Antimaterie

Woraus besteht sie?

In der Physik kommen alle Elementarteilchen oder die Grundbausteine der Dinge, die wir berühren können, paarweise vor. Jedes Teilchen hat das, was man ein Antiteilchen nennt. Dieses kann genauso aussehen und sich verhalten wie das reguläre Teilchen, bis auf einen wesentlichen Unterschied. Ein Beispiel ist das Elektron und das Positron.

Andere Antimaterie-Teilchen sind genauso, wenn sie das gleiche Gewicht haben und genauso aussehen und sich verhalten wie normale Teilchen, aber ihre elektrische Ladung ist das Gegenteil von regulären Teilchen. Antiwasserstoff hat zum Beispiel das Positron, das positiv geladen ist und um ein Antiproton kreist, das negativ geladen ist, was dem Aussehen von regulärem Wasserstoff entgegengesetzt ist, bei dem das Elektron (negative Ladung) um ein Proton kreist (positive Ladung).

Vernichtung

AlbertEinstein fand eine Formel, die zeigen kann, wie viel Energie eine bestimmte Menge von etwas hat, egal ob es sich um Materie oder Antimaterie handelt. Diese Formel lautet E = m c 2 {\Darstellungsstil E=mc^{2}} und ist eine der bekanntesten Gleichungen. Einfach ausgedrückt: Wenn man die Masse von etwas nimmt und sie dann mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und dann wieder mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert, erhält man, wie viel reine Energie ein bestimmtes Stück von etwas hat. Da die Lichtgeschwindigkeit eine so große Zahl ist, bedeutet dies, dass selbst eine kleine Menge von Materie eine Menge Energie haben kann (es wurde projiziert, dass sie pro Masse viermal wirksamer ist als die Kernspaltung).

1928 suchte der Physiker Paul Dirac nach einer Gleichung, die vorhersagen sollte, wie sich sehr schnelle Teilchen verhalten sollten. Es gab bereits eine andere Gleichung, die langsame Teilchen beschreiben konnte, die Schrödinger-Gleichung, aber Einsteins Spezielle Relativitätstheorie besagt, dass sich schnelle Teilchen sehr von langsamen Teilchen unterscheiden können. Dirac wusste, dass sich Teilchen wie Elektronen normalerweise sehr schnell bewegen. Er erkannte, dass die alte Gleichung keine guten Vorhersagen für schnelle Teilchen liefern würde. Also stellte er eine neue Gleichung auf, die Teilchen beschreiben könnte, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Für schnelle Teilchen gilt nicht mehr, dass die Energie E = m c 2 {\Anzeigeart E=mc^{2}} ist . Stattdessen funktionierte die neue Dirac-Gleichung für Teilchen, bei denen die Energie gegeben war durch E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} . In der neuen Energiegleichung wird das Symbol p → {\displaystyle {\vec {p}}}} als Impuls bezeichnet, und es misst, wie schnell sich das Teilchen bewegt und wie schwer es zu stoppen ist. Diese Gleichung besagt, dass sehr schnelle Teilchen mehr Energie haben, so dass sie sich von langsamen Teilchen unterscheiden. Man kann die Quadratwurzel jeder Seite dieser Gleichung nehmen, da beide Seiten gleich sind. Jede echte Quadratwurzel hat jedoch zwei Antworten, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\darstellungsstil E=+{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}}^{2}c^{2}}}} und E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\darstellungsstil E=-{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} . Man kann sich die Antwort mit negativer Energie als Antimaterie vorstellen.

Der Grund dafür, dass dies wichtig ist, um Antimaterie zu verstehen, liegt darin, dass Wissenschaftler herausgefunden haben, dass, wenn Materie und Antimaterie sich berühren, die freigesetzte Energiemenge sehr nahe an die Energiemenge E = m c 2 {\Darstellungsstil E=mc^{2}} sagt, dass alle zusammen in diesen beiden Teilen sein sollten. Der Grund dafür ist, dass jedes Materieteilchen, wenn es sein Antiteilchen in der Antimaterie-Welt berührt, beide in reine Energie übergehen oder sich gegenseitig vernichten. Diese Freisetzung einer so hohen Energiemenge ist der Grund, warum viele Science-Fiction-Autoren Antimaterie als Brennstoff in ihren Geschichten verwenden. Der Autor Dan Brown zum Beispiel verwendet Antimaterie in "Engel und Dämonen" als eine sehr mächtige Waffe. Sie wird auch als Treibstoffquelle für zukünftige reale Weltraummissionen in Betracht gezogen.

Wo ist all die Antimaterie?

Viele Wissenschaftler glauben, dass sich in den ersten Augenblicken nach dem Urknall, der vor sehr langer Zeit das Universum erschaffen hat, Materie und Antimaterie vermischt haben. Wenn beim Urknall Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstanden, dann würden beide vernichtet und zu Energie werden. Nach langer Zeit gäbe es keine Materie und keine Antimaterie mehr, nur noch Energie. Aber unser Universum sieht heute so aus, als wäre es fast nur Materie und kaum Antimaterie. Die Physiker wissen noch nicht sicher, dass Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstanden sind, und deshalb fragen sie sich auch, wohin die Antimaterie gegangen ist und ob noch welche vom Beginn des Universums übrig geblieben ist.

Eine Erklärung dafür ist, dass es am Anfang nur etwas mehr Materie als Antimaterie gab, so dass das, was nach der Vernichtung des größten Teils der Materie und Antimaterie zu Energie übrig blieb, das Universum mit der größten Materie wurde, das wir heute sehen. Eine andere Theorie besagt, dass es auf der anderen Seite des Universums viel Antimaterie gibt, die weit jenseits unserer Sichtweise verborgen ist. Sie könnten auch ihre eigenen Galaxien und Sonnensysteme gebildet haben.

Verwendet

Weil Antimaterie so viel Energie erzeugen kann, kann sie für viele Dinge verwendet werden, wie zum Beispiel als Treibstoff für den Flug ins Weltall oder in unseren Autos. Das Problem ist, dass die Herstellung von Antimaterie sehr teuer ist und ihre Lagerung fast ebenso teuer ist, da sie normale Materie nicht berühren kann. Es kostet mehrere hundert Millionen Dollar, um weniger als ein Millionstel Gramm Antimaterie herzustellen. Tatsächlich ist es die teuerste und seltenste Substanz der Erde. Da sie so teuer ist, bedeutet dies, dass Antimaterie weder als Waffe noch als Energiequelle praktisch einsetzbar ist, weil so wenig davon erhältlich ist.

In jüngster Zeit haben Wissenschaftler jedoch Antimaterie für über 16 Minuten (insgesamt 1000 Sek.) eingeschlossen.

In der Medizin hat es einen Nutzen, weil eine spezielle Art von Scanner, der PET, der für Positronen-Emissions-Tomographie steht, Positronen verwendet, um in den menschlichen Körper zu gelangen. Ärzte können sich ansehen, wie sich das Positron im Körper eines Menschen in Energie umwandelt, und so feststellen, ob im Körper eines Menschen etwas nicht in Ordnung ist. Diese Art von Gerät funktioniert anders als ein Röntgengerät oder ein Magnetresonanztomograph (MRT) und kann Ärzten helfen, Dinge zu sehen, die diese anderen Geräte nicht sehen können.