Alles, was Sie über Antimaterie wissen müssen, das empfindliche Alter Ego der normalen Materie

Wenn Sie ein Fan von Star Trek oder einem anderen Science-Fiction-Universum sind, haben Sie mit ziemlicher Sicherheit von Antimaterie gehört, dem unglaublich flüchtigen und energiegeladenen Gegenteil von normaler Materie, das für seine Fähigkeit bekannt ist, Warpmotoren anzutreiben oder Raumschiffe in die Luft zu jagenein einzelner gut platzierter Torpedo. Aber was ist Antimaterie wirklich?

Seien Sie versichert, es ist eine sehr reale Sache, auch wenn nicht viel davon herumliegt, was wahrscheinlich das Beste ist, alles in allem. Und weit davon entfernt, ausschließlich Science-Fiction zu sein, hat es wichtige wissenschaftliche Bedeutungund industrielle Anwendungen, die sich als ziemlich revolutionär erweisen könnten, wenn sie jemals wirtschaftlich skalieren könnten.

Das letzte Stück ist natürlich die eigentliche Herausforderung, aber es hat dazu beigetragen, neue Innovationen mit Antimaterie voranzutreiben, die dazu beitragen könnten, Antriebe schneller als man denkt.

Was ist Antimaterie?

In einfachen physikalischen Begriffen, Antimaterie ist das Spiegelbild gewöhnlicher Materie, aber mit der entgegengesetzten elektrischen Ladung. Also, während an Elektron ist ein negativ geladenes Teilchen mit einer quantifizierbaren Atommasse, ein Positron ist ein positiv geladenes Teilchen mit der gleichen Atommasse wie ein Elektron.

Beide Angelegenheit und Antimaterie kann sein definiert durch ihre Baryonen- oder Leptonenzahlen. Wo gewöhnliche Materie positive Baryonen- oder Leptonenzahlen hat, hat Antimaterie negative Baryonen- und Leptonenzahlen.

In der Physik ist bekannt oder angenommen, dass jedes Materieteilchen ein Antiteilchenäquivalent, sogar Photonen. Die verschiedenen Quarks bilden die Materie, wie wir sie kennen, und haben daher komplementäre Antiquarks. Diese verbinden sich zu Positronen, Antiprotonen und Antineutronen, womit wir uns hauptsächlich beschäftigen, wenn wir gemeinhin von Antimaterie sprechen.

Es gibt auch mehr elementare Antiteilchen wie Antineutrinos, während einige Teilchen ihr eigenes Antiteilchen sind typischerweise elementare Bosonen wie Photonen oder das Hypothetische Graviton, die nicht miteinander interagieren, sondern einfach durcheinander gehen.

Bei neutralen zusammengesetzten Antiteilchen wie dem Antineutron sind die Nettoladung und -masse die gleichen wie bei ihrem Gegenstück aus gewöhnlicher Materie, aber dies sind immer noch zusammengesetzte Teilchen, die aus Antiquark-Ergänzungen zu den Quarks des gewöhnlichen Neutrons bestehen.

Anstelle eines Up-Quarks und zwei Down-Quarks wie bei einem gewöhnlichen Neutron werden Antineutronen stattdessen aus einem Up-Antiquark und zwei Down-Antiquarks bestehen, was ein wichtiger Unterschied zwischen diesen und so etwas wie einem Photon ist.

Da Antimaterie-Teilchen selbst im Wesentlichen identisch mit regulären Teilchen sind, wobei der Hauptunterschied in der Umkehrung ihrer Ladung besteht, interagieren Antiteilchen in sehr vertrauten Mustern miteinander.

Zwei up- und ein down-Antiquark können sich zu einem Antiproton mit negativer Ladung verbinden, genauso wie zwei up-Quarks und ein down-Quark ein reguläres Proton bilden. Von dort aus können Positronen, Antiprotonen und Antineutronen eingefangen werdenderselbe Elektromagnetismus, der Elektronen, Neutronen und Protonen paart, um Atome zu bilden, wodurch ein Antiatom entsteht.

Sowohl in Theorie als auch in der Praxis steht dem Ganzen nichts mehr im WegePeriodensystem von einer ganzen ergänzenden Tabelle voller Anti-Elemente wie Antiwasserstoff, Antihelium und Antisauerstoff. Dies sollte sich bis nach oben durch Anti-Eisen, Anti-Gold und sogar Anti-Uran erstrecken, die alle in der Lage sein sollten, Anti-Verbindungen zu bilden, wie Antiwater, Antiquarz und sogar Antiproteine.

Der theoretische Teil ist jedoch viel einfacher, da sich Antimaterie in der Praxis als unglaublich schwierig und kostspielig sowohl in der Herstellung als auch in der Eindämmung erweist. Bis heute wurde nur eine begrenzte Anzahl von Antiwasserstoffatomen erzeugt, und Forscher sind im Periodensystem der Anti-Elemente nur bis ganz nach oben gekommen als Antiheliumkern.

Was passiert, wenn Materie und Antimaterie in Kontakt kommen?

Wenn Sie etwas über Antimaterie wissen, dann wahrscheinlich, dass sie mit gewöhnlicher Materie wirklich nicht gut zusammenspielt.

Wann immer die meisten Teilchen und ihre Antiteilchen in Kontakt kommen, vernichten sie sich sofort in einem Ausbruch hochenergetischer Photonen Gammastrahlen, entsprechend der kombinierten Masse der beiden Teilchen mit Albert Einsteins Masse-Energie-Äquivalenzformel, E=mc².

Wenn Sie es mit schwereren Antiteilchen wie Protonen und Antiprotonen zu tun haben, kann die Kollision eine Mischung aus hochenergetischen Photonen, kleineren Teilchen-Antiteilchen-Paaren und Neutrino-Antineutrino-Paaren erzeugen, während kleinere elementare Teilchen-Antiteilchen-Paare wie Elektronen und Positronen vernichtenzu hochenergetischen Photonen.

Die bei diesem Vernichtungsprozess freigesetzte Energie ist ziemlich bedeutend, relativ gesehen, und ist einer der Gründe, warum Materie-Antimaterie-Kollisionen in der Science-Fiction oft als mächtige Energiequellen für fortschrittliche Technologien verwendet werden.

Der Reiz einer solchen Technologie liegt auf der Hand, da die Kombination einer großen Masse gewöhnlichen Wasserstoffs und einer gleichen Masse Antiwasserstoff praktisch reine Energie mit fast keinem Abfall außer Neutrinos und kleineren vernichtenden Teilchen-Antiteilchen-Paaren erzeugen würde, die wiederumvernichten, um zusätzliche Energie zu erzeugen.

Eine solche Energiequelle wäre daher um Größenordnungen effizienter als viele andere theoretische Energiequellen, einschließlich der kontrollierten künstlichen Kernfusion obwohl Abfall in diesem Fall einfach verschiedene Mengen größerer Elemente wäre, die Sie auch miteinander verschmelzen könnten, bis Siebleibt Eisen als letztes Nebenprodukt.

Das Problem bei diesen Wechselwirkungen ist, dass sie unglaublich schwer zu kontrollieren sind. Das Universum besteht fast ausschließlich aus gewöhnlicher Materie. Wenn sich Antimaterie also nicht in den tiefsten Hohlräumen des intergalaktischen Raums bildet, wird sie sehr schnell irgendwo auf gewöhnliche Materie treffennach dem Weg.

Und da Antiteilchen gewöhnlichen Teilchen zahlenmäßig weit unterlegen sind, wird Antimaterie im Austausch immer das kurze Ende des Vernichtungsstabs bekommen. Bevor also irgendeine Art von Materie-Antimaterie-Wechselwirkungen für Energie oder andere Zwecke nutzbar gemacht werden kann, stellt sich die Frage des SchutzesAntimaterie durch vorzeitige Vernichtung müsste behandelt werden, und davon sind wir weit entfernt.

Wer hat Antimaterie entdeckt?

Die Idee einer "Antimaterie" oder negativen Materie gibt es seit über 100 Jahren. Die kartesische Wirbeltheorie der Gravitation und die spätere Idee, dass Äther "spritzt" und "sinkt" könnte eine Form von positiver und negativer Materie darstellen dass sich gegenseitig ausgleichen oder aufheben, waren einige frühe wenn auch fehlgeleitete Versuche, diese Idee auszudrücken.

Antimaterie, wie wir sie heute kennen, wurde 1928 offiziell vorgeschlagen durch die britischer theoretischer Physiker Paul Dirac als er vermutete, dass die Schrödinger-Gleichung, wenn sie auf Elektronen angewendet wird, die Existenz eines Elektron-Antiteilchens mit positiver Ladung impliziert.

Fast unmittelbar danach wurde 1929 von einem französischen Chemiker, Ingenieur und Erfinder die Idee eines aus Antielementen zusammengesetzten Periodensystems vorgebracht, Charles Janet, und ein paar Jahre später, 1933, wurde Diracs Elektron-Antiteilchen durch die Amerikanischer Physiker Carl Anderson, der es das Positron nannte, eine Leistung, die ihm ein Nobelpreis für Physik 1936.

Wofür wird Antimaterie verwendet?

Trotz ihrer Seltenheit und Flüchtigkeit hat sich Antimaterie unter den begrenzten Umständen, unter denen wir sie funktional nutzen konnten, tatsächlich als ziemlich nützlich erwiesen.

Eine der häufigsten Anwendungen für Antimaterie ist Positronen-Emissions-Tomographie PET, eine Form der Bildgebung, die von Ärzten verwendet wird, um bestimmte körperliche Prozesse wie den Blutfluss und die lokalisierte chemische Zusammensetzung im Gewebe zu messen.

Durch die Verwendung eines Radionuklids als Tracer, der sich durch den Körper bewegt, erzeugt der natürliche Zerfall des instabilen Nuklids natürliche Positronen, die im Körper vernichten und Gammastrahlen erzeugen, die der PET-Bildgebungsgerät kann erkennen und aufzeichnen. Diese Art der Radiobildgebung ist nützlich, um verschiedene Krebsarten und andere biologische Prozesse zu identifizieren, die ansonsten für ein Röntgenbild oder MRT funktionell unsichtbar wären.

Die andere bemerkenswerte Verwendung von Antimaterie – als Brennstoffquelle – ist im Moment viel spekulativer, aber wie bereits erwähnt, sind die Vorteile zu groß, um sie zu ignorieren.

Neben der nahezu vollständigen Umwandlung eines gespeicherten Brennstoffs in nutzbare kinetische Energie für die maximal mögliche physikalisch mögliche Effizienz ist die schiere Menge an Energie, die durch die Materie-Antimaterie-Vernichtung freigesetzt wird, wesentlich größer als selbst die optimistischsten Projektionen für eine kontrollierte künstliche Kernfusion.

nach a 1987 von der NASA erstelltes Papier, ein Kilogramm Materie in Kombination mit einem Kilogramm Antimaterie würde 180 Petajoule Energie oder etwa 43 Megatonnen TNT erzeugen, was etwas weniger ist als die Energie, die von der freigesetzt wird 27.000 Kilogramm Tsar Bomba thermonukleares Gerät 1961 von der Sowjetunion gezündet, die größte künstliche Explosion, die jemals in der Geschichte der Menschheit erzeugt wurde.

In Anbetracht der unglaublichen Ineffizienz selbst der besten chemischen Raketentreibstoffe von heute sind zwei Kilogramm Treibstoff für eine Reise ins All für eine Reise zum Mond viel handlicher als die fast 1 Million Gallonen flüssigen Sauerstoffs und Kerosintreibstoffs, die von der NASA verwendet werdenSaturn V-Rakete während jeder der Apollo-Mondmissionen in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren.

Nun, vielleicht ist handhabbar nicht das richtige Wort. Es besteht kein großes Risiko, dass sich flüssiger Sauerstoffbrennstoff spontan mit der gleichen Masse des Kraftstofftanks, der ihn enthält, vernichtet, aber das hat die NASA nicht davon abgehalten Untersuchung der Möglichkeit eines Antimaterie-Motors das könnte Menschen in weniger als einem Jahr zum Jupiter und zurück bringen.

Natürlich sind nicht alles freie Energie und Raumschiffe. Gammastrahlen sind unglaublich stark, und die richtige Umwandlung von Gammastrahlen in nutzbaren Schub ist ein erhebliches technisches Hindernis – ganz zu schweigen von der inhärenten Gefahr von Astronauten, die Gammastrahlen in den Weltraum reiten.

Gammastrahlen verspotten nahezu jede Art von Materialbarriere und können menschliches Gewebe in Nanosekunden tödlich verwüsten und jeden Astronauten töten, der mit einem solchen Motor ohne ernsthaften Strahlenschutz ins All fährt. Selbst wenn wir also das Problem der Antimaterie-Eindämmung lösen würden, würden wirsind noch weit davon entfernt, einen solchen Motor oder Reaktor tatsächlich sicher nutzen zu können.

Wo findet man Antimaterie?

Und jetzt kommen wir zu der vielleicht größten Hürde von allen: wo genau bekommt man brauchbare Antimaterie?

Antiteilchen sind natürlich ständig in Teilchenbeschleunigern produziert, aber die Menge an Antimaterie, die bei Partikelkollisionen herausgeschossen wird, ist ein winziger Bruchteil dessen, was wir brauchen würden, um sie effektiv zu nutzen. Mehr noch, wo Antiteilchen gehen während dieser Kollisionen völlig zufällig, also hätten wir keine Ahnung, wo wir einen Antimateriesammler aufstellen sollten, um die wenigen erzeugten Teilchen einzufangen.

Und angesichts der Kosten für den Betrieb eines Teilchenbeschleunigers und der sehr langen Warteliste von Forschern, die dafür Zeit gebucht haben, war die Herstellung von Antimaterie in Teilchenbeschleunigern damals im Jahr 2006, als die NASA einen möglichen Positronenantrieb untersuchte, nicht besonders wirtschaftlichSystem, und leider ist es in den fast zwei Jahrzehnten seitdem nicht viel billiger geworden.

„Eine grobe Schätzung zur Herstellung der 10 Milligramm Positronen, die für eine bemannte Marsmission benötigt werden, liegt bei etwa 250 Millionen Dollar unter Verwendung einer Technologie, die sich derzeit in der Entwicklung befindet“, Gerald Smith von Positronics Research LLC in Santa Fe, New Mexico, damals gesagt.

Chemieraketen sind heute wesentlich billiger als 2006, zum großen Teil dank SpaceX. 2006 kostete es etwa 10.000 US-Dollar für jedes Pfund Gewicht, das Sie in den Weltraum beförderten, oder etwa 4.535 US-Dollar pro Kilogramm. Jetzt, SpaceX verlangt etwa die Hälfte davon für seine Falcon 9-Rakete etwa 5.995 US-Dollar pro Pfund oder 2.720 US-Dollar pro Kilogramm, aber Sie sprechen immer noch von einer Rakete, die eine Dreiviertelmillion Pfund etwa 333.000 Kilogramm wiegt, wobei der größte Teil dieses Gewichts tatsächlich die istTreibstoff, der benötigt wird, um alles in die Umlaufbahn zu befördern.

Es könnte im Moment noch teurer sein, etwas Antimaterie für Treibstoff zusammenzukratzen, aber das wird wahrscheinlich nicht für immer so bleiben. " Basierend auf den Erfahrungen mit der Nukleartechnologie“, sagte Smith, „scheint es vernünftig zu erwarten, dass die Produktionskosten für Positronen mit mehr Forschung sinken werden.“

Andererseits müssen wir es vielleicht nicht wirklich selbst herstellen. Antimaterie wird auf natürliche Weise bei Kollisionen kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre produziert, obwohl sie in der Atmosphäre wahrscheinlich nicht länger als ein paar Nanosekunden dort bleibt, bevor sie vernichtet wirdbei Kollision mit Luftteilchen.

Es gibt jedoch eine andere mögliche Quelle: die Van-Allen-Strahlungsgürtel, ein Ring geladener Teilchen um die Erde, die durch das Erdmagnetfeld an Ort und Stelle gehalten werden. Der Satellit European Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics PAMELA fand 2011 einen erneuerbaren Vorrat an Antiprotonen im Van-Allen-Gürtel.

Zugegeben, es wurden nur 28 einzelne Antiprotonen nachgewiesen, aber in der Leere des Weltraums ist dies wesentlich mehr, als irgendjemand erwartet hatte, und der Van-Allen-Gürtel ist sehr groß. Und da Antiprotonen eine starke elektromagnetische Ladung tragen, wären sie leichter zu erreichenSammeln und lagern Sie mit magnetischer Eindämmung das ist wirklich die einzige Möglichkeit, Antimaterie zu lagern.

Es mag nicht viel sein, aber wenn 10 Milligramm Positronen ausreichen könnten, um Sie im Laufe einer dreijährigen Hin- und Rückreise zum Mars und zurück zu bringen, bräuchten Sie am Ende viel weniger tatsächliche Antiprotonen, da siesind viel schwerer als ein Positron, haben also viel mehr potenzielle Energie in ihrer Masse gespeichert.

Größte Geheimnisse der Antimaterie

Die Knappheit an Antimaterie im beobachtbaren Universum ist bis heute eines der größten ungelösten Probleme der Physik.

Während des Urknalls die immense Dichte und Energie des entstehenden Universums sollte gleich viel Materie und Antimaterie produzieren, die dann sofort vernichtet werden sollten, um ein Universum voller Energie zu erzeugen, aber egal.

Dies ist offensichtlich nicht geschehen, und es muss während des Urknalls ein Ungleichgewicht in der Menge von Materie zu Antimaterie gegeben haben, oder es muss eine ungleichmäßige Verteilung der beiden gegeben haben, um das Universum zu erzeugen, das wir sehen. Es scheint, dass dieDie Milchstraße besteht fast ausschließlich aus gewöhnlicher Materie, und viele der anderen Galaxien, die wir sehen können, sehen sehr ähnlich aus.

Gibt es da draußen Antimaterie-Galaxien, die vielleicht nicht als solche nachweisbar sind, so dass das Gleichgewicht, das wir zwischen den beiden hätten sehen sollen, tatsächlich existiert, aber wir können es einfach nicht sehen?

Das ist möglich, aber das löst nicht das Problem der ungleichmäßigen Verteilung von Materie zu Antimaterie. Als Materie und Antimaterie entstanden, als sich das Universum unmittelbar nach dem Urknall abkühlte, hätte es Antimaterie und Materie überall gleichmäßig produzieren müssen. Wenn Antimaterie im Universum lauert, unsichtbar, die die Waage in Bezug auf die Masse ausgleicht, warum ist dann alles ungleich verteilt?

Anomale Taschen könnten sich nach dem Urknall entwickelt haben, die eine Art von Materie der anderen vorgezogen haben, aber was könnte die Entstehung dieser Taschen verursacht haben?

Das läuft letztendlich auf eine Verletzung des Prinzips der CP-Symmetrie Ladungs- und Paritätssymmetrie, was besagt, dass die Gesetze der Physik gleich bleiben sollten, wenn man ein Teilchen mit seinem Antiteilchen vertauscht, während seine Position im Raum umgekehrt ist.

Das bedeutet eigentlich nur, dass es keinen Unterschied machen sollte, welche Teilchen beim Urknall wo waren, Physik ist Physik und es hätte eine gleichmäßige Verteilung einer gleichen Menge von beiden Arten von Materie geben müssen, die anschließend hätte vernichten sollenselbst ziemlich sofort.

Das Prinzip der CP-Symmetrie ist jedoch nicht so sicher, wie man früher glaubte. In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere CP-Verletzungen beobachtet.in verschiedenen Arten von zerfallenden Partikeln Stellen Sie fest, dass das CP-Symmetrie-Prinzip doch nicht so sakrosankt war, wie die Leute glaubten.

Wenn jakann passieren, es ist eine gute Wette, dass es passieren wird, besonders angesichts der Zeitskala und der schieren Menge an Masse und Energie, die unter den extremen Bedingungen des Urknalls wirkt. Sind diese winzigen Verletzungen genug, um ein Universum zu summieren, das absolut vom Gewöhnlichen dominiert wirdMaterie mit so wenig Antimaterie?

Es ist einfach nicht klar. Was auch immer der Ursprung dieser Baryogenese ist, wie diese einseitige Dominanz gewöhnlicher Materie bekannt ist, gibt ihre Geheimnisse nicht leichtfertig preis.

Vielleicht wird das James-Webb-Weltraumteleskop etwas im frühen Universum sehen, das uns kurz nach dem Urknall ein besseres Gefühl für die Dinge geben kann, aber es gibt keine Möglichkeit für uns, jemals weiter in die Vergangenheit zu blicken als etwa 370.000 Jahre nach dem UrknallKnall.

Erst in diesem Alter trat das Universum in die Epoche der Reionisierung, wo das Licht der ersten Sterne und Galaxien den dichten, undurchsichtigen Gasnebel reionisierte, der das Universum erfüllte und alles transparent machte. Davor existierte das Universum buchstäblich in einem dunklen Zeitalter, in das wir keine Hoffnung haben, jemals hineinzuschauen, und als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten, war der Kampf um die Vorherrschaft im Universum zwischen Materie und Antimaterie mit ziemlicher Sicherheit beigelegt, der sehr früh in dieser nebligen, undurchdringlichen Vergangenheit stattfand.

Antimaterie vs. dunkle Materie

Obwohl sie gleich klingen mögen, sind Antimaterie und Dunkle Materie zwei sehr unterschiedliche Dinge glauben wir.

Für den Anfang interagiert Antimaterie elektromagnetisch mit ihrer Umgebung. So können Positronen und Antiprotonen zusammenkommen, um Antiwasserstoff zu bilden; deshalb erzeugen vernichtende Teilchen-Antiteilchen-Paare elektromagnetische Energie in Form von Gammastrahlen, die wir nachweisen können, und deshalb gibt es sogarüberhaupt eine Unterscheidung zwischen Materie und Antimaterie. Ein Positron ist im Wesentlichen nur ein Elektron mit umgekehrter elektromagnetischer Ladung, ebenso wie ein Proton, Myon usw. Das ist nur möglich, weil Antimaterie überhaupt zu elektromagnetischen Wechselwirkungen fähig ist.

Dunkle Materie hingegen interagiert nicht elektromagnetisch. Infolgedessen können wir sie nicht erkennen, daher der „dunkle“ Teil, und sie scheint nicht mit der gleichen Art von elektromagnetisch induziertem Verhalten zu reagieren, das wir sehennormale Sache.

Tatsächlich wissen wir nur, dass sie existiert, weil sie Masse hat, und als solche kann ihr Gravitationseinfluss gesehen werden. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum Spiralgalaxien wie die Milchstraße und Andromeda trotz ihrer Masse und Winkelgeschwindigkeit stabile Strukturen sindsollte genügend schiere Kräfte erzeugen, um jede Galaxie von innen nach außen zu zerreißen.

Beide Formen von Materie sind jedoch schwer fassbar, und jede bringt ihre eigenen Geheimnisse mit sich. Einige haben vorgeschlagen, dass sogenannte "sterile" Neutrinos und Antineutrinos könnten mögliche Kandidaten sein für dunkle Materie, aber das wird derzeit noch heftig diskutiert, also ist das wirklich die einzige äußerst schwache Verbindung, die Sie derzeit vielleicht zwischen Antimaterie und dunkler Materie herstellen können.

Also, in welchem ​​Zustand ist Antimaterie jetzt?

So sehr Wissenschaftler und Ingenieure Antworten auf die Geheimnisse der Antimaterie suchen, scheinen diese Antworten in weiter Ferne zu liegen. Ebenso scheint unsere Fähigkeit, die unglaubliche Kraft der Materie-Antimaterie-Vernichtung vollständig zu nutzen, so weit entfernt wie 2006 und sogar noch früher.

Es fühlt sich so an, als ob wir den Antimaterie-Reaktoren von Star Trek am ehesten durch das Fernsehen und die Filme kommen, die ein so unglaubliches Potenzial für selbstverständlich halten. Dieses Potenzial ist jedoch so verlockend wie eh und je, und nicht zuletzt dasDie einfache Tatsache, dass Antimaterie nicht nur real ist, sondern etwas, das wir studieren und lernen – und sogar produktiv nutzen können –, ist zumindest etwas, mit dem wir arbeiten können, wenn wir uns auf den Weg zu den ultimativen Antworten machen.