ... und ja, das bedeutet wirklich, dass Ärzte extrem kleine Mengen Antimaterie verwenden, um Teile des Körpers von jemandem zu vernichten. Die Antimaterie wird in diesem Fall durch bestimmte radioaktive Prozesse erzeugt, und die Strahlungsstöße (diese Gammastrahlen), die durch das Abschneiden einiger Elektronen freigesetzt werden, helfen den Ärzten zu sehen, was im Körper einer Person vor sich geht.

Signaturen von Positronen sind auch in der Astrophysik bemerkenswert häufig, wo beispielsweise einige Schwarze Löcher ungewöhnlich gut darin sind, sie zu erzeugen. Niemand versteht wirklich, warum bestimmte Regionen so viele Positronen produzieren, es sei denn, jemand hat kürzlich gute Erkenntnisse gewonnen.

Positronen waren die erste Form von Antimaterie, die von einem sehr scharfsinnigen Burschen namens Paul Dirac vorhergesagt wurde. Nicht allzu lange nach dieser Vorhersage waren sie auch die erste Form von Antimaterie, die entdeckt wurde. Schwerere Antimaterieteilchen wie Antiprotonen sind viel schwieriger herzustellen als Positronen, aber auch sie wurden in großer Zahl mit Teilchenbeschleunigern erzeugt und untersucht.

Trotz alledem gibt es in Bezug auf Antimaterie auch ein großes Rätsel. Das Rätsel ist: Wo ist der Rest der Antimaterie geblieben?

Erinnerst du dich an die Schulden, die ich erwähnt habe? Nun, bei der Erschaffung von Universen beginnen Physiker wie andere bemerkenswerte Wesen gerne mit reiner Energie – das heißt mit Licht. Aber da Materie all diese unausgeglichenen Schulden hat, können Sie sich nur dann reibungslos zwischen Licht und Materie hin und her bewegen, wenn Sie irgendwo im Universum eine gleiche Menge Antimaterie haben. Eine Menge Antimaterie, die so groß ist, scheint nirgendwo zu existieren. Astrophysiker haben das Universum inzwischen gut genug kartiert, um großen Mengen an Antimaterie keine einfachen Verstecke zu bieten.

Erinnern Sie sich, wie ich sagte, dass Antimaterie ein Spiegelbild der Materie ist? Das ist ein Beispiel für eine Symmetrie. Eine Symmetrie in der Physik ist nur eine Möglichkeit, etwas so zu "drehen" oder "zu reflektieren" oder zu "bewegen", dass Sie etwas zurücklassen, das genauso aussieht wie das Original. Das Umdrehen eines Würfels zwischen seinen verschiedenen Seiten ist zum Beispiel ein gutes Beispiel für eine „kubische Symmetrie“ (es gibt schickere Wörter dafür, aber sie bedeuten dasselbe). Symmetrien spielen in der modernen Physik eine sehr große Rolle und sind für viele unserer tiefsten Verständnisse der Funktionsweise unseres Universums absolut entscheidend.

Materie und Antimaterie bilden also eine nahezu exakte Symmetrie. Diese Symmetrie wird jedoch in der Astrophysik ziemlich spektakulär gebrochen, und auch viel subtiler in bestimmten physikalischen Experimenten. Wie genau diese Symmetrie auf Universumsebene so stark gebrochen werden kann, während sie auf Teilchenebene nur sehr subtil gebrochen wird, ist wirklich ein ziemliches Rätsel.

Da haben Sie es also, ein Mini-Tutorial darüber, was Antimaterie ist und wo sie vorkommt. Obwohl es ein bisschen übertrieben ist, ist Ihre Frage eine gute Frage zu einem faszinierenden Thema.

Und wenn Sie das alles gelesen haben und etwas von dem, was ich gerade gesagt habe, interessant fanden, hören Sie nicht einfach hier auf! Physik ist eines dieser Themen, die umso faszinierender werden, je tiefer Sie sich damit befassen. Zum Beispiel gehören einige dieser kryptisch aussehenden Gleichungen, die Sie in vielen der Antworten hier sehen werden, wohl auch zu den schönsten Objekten, die jemals in der Menschheitsgeschichte entdeckt wurden. Zu lernen, sie gut genug zu lesen, um ihre Schönheit zu schätzen, ist wie zu lernen, großartige Gedichte in einer anderen Sprache zu lesen oder wie man die tiefe Struktur eines wirklich guten Stücks klassischer Musik „hört“. Für die Physik ist die Belohnung eine tiefe Offenbarung von Struktur, Schönheit und Einsicht, die nur wenige andere Disziplinen bieten können.

Hören Sie hier nicht auf!

Nur um die obigen Antworten zu ergänzen:

Es gibt ein wenig weit verbreitete Verwirrung in Bezug auf Antimaterie und Materie. Die Verwirrung ist also: Antimaterie ist Materie . Naja manchmal.

Grundsätzlich wird Materie wie folgt kategorisiert:

$\newcommand{\matter}[1]{\overbrace{ \text{ antimatter}+#1}^\text{matter}}\newcommand{\M}{\scriptsize{\mathcal{MATTER}}} \newcommand{\m}{\text{matter}}\newcommand{\a}{\text{antimatter}}$

Das heißt nicht:

Stattdessen bedeutet es, dass "Materie" zwei Bedeutungen hat:

Wo$\M$bezieht sich auf das "Zeug" unseres Universums und$\m$bezieht sich auf "das Gegenteil von Antimaterie".

Ich werde weiterhin die Schnörkel-Kalligrafie verwenden, um zwischen den beiden Definitionen von Materie zu unterscheiden.

In Ordnung. Eigentum von$\M$:

• Wird eine anziehende Gravitationskraft auf andere ausüben$\M$. Auf jedem anderen$\M$. Auch wenn es ist$\a$. Es gibt keine negative Masse , auch wenn wir darüber sprechen$\a$
• Geht mit subluminalen Geschwindigkeiten.

Auf der anderen Seite,$\m$nicht wirklich viel, außer "das Gegenteil von$\a$". Grundsätzlich wird es für einen bestimmten Teilchentyp ein Antiteilchen mit der entgegengesetzten Ladung (und anderen entgegengesetzten Eigenschaften) geben.

Antimaterie wurde zuerst von Dirac vorhergesagt. Es entstand aus einem Trick, den er benutzte, um seine Gleichung physikalisch sinnvoll zu machen – er postulierte nämlich, dass es an jedem Punkt im Raum eine „Leiter“ unendlicher Elektronen gibt, außer dass die Elektronen hier negative Energie haben und daher nicht herauskommen . Er erkannte, dass ein Elektron herausspringen kann, wenn man Energie pumpt, und es wird ein entsprechendes Loch in der Leiter haben (IIRC, das erkannte er, nachdem er die einfache Feuer-Elektron-an-Wand-Berechnung durchgeführt hatte). Diese "Löcher" verhielten sich sehr ähnlich wie Elektronen, außer dass sie eine entgegengesetzte Ladung hatten. Und sie vernichteten Elektronen bei Kontakt. Zu diesem Zeitpunkt betrachtete Dirac sie nie wirklich als echte Teilchen (und damit nicht wahr$\M$). Stattdessen waren sie etwas Neues und Exotisches, grundlegend Anderes$\M$. Die Terminologie macht hier also Sinn.

Als Antimaterie erstmals entdeckt wurde,$\m$wurde als "wovon es mehr gibt" definiert. Positronen (Antielektronen) waren ziemlich selten – man musste in den Spuren kosmischer Strahlung suchen, um sie zu finden. Antiprotonen waren noch nicht entdeckt worden. Zu dieser Zeit, als extrem wenige Teilchen bekannt waren (Proton, Elektron, Positron und später das Neutron), erschien diese Einteilung sinnvoll. So$\a$wurde zu einer Klassifizierung für alle neuen Partikel, die entgegengesetzte Eigenschaften aufwiesen. Die Terminologie macht weniger Sinn als früher, denn jetzt$\a$ist im Grunde dasselbe wie$\m$, nur weniger reichlich. Aber es macht trotzdem Sinn, da sie das Antiproton noch nicht entdeckt hatten .... noch nicht .

Heutzutage haben wir eine Fülle von Teilchen. Die meisten Teilchen sind so selten wie ihr Antiteilchen. Jetzt müssen wir also ein paar Konventionen unterscheiden$\m$aus$\a$--diese Konventionen bewahren die Tatsache, dass Protonen, Neutronen und Elektronen sind$\m$, und somit besteht unser Universum fast ausschließlich aus Materie. Wenn Physiker fragen: „Warum besteht unser Universum aus Materie – wo ist die Antimaterie geblieben?“, fragen sie eigentlich „wo sind die Positronen, Antiprotonen und Antineutronen geblieben?“ – es gibt Erhaltungssätze, die ein Teilchen symmetrisch machen sein Antiteilchen.

Gehen wir zu den Beweisen aus der realen Welt, und es gibt nichts Vergleichbares wie Blasenkammerbilder (außer wenn es sich um Emulsionen handelt), die die Existenz von Antiteilchen demonstrieren.

Die Erhaltung von Quantenzahlen und Energie erfordert die Existenz von Antimaterie in diesen Ereignissen, die in den Links abgebildet sind, als das wirtschaftlichste mathematische Modell. Wenn ein Antiproton im Strahl (oder von einem Antilamda im interessanten Ereignis im zweiten Link) auf ein Proton trifft, wird zusätzliche Energie als die aus dem Strahl kommende Energie freigesetzt, die durch die Wechselwirkung freigesetzt und auf den Bildern zu sehen und gemessen ist in der Größenordnung von zwei Protonenmassen . Die wirtschaftlichste Hypothese ist, dass sich das Antiproton nach speziellen Relativitätsregeln an einem Proton selbst vernichtet hat und die Endprodukte, soweit es die Quantenzahlen angeht, von Grund auf neu entstehen, da sie alle auf Null gesetzt sind.

Aus Gammastrahlen erzeugte Elektronenposteisenpaare zeigen den gegenteiligen Effekt, wie durch Erhaltung von Quantenzahlen und Energie entgegengesetzte Teilchen erzeugt werden.

Seien wir vorsichtig zu sagen, dass sowohl Teilchen als auch Antiteilchen aus Materie/Antimaterie bestehen, die auf die gleiche Weise auf die Schwerkraft reagiert, dh sowohl Protonen als auch Antiprotonen werden von der Schwerkraft angezogen. Diese Eigenschaft wird nicht umgekehrt.

Ursprünglich war die Antwort einfach: Als die einzige Instanz von Antimaterie das Positron war, sah es ziemlich einfach aus: Antimaterie hat eine entgegengesetzte Ladung und führt eine „Paarvernichtung“ durch. Aber das erklärt nicht Antimaterie für Bosonen wie Protonen oder Neutronen. Es erklärt auch nicht, wie einige Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sein können.

Aber dank der Anwendung der Gruppentheorie auf die Physik haben wir eine Möglichkeit, alle Antiteilchen im Standardmodell korrekt zu charakterisieren: Wenn das Teilchen durch einen Basisvektor in einer linearen Darstellung dargestellt wird, wird das Antiteilchen durch den dargestellt entsprechenden Grundvektor in der dualen Darstellung.

Das mag schmerzhaft abstrakt und nicht sehr intuitiv sein, aber es funktioniert. Ohne Ausnahme.

Die Geschichte;
Antimaterie ist ein Konzept, das Ende der 1920er Jahre von Paul Dirac entwickelt wurde. Er bemerkte, dass die Einstein-Gleichungen

1. $m=0$
2. $p=0$

Der Fall 2. ist dann der berühmte

Dies gilt natürlich auch für Impuls und Lichtgeschwindigkeit, aber da es sich um Vektoren handelt, bedeutet dies lediglich eine Richtungsänderung.

Diese Idee ist also die Quelle für das gesamte Konzept der "Antimaterie". Die erste Idee war, dass Elektron und Proton diese entgegengesetzten Massen wären. Diese Erklärung wurde in dem Buch „Auf der Suche nach Schrödingers Katze“ (John Gribbin) – Kapitel 7, Seiten 124-125 – gegeben.

Meine Meinung dazu ist, dass es nur ein "neuer mathematischer Trick" IST, aber wie diese Bezeichnung für die Plancksche Konstante über 15 Jahre lang (1900-> ) (dasselbe Buch, Seite 42) gegeben wurde, bevor sich herausstellte, dass das "Quantum" war sei die Beschreibung der Realität, die wissenschaftliche Gesellschaft war bestrebt, „jede Mathematik“ zu akzeptieren, solange sie funktionierte.

Der Hauptaspekt dieser Antimaterie-Materie-Sache ist die Paarbildung. Dies bedeutet einfach, dass Teilchenpaare erzeugt werden können$2E$oder wenn sie sich gegenseitig vernichten , "$2E$wird verschwinden.

Dies alles mag wahr sein, aber es bleibt immer noch die Möglichkeit, dass es überhaupt keine Antimaterie gibt, und dies ist nur ein mathematischer Trick. Dadurch ändert sich die Physik nur geringfügig. Anstatt von$2E$die "vernichtende Energie" wäre$\sqrt{2}E$.

Ich kann das mathematisch beweisen, As$p=\frac{E}{c}$,$m=\frac{E}{c^2}$und$E=hv$die Gleichung kann geschrieben werden;

Aber ich muss zugeben, dass ich an dieser Stelle noch nicht in der Lage war, die sogenannten „Real World Evidences“ zu bewerten. Wenn der einzige reale Beweis diese Blasenkammerbilder sind, dann kann ich mit Sicherheit schlussfolgern, dass die Energie wirklich "von der Ordnung 2" ist. -wie gesagt in der antwort von anna v. Genauer gesagt$\sqrt2$.

Dennoch schlage ich vor, die Antwort von Terry Bollinger bis zum Ende zu lesen;

"Hören Sie hier nicht auf!"