In meiner Serie „Fragen zur Astronomie“ ist heute eine besonders beliebte Frage an der Reihe: Was ist Antimaterie?. „Antimaterie“ gilt als besonders mysteriös; als besonders gefährlich und generell irgendwie unheimlich. Vielleicht erinnert sich ja jemand noch an die Verfilmung von „Illuminati“ in der Antimaterie als „äußerst brennbare Substanz“ bezeichnet worden ist. Das ist natürlich Unsinn. Antimaterie ist nicht mysteriöser oder „böser“ als normale Materie. Eigentlich ist Antimaterie ja auch nichts anderes als normale Materie. Nur halt ein bisschen anders…
Die stofflichen Dinge dieser Welt bestehen aus Materie. Die wiederum besteht aus gewissen fundamentalen Elementarteilchen (ich habe das hier ausführlich erklärt). Normalerweise sind es Elektronen und Quarks; aus ihnen sind die Atome aufgebaut die all die chemischen Elemente bilden, aus denen die Dinge gemacht sind, die uns umgeben. Elementarteilchen haben verschiedene Eigenschaften, zum Beispiel eine charakteristische Masse. Sie haben aber auch eine elektrische Ladung und können positiv, negativ oder gar nicht geladen sein.
Als „Antimaterie“ bezeichnet man nun einfach die Teilchen, die ansonsten völlig identisch zu den normalen Teilchen unserer Materie sind aber eine entgegengesetzte elektrische Ladung haben (genaugenommen müssen auch noch magnetisches Moment und ein paar der Quantenzahlen entgegengesetzt sein). Ein Positron beispielsweise ist in so gut wie jeder Hinsicht absolut identisch zu einem Elektron. Nur ist das Elektron negativ geladen während das Positron positiv geladen ist. Das Positron ist also das Antiteilchen des Elektrons, aber deswegen nicht irgendwie grundlegend „gefährlich“ oder „mysteriös“. Positronen kommen auch nicht aus irgendwelchen geheimnisvollen fremden „Dimensionen“: Man findet sie bei jeder Menge natürlicher Prozesse. So werden zum Beispiel beim Zerfall radioaktiver Teilchen auch Positronen freigesetzt und diesen Effekt macht man sich unter anderem in der Medizin zu nutze. Bei jeder PET-Untersuchung wird der Patient im wesentlichen mit Antimaterie bestrahlt und das „PET“ steht für „Positronen-Emissions-Tomographie“.
Einen großen Unterschied gibt es zwischen Materie und Antimaterie aber doch noch: Unsere Welt ist voll von Materie; von der Antimaterie allerdings ist kaum etwas zu sehen. Nirgendwo – zumindest dem aktuellen Stand des Wissens nach – gibt es größere, natürlich vorkommende Mengen an Antimaterie. Dabei können sich aus den Antiteilchen genau so Antiatome und daraus Antimoleküle bilden wie es bei den normalen Teilchen passiert. Sie sind ja, bis auf die Ladung, absolut identisch. Theoretisch spricht nichts dagegen, eine ganze Welt aus Antimaterie aufzubauen. Unserem aktuellen Wissensstand nach gibt es derzeit keinen Grund anzunehmen, dass sich die Antielemente anders verhalten würden als die normalen chemischen Elemente (und bis jetzt zeigen die Experimente auch keine solchen Unterschiede). Aber abgesehen von ein paar Versuchen in Teilchenbeschleunigern in denen ein paar wenige Antiatome künstlich erzeugt werden konnten, findet sich überall nur Materie.
Das liegt unter anderem daran, dass Materie und Antimaterie auf bestimmte Weise miteinander wechselwirken können. Treffen sich Teilchen und Antiteilchen und sind sie im richtigen Quantenzustand, dann kann es zur Annihilation kommen. Das heißt, dass Teilchen und Antiteilchen zusammen Photonen bilden; sich also – vereinfacht gesagt – gegenseitig vernichten und in Energie umwandeln. Andersrum ist es genau so: Wenn man Materie aus Energie erzeugt, dann entstehen dabei nie nur Materie oder nur Antimaterie-Teilchen sondern immer Paare aus Teilchen und Antiteilchen.
Und eigentlich muss das auch bei der ursprünglichen Entstehung der Materie selbst so gewesen sein. Als aus der Energie des Urknalls die Materie entstand, sollte das eigentlich zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie gewesen sein. Beide Teilchengruppen hätten sich dann im Laufe der Zeit gegenseitig vernichtet und am Ende sollte nur reine Energie übrig geblieben sein. Aber offensichtlich war das nicht so, denn heute ist das Universum voll mit Materie und nur die Antimaterie ist verschwunden.
Warum das so ist, gehört zu den großen ungelöste Fragen der Physik. Vielleicht wurde beim Urknall eben doch nicht gleich viel Materie und Antimaterie erzeugt sondern ein bisschen mehr Materie, die dann am Ende übrig blieb. Aber ob das wirklich so war und was der Grund für diese anfängliche Asymmetrie ist, werden wir wohl erst dann herausfinden, wenn wir neue Wege gefunden haben, den Ursprung des Universums zu beschreiben…
Mehr Antworten findet ihr auf der Übersichtsseite zu den Fragen, wo ihr selbst auch Fragen stellen könnt.
Da fragt man sich doch glatt, wie voll das Universum heute wäre, wenn sich Materie und Antimaterie nicht gegenseitig annihilieren würden. Gibt es eine realistische Methode, das zumindest abzuschätzen?
Ich glaube mich zu erinnern, das sog. Tritium-Leuchten mit Antimaterie funktionieren. Es findet darin eine Beta-Zerfall statt, bei dem unter anderem Positronen frei werden, die mit (zufällig herumfliegenden) Elektronen fusionieren & Photonen erzeugen. Diese wiederum bumsen gegen die Innenwand der Leuchte, was zu den gewünschten Lichteffekten führt. Vgl. auch https://de.wikipedia.org/wiki/Tritiumgaslichtquelle
Auf Coursera läuft momentan ein interessanter Kurs namens „From the Big Bang to Dark Energy“ von Hitoshi Murayama, der auch dieses Thema behandelt.
https://www.coursera.org/course/bigbang
@Florian
Na ja, in den Mengen, in denen Antimaterie zur Zeit in Beschleunigern erzeugt werden kann, ist sie harmlos, aber hätte man eine makroskopische Menge davon, dann wäre sie das gefährlichste Zeug, das man sich überhaupt vorstellen kann. 1 Gramm davon hätten die Sprengkraft der Hiroshima-Bombe, wenn es nur mit einer entsprechenden Menge normaler Materie in Kontakt käme. Man müsste es im Vakuum in der Schwebe halten, was bei neutralen Atomen kaum möglich wäre (Anti-Eisen könnte man mit Magneten schweben lassen, Anti-Wasserstoff ist paramagnetisch und würde auf starke Magnetfelder reagieren, während ein Plasma aus geladenen Teilchen zwar leicht in elektrischen Feldern zu halten wären, aber viel mehr Raum als ein Festkörper einnähmen). Dagegen ist das Hantieren mit radioaktivem Material ein Kinderspiel. Bisher sind die Erfolge beim Lagern von Antimaterie bescheiden. Ich kann und möchte mir gar nicht vorstellen, dass die Menschheit irgendwann mit größeren Mengen Antimaterie hantiert.
@Alderamin: „aber hätte man eine makroskopische Menge davon, dann wäre sie das gefährlichste Zeug, das man sich überhaupt vorstellen kann.“
Ja – aber das macht die Antimaterie nicht „mysteriös“. Es wird ja – vor allem in schlechter Sci-Fi – immer so getan, als wäre das irgendein geheimnisvolles Wunderdingens. Dass Antimaterie gefährlich sein kann, bestreite ich ja nicht. Das gilt aber auch für Materie…
@Bullet: Ich denke, das Universum ist so groß, dass es da keinen großen Unterschied machen würde.
Hallo Florian,
woher weiss man eigentlich, dass entfernte Galaxien nicht aus Antimaterie entstehen?
Gibt es da einen Messbraren unterschied in den Spektren oder so, dass man das von der Erde aus feststellen kann?
Oder sagt man das weil es halt sehr unwahscheinlich ist (vielleicht unmöglich), dass sich bei der Entsttehung bzw. Ausdehnung des Universums die Materie und Antimaterie schön seperat in „Haufen“ / Galaxien geteilt hat statt einfach zu zerstrahlen, da sie ja vermutlich gut durchmischt war?
@Mike: Dazu habe ich hier was geschrieben: https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2013/10/29/gibt-es-anti-sterne-und-wie-kann-man-sie-finden/
@all – sorry, aber das muss jetzt sein 🙂
die Aufbewahrung ist doch gar kein Problem – das hat doch schon Dan Brown gezeigt. Das kann man sogar mit einem Hubschrauber über dem Vatikan zünden und es passiert nicht viel…. und was im Film gezeigt wird, das stimmt doch 🙂
Na ja, ich finde die CP-Verletzung schon reichlich „mysteriös“ – in dem Sinne, dass zwar eine gute Beschreibung des Prozesses vorliegt, aber das Warum schlicht nicht beantwortet ist (oder bin ich da nicht auf dem aktuellen Stand?).
„Wir“ sind ja gerade dabei die grossen ungelösten Fragen der Physik zu lösen. So verstehe ich den Blog mit seinen Kommentarbeiträgen.
Die „Wmap“ zeigt einen neuen Fahrplan, um an dieses Ziel zu gelangen. 5% Materie, 23% Dunkle Materie, 72% Dunkle Energie lassen unser Wissen über das Universum in einem „neuen Licht“ erscheinen.
Materie und Antimaterie wechselwirken mit Dunkler Materie und berufend auf mathematische und physikalische Konstanten im Universum, wechselwirken 5% + 23% von Materie mit 72% Dunkler Energie.
Materie- & Antimaterieteilchen vernichten sich nicht gegenseitig, sie nehmen nach einer gemeinsamen Wechselwirkung eine andere Form von Energie an und sind immer noch vorhanden, nur in einem anderen Bewegungsraum. Der Begriff „reine Energie“ ist in diesem Fall irre führend. Denn selbst „Brane“ sind noch keine reine Energie.
„Was ist Energie eigentlich? Was will sie eigentlich bezwecken?“
Ernst gemeinte Frage: gibt es auch Dunkle Antimaterie? Danke:)
@Mr. Mir: Hängt davon ab, aus was die dunkle Materie besteht. Im Prinzip hat jedes Teilchen sein Antiteilchen und das gilt auch für potentiell noch unentdeckte Teilchen der dunklen Materie (aber es gibt natürlich auch neutrale Teilchen, die ihr eigenes Antiteilchen sind).
Dunkle Materie haben wir entdeckt, ein Teilchen der Dunklen Materie werden wir nicht messen können. Der Begriff „Teilchen“ ist durch den Bewegungsraum von Materie (5%) definiert.
Es ist schwer unsere Begriffe aus der Erfahrung mit Materie (5%) mit anderen (neuen) Bewegungsräumen (23% & 72%) zu verbinden, um den Gesamtprozess von Wandlung von Formen von Energie zu beschreiben. Dies kann nur die Mathematik liefern.
Auch ernst gemeint: Auch virtuelle Teilchen besitzen für mich ihr zugeordnetes Antiteilchen: ein virtuelles Antiteilchen. Beide besitzen einen gemeinsamen Bewegungsraum, in dem Informationen ausgetauscht werden: dies erfolgt durch Quantenverschränkung . . . ..
Was soll denn ein „Bewegungsraum“ sein. Und natürlich kann man die Teilchen entdecken aus denen dunkle Materie besteht ( wenn sie aus noch unbekannten Teilchen bestehen sollte). Für sowas gibt es Beschleuniger.
@ A_Steroid
Das ist so nicht ganz korrekt. Erst wenn es auch bei YouTube zu sehen ist, ist das der unumstößliche Beweis. 😛
@FF nur der Lesbarkeit wegen:
vorletzter Absatz: „sollte das eigentlich zu gleichen Teilchen Materie und Antimaterie gewesen sein.“
Ich denke „zu gleichen Teilen“ ist gemeint.
lg
@Bullet
Intressante Frage.
Angenommen, du „schaltest die Annihilation ab“. Dann erzeugst du Materie und Antimaterie immer noch in gleichen Teilen, denn das läuft über EM und starke WW, die CP erhaltend sind. Aber die meisten erzeugten Teilchen sind instabil und zerfallen zu den stabilen Teilchen. Das machen die etwas unterschiedlich, weil CP unter schwacher Wechselwirkung verletzt ist, aber der Effekt ist klein und am Ende kommst du bei einer 50:50 Mischung aus Materie und Antimaterie an.
Bis hier hin wird das Universum sich vermutlich ähnlich entwickeln. Die Hintergrundstrahlung sollte schwächer sein, weil die Photonen nicht durch Annihilation erzeugt werden.
Dann kühlt es aber so weit ab, das sich so was wie Atome bilden kann und nicht sofort wieder zerlegt wird.
Ab da wird es extrem komisch, weil du ein Gemisch aus schweren Protonen und Antiprotonen hast, die zusammen mit Elektronen und Positronen sowie Neutronen und Antineutronen vorkommen.
Was das für Folgen hat ist vermutlich extrem merkwürdig. Du kannst in Atomen Protonen, Neutronen, Antineutronen und Antiprotonen gleichzeitig haben. Das erlaubt sehr schwere und elektrisch neutrale Atomkerne, weil du gleichzeitig alle 4 Teilchen in vergleichbaren Mengen da reinpacken kannst. Vorallem wirken die Neutronen und Antineutronen als „Kitt“ und du könntest außerdem Ladungen der Protonen mit denen der Antiprotonen abschirmen. Positronium währe etwas ganz normales. Oder du könntest in der Atomhülle Elektronen mit Antiprotonen und Protonen mit Positronen ersetzen, die dann viel näher am Kern sind. Vieleicht sogar so nahe am Kern, das die starke WW die einfängt.
Ich vermute, Kernfusion würde dadurch auch viel leichter gehen, weil die Kerne positive und negative Ladung tragen können.
Aber keine Ahnung, wie sowas tatsächlich aussehen würde. Das würde aber ein ganz komisches Universum, das sich auf kleineren Skalen völlig anders verhalten könnte.
Das ist jetzt sehr viel raten und grobes schätzen, also weiß ich nicht ob die Vermutungen zutreffen würden. Aber auf jeden Fall eine intressante Frage.
@Florian Freistetter
> “ … wenn sie (DM) aus noch unbekannten Teilchen bestehen sollte …“
Sie werden DM niemals in einem Teilchenbeschleuniger messen können. Sie werden in einem Teilchenbeschleuniger nur „Bestandteile“ von Materie (5%-Wmap) bewegen können.
Alle Bewegungen von Materie (5%) (Bewegungsraum) grenzen sich von Bewegungen der DM (23%-Wmap) und Schwarzen Energie (72%-Wmap) ab. Eine Wechselwirkung zwischen diesen drei Bewegungsräumen von Energie muss eine Grenze überwinden.
@app-stein: Ich hab nicht die geringste Ahnung, wovon du redest… Vermutlich handelt es sich um deine Privattheorie? Darauf deuten jeweils erfundene Wörter wie „Bewegungsraum“ hin. Ich spar mir dann jedenfalls die weitere Diskussion.
Moin.
Was passiert eigentlich mit den Neutronen bei der Annihilation von Materie und Antimaterie? Bleiben sie über? Und falls ja, in welcher Form?
@hrdlak: „Was passiert eigentlich mit den Neutronen bei der Annihilation von Materie und Antimaterie? Bleiben sie über? Und falls ja, in welcher Form?“
Wie schon gesagt: Auch Neutronen annihilieren. Neutronen bestehen aus Quarks; Antineutronen bestehen aus Antiquarks.
@hrdlak:
Auch elektrisch (nach außen) neutrale Teilchen wie das Neutron oder auch das Neutrino haben Antiteilchen: https://de.wikipedia.org/wiki/Antineutron
@hrdlak
Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Annihilation#Proton-antiproton_annihilation. Da bleiben zuerst Mesonen (Teilchen aus zwei Quarks) übrig, die dann ggf. weiter zerfallen können. Früher galt mal (Standardmodell), dass die Baryonenzahl (aus Quarks bestehende Teilchen sind Baryonen) eine Erhaltungsgröße ist, aber das kann nicht stimmen, weil sonst nie Materie aus der Strahlung des Urknalls entstanden wäre.
@Bullet, @Florian, @JaJoHa:
Zumindest gilt in jedem Falle der Energieerhaltungssatz – die Gesamtmenge der Energie wäre wohl die Gleiche.
Daneben beginnt man gerade erst Anti-Atome (vor allem natürlich Antiwasserstoff – bei ALPHA am CERN zum Beispiel) zu untersuchen. Beispielsweise die Wirkung der Gravitation auf Antimaterie (https://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2787.html)
@Steffen:
Ja, den Coursera-Kurs kann ich sehr empfehlen. Generell auch viele populärwissenschaftliche Vorträge von Hitoshi Murayama. In dem Kurs ist vor allem viel wirklich beeindruckendes Bildmaterial und teilweise auch Animationen. Mir war z.B. nicht bewusst, dass man mit dem SK ein echte Neutrino-Bild der Sonne gemacht hat (https://apod.nasa.gov/apod/ap980605.html)
@Florian Freistetter
Ich kann deine Vermutung einer Privattheorie nicht bestätigen. Ich denke eher in die Richtung:
„Unter dem Titel “Zeit und Erfahrung” demonstriert Greene nun, dass auch die Zeit nicht wirklich dass zu sein scheint, wofür wir sie halten.“ Zitat aus
https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/05/18/die-wirklichkeit-als-eisblock-der-gefrorene-fluss-der-zeit/
Ich freue mich auf die Blogbeiträge aus deinem Schreibwettbewerb. Warum ich doch nicht teilnehme, habe ich in meiner trolligen Art im Kommentar #34 begründet.
Ich teile die Suche nach neuem Wissen gerne mit anderen und finde deinen und den Drachenblog von Martin B. einfach toll . . . ..
Dann solltest du allgemein übliche Begriffe benutzen. Der Begriff „Bewegungsraum“ ergibt wohl für die meisten von uns im Satz „Der Begriff ‚Teilchen‘ ist durch den Bewegungsraum von Materie (5%) definiert.“ keinen Sinn. Anstelle „Bewegungsraum“ muss hier ein anderes Wort stehen. Die Frage ist nur: welches?
Oder hast du eine andere Sprache als Deutsch zur Muttersprache? In dem Fall: Schreib in deiner Muttersprache. Die Übersetzung hat nämlich den Sinn des Satzes komplett entstellt. Welches Wort auch immer du im Original verwenden würdest, der Begriff „Bewegungsraum“ trifft es nicht einmal annähernd.
@App-Stein: „Ich kann deine Vermutung einer Privattheorie nicht bestätigen. „
Sieht allerdings exakt so aus: https://www.organical-matters.org/de/Quanten-Fluss-Theorie/Gravitation-Higgs-Feld-Dichte_de.php
@Florian Freistetter
> „Sieht allerdings exakt so aus:“ ??? Der Link ist interessant zu lesen, nur ich bin nicht aus Hamburg: ich bin der hier – https://www.facebook.com/erik.ihle . . . ..
Ich bin kein Kritiker oder Verneiner der SRT oder ART . . . ..
Ich sehe eine Vereinheitlichungstheorie in der Eulerschen Identität . . . .. das ist natürliche „meine“, „eigene“ Theorie.
Eine Vereinheitlichung wird natürlich von einer Person oder Gruppe erarbeitet werden, welche dann einer öffentlichen Diskussion stand halten muss.
Also, ich kann deine Vermutung nicht bestätigen . . . ..
PS: Zum „Bewegungsraum“ schreibe ich gleich noch was . . . ..
@app-stein: „Zum “Bewegungsraum” schreibe ich gleich noch was . . . .“
Muss nicht sein. Das ist hier offtopic. Und wenns trotzdem sein muss, dann hier: https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/08/10/verschwoerungsgeplauder-xii-zelebration-der-staatsmacht/
Hmmm …. ob er „Phasenraum“ meint? Das würde zumindest einigen der Sätze oben ein bischen Sinn verleihen …
Dem hier:
„Ich sehe eine Vereinheitlichungstheorie in der Eulerschen Identität . . „
… allerdings nicht.
Die Eulersche Identität resultiert aus der Darstellung der komplexen Zahlen auf dem Einheitskreis.
Sie hat eine gewisse Schönheit – aber nix mit Physik zu tun.
@PDP10
Du meinst $latex e^{ix}=cos(x)+i*sin(x)$? Ich sag nur zwei Worte: Harmonischer Oszillator.
@JaJoHa:
Das ist die Eulersche Formel und ich könnte mir vorstellen, dass du recht hast mit dem worauf er vermutlich hinaus will …
Allerdings spricht Appi da oben von der Eulerschen Identität. Die ergibt sich daraus für phi = pi als das allseits beliebte e**(i*pi) +1= 0 .
Das ist schon schön, weil da gleich 3 mathematische Konstanten drin vorkommen (eigentlich sogar fünf, wen man die Identität und das Nullelement mit dazu zählt) …. was das mit Physik zu tun hat erschliesst sich mir allerdings nicht 🙂
Die Antimaterie existiert sehr wohl!
FF: „Unsere Welt ist voll von Materie; von Antimaterie ist kaum etwas zu sehen.“
Tatsächlich existiert im Universum ebenso viel Materie wie Antimaterie.
FF: „Als aus der Energie des Urknalls die Materie entstand, sollte das zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie gewesen sein. Beide Teilchengruppen hätten sich im Laufe der Zeit gegenseitig vernichtet und am Ende sollte nur reine Energie übrig geblieben sein.“
Richtig ist, dass mit dem Urknall aus Strahlungsenergie gleich viel Materie und Antimaterie entstanden ist. Bedingt richtig ist, dass sich sämtliche Materie und Antimaterie wieder auslöschen hätten sollen.
FF: „Vielleicht wurde beim Urknall doch nicht gleich viel Materie und Antimaterie erzeugt, sondern ein bisschen mehr Materie.“
Die Theorie, dass alle 1 Milliarden Mal ein Materieteilchen mehr entstanden ist als Antimaterieteilchen, ist falsch.
Nach dem Urknall passierte Folgendes:
Aus Strahlungsenergie entstanden gleich viele Materie- und Antimaterieteilchen (e-, e+, …). Diese Teilchen hätten sich gegenseitig annihilieren können, was zum Teil geschah. Aber sie hatten sich auch zu größeren ‚Strukturen‘ vereinigt. Auf diesem Weg zu größeren ‚Strukturen‘ bildeten sich schließlich zahllose Protonen (und Neutronen), die den Großteil an Antimaterie in eigenständigen Verbindungen in sich trugen. Allerdings bildeten sich auch zahllose Antiprotonen (und Antineutronen), die ihrerseits den Großteil an subatomaren Materieteilchen in sich trugen. Deshalb löschten sich unzählige Protonen (und Neutronen*) mit ihren Antiteilchen aus. Weil sich jedoch mehr Protonen statt Antiprotonen entwickelt hatten, überstand der Überschuss an Protonen das Gemetzel. Heute werden die Protonen, Neutronen bzw. Atome als ‚Materiewelt‘ gesehen, obwohl die Antimaterie in untergeordneten Verbindungen in ihnen steckt. Hätten sich nach dem Urknall zufällig gleich viele Protonen und Antiprotonen gebildet, wäre wirklich alles wieder in Strahlungsenergie übergegangen.
*Freie Neutronen (bzw. freie Antineutronen) existieren nur rund 886 Sekunden, bevor sie in Protonen, … (bzw. Antiprotonen, …) zerfallen!
@jw: Das alles hast du schon anderswo geschrieben. Wenn du deine Privattheorie publizieren willst, dann mach das bitte in einer Fachzeitschrift und nicht überall in meinem Blog. Danke.
@jw
ach, ich hatte letzten Dienstag um 21:13h ein freigewordenes Antiproton bei mir zu Besuch für 912 Sekunden. Wir sind nicht warm miteinander geworden. Sie ging dann einfach wieder. Ob sie dabei zerfiel, weiss ich nicht.
Ich glaube, das widerlegt deine Theorie!
(sorry, bin hier gerade nochmal reingestolpert, weil mich jmd. was wg. Antimaterie frug.)
;)lg