Antimaterie

Antimaterie ist nicht geheimnisvoll. In der Tat, es war etwas Geheimnisvolles, aber nur für 4 oder 5 Jahre.
Nachdem Einstein seine Relativitätstheorie (Die Relativitätstheorie umfasst in der Regel zwei miteinander verknüpfte Theorien von Albert Einstein : Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie ) und Quantenphysiker die Quantenmechanik etabliert hatten, wurden Versuche unternommen, diese beiden Theorien zu vereinen, eine im Bereich des Makrokosmos und die andere im Bereich des Mikrokosmos. Der erste Erfolg wurde von Paul Dirac erzielt.
Dirac ist ein englischer Physiker und ein unglaublich brillanter Mathematiker. Dirac schloss 1928 eine Theorie ab, die die Quantenphysik und die spezielle Relativitätstheorie (In der Physik ist die spezielle Relativitätstheorie die allgemein anerkannte und experimentell gut bestätigte physikalische Theorie über das Verhältnis von Raum und Zeit) miteinander verbindet und die bis heute ihre Gültigkeit behält (trotz vieler Entdeckungen, die danach kamen). Dirac bemerkte in seiner neuen Theorie, dass es Lösungen gibt, die physikalisch auf den ersten Blick keinen Sinn machen.
Um dies zu verdeutlichen, lassen Sie uns einen Vergleich mit einer sehr einfachen Aufgabe anstellen: Ein quadratisches Geländer hat eine Fläche von 4 km^2, wie lang ist die Seitenlänge? 2km, sagt der Schüler. Nun, der peinliche Mathematiker würde

sagen, plus minus zwei Meilen. Aber offensichtlich gibt es keinen Sinn für die -2km, also ist die +2km die Lösung.
Das war ähnlich wie bei Dirac. Nun war Dirac einer jener Menschen, die der Mathematik sehr vertraut haben. Wenn die Mathematik eine solche Lösung bietet, dann muss sie auch eine Bedeutung in der Natur haben, sagte er zu sich selbst. Und so sah er, dass diese Lösung als eine Art Antimaterie angesehen werden kann.
Diese Antimaterie hat fast alles gemeinsam mit der Materie, der Masse, der Energie, dem Verhalten, der Ladungsmenge, aber nicht den Ladungszeichen. Ein Stück Antimaterie, das ungefähr einem Elektron entspricht, hätte keine negative Elementarladung, sondern eine positive Elementarladung.
Bis 1928 hatte niemand Antimaterie gesehen, so viele Physiker waren sehr skeptisch gegenüber Dirac’s Spekulationen. Schließlich sind Physiker keine Mathematiker und für sie gibt es genau das, was man in der Natur nachweisen kann.
So 4 Jahre vergangen und am 2. August 1932 ein Amerikaner namens Carl Anderson (Carl David Anderson war ein amerikanischer Physiker) machte eine Entdeckung auf dem Observatorium von Mount Wilson (The Mount Wilson Observatory ist ein astronomisches Observatorium in Los Angeles County, Kalifornien , Vereinigte Staaten), die sagt, dass Dirac die Spekulation richtig ist.
Was hat dieser Anderson getan? Dieser Typ Anderson (Guy Anderson war ein amerikanischer Maler) hat die kosmischen Strahlen studiert. Damals gab es noch keine Teilchenbeschleuniger, und die Physiker wussten noch nicht, wie man wirklich hochenergetische Teilchen erzeugt. Aber schon damals wussten sie von der kosmischen Strahlung, die noch früher von Höhenballonen mit entsprechenden Geräten an Bord entdeckt wurde. Nun sagten die Physiker , wenn wir noch nicht wissen, wie man Teilchenbeschleuniger baut, können wir der Natur dienen. Man nimmt also die Teilchen, die von der kosmischen Strahlung kommen, zur Untersuchung mit.
Da man nie genau weiß, wann ein Partikel ankommt und das Warten darauf zu langweilig ist, überlässt der Faulpelz das Warten einer Kamera. In Anderson wurde eine Nebelkammer (Die Nebelkammer, auch Wilson-Kammer genannt, ist ein Teilchendetektor zur Detektion ionisierender Strahlung) verwendet, die von Bleiplatten geschnitten wurde, und daneben eine Camara. Ein Magnetfeld wird parallel zur Kamera geschaltet. Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen durch dieses Magnetfeld fliegt (Ein Magnetfeld ist die magnetische Wirkung von elektrischen Strömen und magnetischen Materialien), macht seine Bahn eine Krümmung. Diese Krümmung hängt von zwei Variablen ab: der Masse des Teilchens (genauer gesagt, dem Masse-Ladungs-Verhältnis, aber da die kosmische Strahlung nur Teilchen mit einer Elementarladung enthält (Die Elementarladung, die normalerweise als oder manchmal bezeichnet wird, ist die elektrische Ladung, die von einem einzelnen Proton getragen wird, oder gleichwertig die Größe der elektrischen Ladung, die von einem einzelnen Elektron getragen wird, das Ladung hat), gibt dies indirekt einen Hinweis auf die Masse) und die Geschwindigkeit des Teilchens. Die Richtung, in die die Bahn gekrümmt ist, hängt vom Vorzeichen der Last ab (aber das muss man schon in der Schule gehabt haben, wegen der rechten Regel (in Mathematik und Physik ist die rechte Regel eine gängige Gedächtnisstütze, um Orientierungskonventionen für Vektoren in drei Dimensionen zu verstehen) und so weiter).
An diesem Tag im August registrierte Anderson’s Kamera eine Spur, die außerordentlich seltsam ist. Aus der Krümmungsrichtung konnte man erkennen, dass es sich um eine positive Ladung handelt. Da damals, abgesehen von Elektronen, nur Protonen bekannt waren, würde man daraus schließen, dass es sich um ein Proton handeln muss. Die Schiene durchdringt jedoch eine Bleiplatte. Dies muss bedeuten, dass das Teilchen eine sehr hohe Geschwindigkeit gehabt haben muss. Wäre dies ein Proton (Ein Proton ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, mit einer positiven elektrischen Ladung von +1e Elementarladung und einer etwas geringeren Masse als die eines Neutrons) und wenn seine Geschwindigkeit so hoch wäre, hätte es einen viel größeren Krümmungsradius als das auf der Platte. Deshalb: Das Teilchen, das diese Spur verursacht hat, hat eine viel kleinere Masse.
Das ist etwas sehr Seltsames, dachte Anderson und beschloss, die Materie genauer zu untersuchen, damit er die Geschwindigkeit des Teilchens aus der Bahn vor und nach der Bleiplatte und damit die Masse bestimmen konnte, und siehe da, die Masse ist genau so groß wie die des Elektrons. Anderson hat also ein positives Elektron entdeckt, ein Positron. Dies war das erste Antimaterieteilchen, das jemals in der Geschichte der Menschheit dokumentiert wurde.
Heute sind schon so viele Positronen bekannt, dass die Fotoplatte der kosmischen Strahlung mit einer Positronenspur weggeworfen worden wäre, weil sie völlig uninteressant ist.
Nun, wie entstehen Positronen in der kosmischen Strahlung (Kosmische Strahlung ist hochenergetische Strahlung, die hauptsächlich außerhalb des Sonnensystems entsteht) (und damit die Frage, wie man das macht), schließlich besteht unsere Welt aus Materie. Die Höhenstrahlung besteht aus Teilchen mit sehr hoher Geschwindigkeit (z.B. Elektronen oder Protonen, die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegen) oder sehr energiereichen Photonen (d.h. Gammastrahlung (Gamma-Strahlung, bezeichnet durch den griechischen Kleinbuchstaben gamma, durchdringt elektromagnetische Strahlung einer Art, die durch den radioaktiven Zerfall von Atomkernen entsteht)). Wenn diese Teilchen auf ein irdisches Teilchen in der Atmosphäre treffen, zerbricht es buchstäblich das irdische Teilchen. Zunächst wird daraus eine riesige Trompete, die sich immer noch mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegt. Dabei können die Paare von Teilchen und Antiteilchen ein hochenergetisches Photon bilden (Ein Photon ist ein Elementarteilchen, das Quantum des elektromagnetischen Feldes einschließlich elektromagnetischer Strahlung wie Licht, und der Kraftträger für die elektromagnetische Kraft), zum Beispiel, kann in ein Positron und ein Elektron zerfallen. Dies ist das umgekehrte Ereignis, wie wenn ein Positron (Das Positron oder Antielektron ist das Antiteilchen oder das Antimaterie-Gegenstück des Elektrons) auf ein Elektron trifft (Das Elektron ist ein subatomares Teilchen, Symbol oder, mit einer negativen elementaren elektrischen Ladung), dann gibt es einen Lichtblitz. Heute produzieren Physiker auch Antimaterie in Teilchenbeschleunigern: Elektronen oder Protonen zum Beispiel werden so stark beschleunigt, dass sie fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegen (Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine universelle physikalische Konstante, die in vielen Bereichen der Physik von Bedeutung ist) und auf Atomkerne zerbrechen (Der Atomkern ist der kleine), dichte Region aus Protonen und Neutronen im Zentrum eines Atoms, entdeckt 1911 von Ernest Rutherford auf der Grundlage des Geiger-Marsden-Goldfolien-Experiments von 1909), die auch zur Bildung von Antimaterie führen kann.
Für die Hochenergiephysiker ist dies an sich schon zur Routine geworden. Wenn zum Beispiel die Ringe bei DESY (Das Deutsche Elektronen-Synchrotron, kurz DESY, ist ein nationales Forschungszentrum in Deutschland , das Teilchenbeschleuniger zur Untersuchung der Struktur der Materie betreibt) oder CERN laufen, werden täglich Milliarden von Positronen produziert.
Diese erzeugten Partikel fliegen aber auch mit sehr hoher Geschwindigkeit. Sie zu fangen und zu verlangsamen ist heute eine wahre Kunst, die auch eine lange und wunderbare Entwicklungsgeschichte hat und mehrere Nobelpreise hervorgebracht hat. Vor etwa 5 Jahren waren die Menschen bereit, Antiprotonen so stark abzukühlen, dass sie von der Ostküste des amerikanischen Kontinents zur Westküste in einem thermoflaschenförmigen Container in einem PKW transportiert werden konnten (ich möchte wissen, welche Art von Gefahrguttransportbrett das Fahrzeug transportiert hatte).
Antiprotonen oder Positronen sind “leicht” zu behandeln, weil sie elektrisch geladen sind. Elektrisch geladene Teilchen (elektrische Ladung ist die physikalische Eigenschaft der Materie, die sie in einem elektromagnetischen Feld eine Kraft erfahren lässt) können immer mit elektrischen oder magnetischen Kräften abgelenkt werden, während dies bei neutralen Teilchen viel schwieriger ist, zumal es nicht möglich ist, die Antiteilchen zu berühren, da sie sonst wie oben beschrieben in einem Lichtblitz leuchten. Dies ist auch der Grund, warum die Antiprotonen (das Antiproton, ist das Antiteilchen des Protons) transportiert werden konnten und die Antiwasserstoff-Atome (Antiwasserstoff ist das Antimaterie-Pendant von Wasserstoff) innerhalb kürzester Zeit verschwunden sind.
Zum Abschluss dieser Mail, die schon lange andauert (und immer noch nicht ausführlich genug ist), werde ich drei weitere Literaturempfehlungen zur weiteren Lektüre aufhängen (alle drei aus der Zeitschrift “Spektrum der Wissenschaft”):
Einschluss von neutralen Teilchen mit Laserstrahlen (*) von Steven Chu (Steven Chu ist ein amerikanischer Physiker) 1992 / 4 S.68 – 75 Elektrisch neutrale Teilchen wie Atome oder Makromoleküle können nahezu vollständig zur Ruhe gebracht und selektiv durch Laserlicht beeinflusst werden. Dies eröffnet neue Anwendungen in der Physik und Biochemie (Biochemie, manchmal auch biologische Chemie genannt, ist die Erforschung von chemischen Prozessen innerhalb und in Bezug auf lebende Organismen). Beispielsweise können Gase auf nahezu absoluten Nullpunkt abgekühlt werden (Absoluter Nullpunkt ist die untere Grenze der thermodynamischen Temperaturskala, ein Zustand, bei dem die Enthalpie und Entropie eines gekühlten idealen Gases ihren Minimalwert erreicht, genommen als 0), es können genauere Atomuhren entwickelt oder einzelne DNA-Moleküle gedehnt werden. Kühlung und Lagerung von Antiprotonen durch Gerald Gabrielse (Gerald Gabrielse ist ein amerikanischer Physiker und George Vasmer Leverett Professor für Physik an der Harvard University) 1993 / 2 S.44 – 51 Mit einer neuen Methode können die hochenergetischen Antiteilchen der in Beschleunigern erzeugten Protonen verlangsamt und verschlossen werden. Die Untersuchung dieser Teilchen geringster Energie liefert die bisher exakten Vergleiche der Eigenschaften von Materie und Antimaterie. Paul Dirac (Paul Adrien Maurice Dirac war ein englischer theoretischer Physiker, der fundamentale Beiträge zur frühen Entwicklung der Quantenmechanik und der Quantenelektrodynamik leistete) und der Beautiful in Physics von R. Corby Hovis & Helga Kragh 1993 / 7 S.84 90 Er widmete sein Leben der Suche nach mathematischer Eleganz (Mathematische Schönheit beschreibt die Vorstellung, dass einige Mathematiker können ästhetische Freude an ihrer Arbeit, und von der Mathematik im Allgemeinen) in den Gesetzen der Natur. Von dieser Idee besessen, kamen ihm bahnbrechende Erkenntnisse der Quantentheorie – wie die Vorhersage von Antimaterie (In der Teilchenphysik ist Antimaterie ein Material, das sich aus den Antiteilchen “Partnern” zu den entsprechenden Teilchen der gewöhnlichen Materie zusammensetzt) – zu Gute. Außerdem ist das schöne Einführungsbuch zur Quantenmechanik (Quantenmechanik, einschließlich der Quantenfeldtheorie, ein Zweig der Physik, der die grundlegende Theorie der Natur in kleinen Maßstäben und niedrigen Energien von Atomen und subatomaren Teilchen ist) vom Spektrum-Verlag: Das Quantenuniversum.