Das Gegenteil von Materie

Eine Buchbesprechung über Frank Close's Antimaterie.

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Also habe ich letztes Wochenende dieses interessante Buch des Oxford-Teilchenphysikers Frank Close aufgegriffen.

Frank Close. Bildquelle

Für mich habe ich die Vernichtung der Materie mit Antimaterie trotz der oberflächlich einfachen Idee immer als etwas jenseitiges Konzept verstanden - Materie und Antimaterie heben sich einfach gegenseitig auf, oder?

Es war etwas komplizierter, und Close leistet hervorragende Arbeit, um es für den Leser aufzuschlüsseln.

Als ich mir zum ersten Mal die heftige Reaktion vorstellte, die beim Vernichtungsprozess auftritt, wenn Antimaterie mit Materie in Kontakt kommt, begann ich, etwas Ähnliches zu konzipieren, wie es passiert, wenn ein Block Alkalimetall, beispielsweise Natrium, in einen See geworfen wird.

Es gibt einen Moment hoher Energiefreisetzung, während das Natrium einen der Wasserstoffatome in Wasser ersetzt, um Natriumhydroxid und Wasserstoffgas zu ergeben, und kurz vor der massiven Explosion entzündet sich manchmal die Oberfläche des Sees, in die das Natrium eingedrungen war.

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In Frank Closes Buch Antimaterie entdecken wir jedoch die tatsächlichen existenziellen Aspekte dessen, was dieses Ding „Antimaterie“ nennt.

In seiner Arbeit diskutiert Close die Unterschiede zwischen Antimaterie von der makroskopischen Skala und dann zur atomaren und subatomaren Skala, indem er eine Reihe von Eigenschaften durcharbeitet, um genau zu bestimmen, warum Antimaterie und Materie in einer so zerstörerischen Reihenfolge reagieren und was tatsächlich während dieser Reaktion geschieht .

Darüber hinaus hat Antimaterie Relevanz für die grundlegenderen Fragen unseres Universums und seine Entstehung, wenn wir uns mit Fragen befassen, beispielsweise warum das Universum die Bildung von Materie gegenüber Antimaterie bevorzugt.

Durch Antimaterie führt Close seinen Leser durch eine Neudefinition der Kräfte in der Welt, wie wir sie klassisch verstehen, und die Implikationen, die die Existenz von Antimaterie für die Zukunft hat, sowie die Geheimnisse hinter ihrer Seltenheit in Bezug auf Materie im Universum. Erweiterung unseres Verständnisses der Rolle, die die Quantenmechanik im Universum spielt.

Orbitale, ein wichtiges Konzept im Konzept der Modellierung der chemischen Reaktivität. Bildquelle

Einer der interessantesten Aspekte von Close's Untersuchung der Antimaterie ist es, durch die existenzielle Bedeutung von „Antimaterie“ zu gehen, aber die Quantenmechanik als Leitfaden zu haben, um diese existenzielle Bedeutung zu verstehen.

Wenn wir uns der Frage von einem naiven Standpunkt aus nähern: „Was ist das Gegenteil von Materie und warum erzeugt sie explosive Reaktionen?“, Stellen wir uns regelmäßige chemische Reaktionen vor, die sehr schnell viel Energie freisetzen, bevor wir schnell erkennen, dass all diese chemischen Reaktionen Wir kommen auf die Idee, nur Materie-Materie-Wechselwirkungen zu beschreiben.

Wie fangen wir also an, Antimaterie in Bezug auf Materie zu definieren? Close beginnt seine Erklärung aus dem Inneren des Atoms unter Berücksichtigung der verschiedenen elektrischen Kräfte, die in einem normalen Materieatom wirken. In Bezug auf dieses normale Materieatom enthält Antimaterie eine Reihe analoger Kräfte. Sie unterscheiden sich jedoch in etwas scheinbar Winzigem:

„In Antimaterie-Atomen sind diese Ströme, Felder und Kräfte ebenfalls vorhanden, aber ihre Polaritäten sind umgekehrt: Nordpole werden zu Südpolen…“ (Abschluss 17).
Anderson (rechts) und Millikan (links). Bildquelle

Durch diese Eigenschaft wurde die Existenz der Antimaterie zum ersten Mal offenbart. In einer Reihe von Experimenten in den späten 1920er Jahren entdeckten die Forscher Anderson und Millikan schließlich die Existenz eines positiven Elektrons, indem sie beobachteten, wie ein Magnetfeld den Weg einer Reihe elektrisch geladener Teilchen abgelenkt hatte, die durch einen hochenergetischen kosmischen Strahl versetzt wurden entgegengesetzte Richtung, als es sich bewegen würde, wenn es ein reguläres Elektron wäre (Close 54). Das Positron war von Paul Diracs Arbeit früher vorhergesagt worden, wurde aber im obigen Fall viel später dokumentiert.

Darüber hinaus scheint sich die Eigenschaft der entgegengesetzten Polaritäten der Antimaterie in Bezug auf Materie aus ihrem intrinsischen Spin zu ergeben. Diese Eigenschaft des Spins scheint völlig unabhängig von dem regulären Drehimpuls zu sein, den das Elektron auf seinem Weg im Kern erzeugt. Dieser Spin scheint nicht einmal mit der Idee des Spinnens zu tun zu haben, wie Close bemerkt:

„Der Zeeman-Effekt hat gezeigt, dass ein Elektron wie ein kleiner Magnet mit einem eigenen Nord- und Südmagnetpol wirken kann. Es war, als ob das Elektron eine intrinsische Drehbewegung hat, die als Spin bekannt ist und in einem Magnetfeld eine von zwei Orientierungen annehmen kann: im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn “(20).
„Die Spektrallinien der Quecksilberdampflampe bei einer Wellenlänge von 546,1 nm zeigen einen anomalen Zeeman-Effekt. A. Ohne Magnetfeld. B. Mit Magnetfeld teilen sich Spektrallinien als transversaler Zeeman-Effekt. C. Mit Magnetfeld als Zeeman-Längseffekt aufgeteilt. Die Spektrallinien wurden mit Fabry-Perot et alon erhalten. Die ursprünglichen drei Fotos wurden im Labor der Anhui Normal University für moderne physikalische Experimente aufgenommen und später zu einer Illustration verarbeitet. “ (Quelle)

Dieses Konzept des intrinsischen Spins erscheint besonders grundlegend, da es nur mit der Existenz des Elektrons in Zusammenhang zu stehen scheint, dass ein Elektron oder ein anderes Teilchen einfach durch das Vorhandensein einen „intrinsischen Spin“ hat. Noch verwirrender ist die Erkenntnis, dass die Existenz von Spin- und Antimaterie-Rahmen als „eingeschlossene Energie“ gilt, was am besten durch Einsteins berühmtes Konzept der Masse-Energie-Äquivalenz demonstriert wird, das durch E = mc² zusammengefasst wird.

Wenn Antimaterie mit Materie reagiert, scheint es tatsächlich so zu sein, dass diese Substanzen mit einigen Energiequanten und ohne Ruhemasse in Photonen aufgehoben werden.

Beispielsweise kollidieren ein Elektron und ein Positron, um Gammastrahlenphotonen zu bilden. Komplexere Reaktionen scheinen zu stattfinden, da alles, was nicht Materie oder Antimaterie ist, einschließlich grundlegender Partikel, aus diesen Reaktionen hervorgehen zu können scheint (Close 65). Die freigesetzte Energie kann als Umwandlung von Antimaterie- und Materieteilchen in Pakete elektromagnetischer Strahlung, Photonen, konzipiert werden.

Das Verständnis der Existenz von Antimaterie gibt einen breiteren und umfassenderen Einblick in die Prozesse im Universum, von denen einige für die Astronomie relevant sind. Es hat einen wesentlichen Einfluss auf etwas Grundlegendes an der Entstehung des Universums, und wie Close artikuliert:

"Antimaterie steht im Zentrum eines der größten Rätsel: Warum gibt es nicht mehr davon im Universum?" (113).

Close stellt fest, wie seltsam es ist, dass sich Materie über Antimaterie bildet, da sie sich beim Übergang in elektromagnetische Strahlung gegenseitig umwandeln können und sich gegenseitig mit gleicher Frequenz vernichten sollten. Das Ungleichgewicht der Konzentrationen von Antimaterie und Materie impliziert, dass sie nicht grundsätzlich Gegensätze sind, was darauf hinweist, dass etwas anderes im Spiel ist.

Um subatomare Kräfte wie die starke und die schwache Kraft zusammen mit einer Vielzahl grundlegender Teilchen zu erfassen, müssen letztendlich die Wechselwirkungen zwischen Antimaterie und Materie beschrieben werden. Noch wichtiger ist jedoch, dass das Licht von Sternen kontinuierlich mit Materie interagiert, Teile davon versetzt und erzeugt eine Vielzahl von beobachtbaren Phänomenen, die das Innenleben unseres Universums und seine Geschichte zeigen.

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Schließen, FE Antimaterie. Oxford: Oxford UP, 2009. Drucken.