Das Gegenteil von Materie

Eine Buchbesprechung zu Frank Close's Antimatter.

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

Frank Close. Bildquelle

Für mich war die Vernichtung von Materie mit Antimaterie trotz der oberflächlich einfachen Idee, die dahinter steckt, immer eine jenseitige Vorstellung - Materie und Antimaterie heben sich einfach gegenseitig auf, oder?

Es war etwas komplizierter, und Close leistet einen großartigen Beitrag, um es für den Leser aufzuschlüsseln.

Als ich mir zum ersten Mal die heftige Reaktion vorstellte, die während des Vernichtungsprozesses auftritt, wenn Antimaterie mit Materie in Berührung kommt, begann ich, mir etwas ähnliches vorzustellen, wie wenn ein Block Alkalimetall, beispielsweise Natrium, in einen See geworfen wird.

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

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Im Buch Antimaterie von Frank Close entdecken wir jedoch die tatsächlichen existenziellen Aspekte dessen, was dieses Ding "Antimaterie" heißt.

In seiner Arbeit beschäftigt sich Close mit den Unterschieden zwischen Antimaterie auf der makroskopischen Skala und dann auf der atomaren und subatomaren Skala. Dabei untersucht er anhand einer Reihe von Eigenschaften genau, warum Antimaterie und Materie in einer derart zerstörerischen Reihenfolge reagieren und was während dieser Reaktion tatsächlich geschieht .

Darüber hinaus hat Antimaterie Relevanz für die grundlegenderen Fragen unseres Universums und seiner Entstehung, wenn wir uns mit Fragen befassen, z. B. warum das Universum die Entstehung von Materie gegenüber Antimaterie begünstigt.

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

Orbitale, ein wichtiges Konzept für die Modellierung der chemischen Reaktivität. Bildquelle

Einer der interessantesten Aspekte bei der Untersuchung von Close zur Antimaterie besteht darin, die existenzielle Bedeutung von "Antimaterie" zu durchlaufen, aber die Quantenmechanik als Leitfaden zum Verständnis dieser existenziellen Bedeutung heranzuziehen.

Wenn wir die Frage von einem naiven Standpunkt aus angehen: „Was ist das Gegenteil von Materie und warum führt sie zu explosiven Reaktionen?“, Stellen wir uns regelmäßige chemische Reaktionen vor, die sehr schnell viel Energie freisetzen, bevor wir schnell feststellen, dass all diese chemischen Reaktionen auftreten Wir kommen mit beschreiben nur Materie-Materie-Wechselwirkungen.

Wie definieren wir Antimaterie in Bezug auf Materie? Close beginnt seine Erklärung mit dem Inneren des Atoms, wobei er die verschiedenen elektrischen Kräfte betrachtet, die in einem normalen Atom der Materie wirken. In Bezug auf dieses normale Atom der Materie enthält die Antimaterie eine Reihe analoger Kräfte. Sie unterscheiden sich jedoch in etwas scheinbar Winzigem:

"In Atomen der Antimaterie sind diese Ströme, Felder und Kräfte ebenfalls vorhanden, aber ihre Polaritäten sind umgekehrt: Nordpole werden zu Süd ..." (Schließen 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 eines Satzes elektrisch geladener Teilchen abgelenkt hatte, die durch einen hochenergetischen kosmischen Strahl verschoben wurden entgegengesetzte Richtung, als wenn es sich um ein reguläres Elektron handeln würde (Close 54). Das Positron war von Paul Diracs Arbeit vorhergesagt worden, wurde aber viel später in der obigen Instanz dokumentiert.

Darüber hinaus scheint sich die Eigenschaft der entgegengesetzten Polaritäten der Antimaterie in Bezug auf Materie aus ihrem eigentlichen Spin zu ergeben. Diese Eigenschaft des Spins scheint völlig unabhängig von dem regulären Drehimpuls zu sein, den das Elektron erzeugt, wenn es sich im Kern fortbewegt. Diese Drehung 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 Südpol wirken kann. Es war, als ob das Elektron eine intrinsische Rotationsbewegung, den so genannten Spin, hätte, die in einem Magnetfeld in zwei Richtungen erfolgen 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 spalten sich Spektrallinien als transversaler Zeeman-Effekt auf. C. Mit magnetischem Feld, gespalten als longitudinaler Zeeman-Effekt. Die Spektrallinien wurden mit Fabry-Perot-Etalon aufgenommen. Die drei Originalfotos wurden im Labor der Anhui Normal University für moderne physikalische Experimente aufgenommen und später zu einer Illustration verarbeitet. “(Quelle)

Dieses Konzept des intrinsischen Spins scheint besonders grundlegend zu sein, da es nur mit der Existenz des Elektrons zu tun zu haben scheint, dass ein Elektron oder ein beliebiges anderes Teilchen durch einfaches Vorhandensein einen „intrinsischen Spin“ aufweist. Noch verblüffender ist die Erkenntnis, dass die Existenz von Spin- und Antimaterie-Rahmen eine Rolle als "gefangene Energie" spielt, was am besten durch Einsteins berühmtes Konzept der Masse-Energie-Äquivalenz, zusammengefasst mit E = mc², demonstriert wird.

Wenn Antimaterie mit Materie reagiert, scheint tatsächlich die Auslöschung dieser Substanzen in Photonen mit einigen Energiequanten und ohne Ruhemasse aufzutreten.

Beispielsweise kollidieren ein Elektron und ein Positron, um Gammastrahlenphotonen zu bilden. Komplexere Reaktionen scheinen stattzufinden, da alles, was keine Materie oder Antimaterie ist, einschließlich der Grundpartikel, aus diesen Reaktionen hervorgehen kann (Close 65). Die freiwerdende Energie kann als Umwandlung von Antimaterie und Materieteilchen in Pakete elektromagnetischer Strahlung, Photonen, verstanden werden.

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

"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 Materie dazu neigt, sich über Antimaterie zu bilden, da sie sich beim Übergang in elektromagnetische Strahlung gegenseitig umwandeln können und sich mit gleicher Frequenz gegenseitig auslöschen sollten. Das Ungleichgewicht der Konzentrationen von Antimaterie und Materie impliziert, dass es sich nicht grundsätzlich um Gegensätze handelt, was darauf hinweist, dass etwas anderes im Spiel ist.

Letztendlich beschreibt das Erfassen subatomarer Kräfte wie der starken und schwachen Kraft zusammen mit einer Vielzahl grundlegender Teilchen die Wechselwirkungen zwischen Antimaterie und Materie, aber was noch wichtiger ist, unser Universum, da das Licht von Sternen kontinuierlich mit Materie interagiert, Teile davon verlegt und erzeugt eine Vielzahl von beobachtbaren Phänomenen, die das Innenleben unseres Universums und seine Geschichte zeigen.

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Schließen Sie, F. E. Antimaterie. Oxford: Oxford UP, 2009. Drucken.