Ein Stoff sorgt für Aufsehen

Manchmal könnte man meinen, es würde wieder etwas ruhiger werden um die populärtauglichen Themen der modernen Physik. Die schwarzen Löcher haben sich etwas zurückgezogen, Zeitreisen sind Kino von gestern und die nächste Sonnenfinsternis kommt auch nicht vor dem Jahr 2081. Zumindest nicht in Deutschland. Aber dann kam Dan Brown mit Illuminati, und ein weiteres Mal sorgt ein physikalischer Stoff für Spannung: Diesmal ist es die Antimaterie, die für die Dramaturgie herhalten muss. Antimaterie der Terroristenstoff, der den Vatikanstaat bedroht. Antimaterie der Superbrennstoff, der alle Energieprobleme der Welt löst. Antimaterie der Apokalypsenstoff, der nach dem Urknall fast das ganze Universum wieder vernichtet hat. Aber was genau ist denn nun Antimaterie? Der folgende Artikel wird all den eben erwähnten Aspekten auf den Zahn fühlen und zuallererst einmal zeigen, dass Antimaterie selbst eigentlich nichts Besonderes ist.

Was ist Antimaterie?

Antimaterie ist eigentlich nicht viel außergewöhnlicher oder exotischer als gewöhnliche Materie. Alles, was sie zu einem Sonderling macht, sind die umgepolten Ladungswerte der einzelnen Elementarteilchen. Ein Beispiel: Wer in der Schule gut aufgepasst oder früher viel Knoff-Hoff geschaut hat weiß vielleicht noch, dass Atome aus 3 verschiedenen Bausteinen bestehen: Es sind die Elektronen, Protonen und Neutronen. Rechts im Bild sieht man, dass bei normaler Materie die Protonen im Atomkern eine positive Ladung tragen, die umherschwirrenden Elektronen dagegen eine negative. Bei der Antimaterie ist es genau umgekehrt: Im Außenbereich schwirren nun an Stelle der Elektronen positiv geladene „Positronen“, und im Atomkern haben negativ geladene Antiprotonen den Platz der normalen Protonen eingenommen.

 
Antimaterie zeichnet sich durch die entgegengesetzte Ladung bestimmter Elementarteilchen aus. Beispielsweise werden Protonen durch Antiprotonen, Elektronen durch Positronen ersetzt.

Quarks als Grundbausteine

Und was ist mit den Neutronen? Obwohl sie in beiden Fällen keine elektrische Ladung tragen, sind die Neutronen in Materie und die „Neutronen“ in Antimaterie unterschiedliche Teilchen. Hier muss man jetzt etwas genauer hinsehen: Denn eigentlich sind es gar nicht die drei eben erwähnten Atombausteine, die einfach ihre Ladung umkippen, sondern die Quarks, aus denen diese Atombausteine aufgebaut sind. Diese Teilchen sind noch grundlegender als die 3 Atombausteine, und haben auch nichts mit Joghurt o.ä. zu tun. Von den Quarks gibt es wiederum verschiedene Sorten mit bestimmten Eigenschaften. Kippt man ganz bestimmte Eigenschaften davon um, unter anderem die elektrische und die sogenannte Farbladung, wird aus einem Quark ein Antiquark. Genaugenommen muss man also sagen: Normale Materie besteht aus Quarks, Antimaterie aus Antiquarks. Die greifbare Welt um uns herum besteht letztlich nur aus Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen. Die anderen Quarks sind instabil und zerfallen nach kurzer Zeit.

 
Der Stoff, aus dem Atome sind: Quarks sind die grundlegensten Elementarteilchen, die wir heute kennen. Tauschte man diese 6 Teilchen durch ihre Antiteilchen aus, hätte man eine Welt aus Antimaterie, die genauso gut so funktionieren könnte wie die unsere. Das legendäre Wu-Experiment hat jedoch gezeigt, dass Materie und Antimaterie letztlich doch mehr Unterschiede in ihrem Verhalten zeigen, als zuerst vermutet.

Kann man Antimaterie im Labor herstellen?

Kann man. Zwar nicht in einem konventionellen Chemielabor mit Bunsenbrenner und Reagenzgläsern, aber in großen Forschungszentren mit Teilchenbeschleunigern. Diese Maschinen haben als Herzstück eine Art Tunnel, in dem winzige Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten und schließlich zur Kollision gebracht werden. Im Prinzip funktioniert die „Herstellung“ von Antimaterie dort nach folgendem Rezept: Man nehme ein paar Elementarteilchen, gebe sie vorsichtig in den Beschleunigertunnel, bringe sie unter extremen Geschwindigkeiten zur Kollision und beobachte was dabei rauskommt. Wenn man Glück hat sind bei der Kollision Antiteilchen entstanden. Denn Energie (in Form von Photonen, die dort auch entstehen) kann laut E=mc² in Materie umgewandelt werden. Man hat nun beobachtet, dass bei dieser Umwandlung immer zu gleichen Teilen Materie wie Antimaterie entsteht, ganz von selbst sozusagen. Am Forschungszentrum „CERN“ hat man es 1996 zum ersten mal geschaft, ein Atom aus Antimaterie herzustellen: Den Antiwasserstoff.

 
Schön wär's, aber die Herstellung von Antimaterie ist kein chemischer, sondern ein grundlegend physikalischer Prozess. Er gelingt bis heute nur unter enormem Energieaufwand in großen Teilchenbeschleunigern.

Materie trifft Antimaterie

Mögen Sie Glühwürmchen? Wenn Sie nachts schonmal welche gesehen haben dann bestimmt. Diese schwebenden Bioglühbirnen senden Licht aus, wenn sie auf Partnersuche sind. Ist ein Partner gefunden, wird das Licht ausgemacht. Bei der Antimaterie ist es, wie könnte es anders sein, genau umgekehrt. Trifft Materie auf Antimaterie, vernichten sich die beiden Teilchen gegenseitig indem sie in reine Energie zerstrahlen. Aber was ist reine Energie? In diesem Fall sind es Photonen, also Lichtteilchen, die bei der Annihilation entstehen, wie diese Vernichtung physikalisch auch noch genannt wird. Im Gegensatz zu den Glühwürmchen wird es also erst hell, nachdem sich die beiden entsprechenden Partner gefunden haben. Die Energiemenge, die bei diesem Vorgang frei wird, ist enorm: Sie genügt Einsteins bekannter Formel E=mc², welche besagt, dass Materie und Energie ineinander umgewandelt werden können, und dass in wenigen Gramm Materie Energiemengen stecken, die ausreichen würden, einen Haushalt jahrelang mit Strom zu versorgen.

 
Antimaterie trifft auf Materie. Die Teilchen vernichten sich gegenseitig, wodurch soviel Energie in Form von Licht frei wird, wie laut E=mc² in den Massen der beiden Teilchen steckte.

Kann man Antimaterie speichern?

Wer darauf hofft, 50 Gramm Antimaterie vom Genfer Forschungszentrum „CERN“ bestellen und sich auf den Schreibtisch stellen zu können, sollte hier noch etwas weiterlesen. Es geht nämlich nicht. Und wenn man den Text eins weiter oben gelesen hat, weiß man auch gleich warum: Sobald Antimaterie auf normale Materie trifft, vernichtet sich beides gegenseitig unter Freisetzung enormer Energiemengen. Antimaterie kann also nicht einfach auf einen Güterzug geschüttet und abtransportiert werden, der Zug würde sofort zerstrahlen. Samt Bahnhof. Die einzige Möglichkeit Antimaterie zu konservieren gelingt mit geschickt gerichteten elektromagnetischen Feldern, die in einer Art Falle Antimaterie gefangen halten können. Das funktioniert natürlich nur mit geladenen Teilchen, wie zum Beispiel den oben schon erwähnten Positronen und Antiprotonen (den Antiteilchen zu Elektronen bzw. Protonen), da neutrale Teilchen nicht auf das elektromagnetische Feld ansprechen. Nachteil: Es ist dadurch nicht möglich, größere Mengen Antimaterie zusammen zu speichern, da sich die Teilchen aufgrund ihrer Ladung abstoßen würden.

 
Einzige Möglichkeit, Antimaterie über längere Zeit zu speichern: Mittels elektromagnetischen Feldern müssen die Teilchen in einen stabilen Schwebezustand versetzt werden, um den Kontakt mit normaler Materie zu vermeiden. Passiert dies doch, gibt's einen großen Lichtblitz und alles ist dahin.

Antimaterie im frühen Universum

Eigentlich dürften wir überhaupt nicht hier sein. Wenn Energie in Masse umgewandelt wird, tut sie das zu gleichen Teilen in Materie wie in Antimaterie. Treffen die Teilchen später wieder zusammen, wird alles greifbare Sein im Universum wieder ausgelöscht. Aber wir sind hier. Die Frage ist nun: Warum? Denn beim Urknall ist Energie in Materie und Antimaterie zerfallen, zu gleichen Teilen, müsste man meinen. Ein Blick aus dem Fenster zeigt uns aber, dass es beim Urknall offensichtlich mehr Materie als Antimaterie gegeben haben muss, ansonsten hätte sich ja alles wieder eins zu eins vernichtet und dieser Text würde, genau wie Sie, nicht existieren. Woher kommt nun dieser Überschuss an Materie? Wir machens kurz: Das weiß bis heute niemand. Es gibt nur vage Theorien darüber. Man weiß aber, wie groß dieses Ungleichgewicht gewesen sein muss: Auf 1.000.000.000 Antimaterie-Teilchen kamen 1.000.000.001 Materie-Teilchen. Also ein nur winzig kleiner Überschuss an Materie, der nicht durch Annihilation vernichtet wurde. Und dieses winzige Ungleichgewicht macht heute die ganze Materie unseres Universums aus.

 
Beim Urknall entstanden auf 1.000.000.000 Teilchen Antimaterie 1.000.000.001 Teilchen normale Materie. Woher dieses winzige Ungleichgewicht kommt, stellt eine große Frage der heutigen Physik dar. Jedenfalls haben wir es diesem Ungleichgeicht zu verdanken, dass sich das Universum kurz nach dem Urknall nicht wieder komplett vernichtet hat.

Energie aus Antimaterie

Die Energie, die bei der Verschmelzung von Materie und Antimaterie frei wird, könnte man doch wirtschaftlich nutzen, so der Gedanke vieler Antimaterie-Enthusiasten. Leider gibt es da 2 technisch kaum überwindbare Probleme: Das erste besteht darin, dass wir überhaupt keine Antimaterie zur Verfügung haben, die wir verheizen könnten. Es gibt sie nicht auf der Erde, und auch im Universum hat man noch keine größeren Mengen entdeckt die wir anzapfen oder bergmännisch abbauen könnten. Also: Keine Antimaterie, keine Energie, keine Sorgen für die weltlichen Ölkonzerne. Selbst wenn wir diesen exotischen Brennstoff irgendwo finden oder irgendwie sonst zur Verfügung hätten, müsste er, und hier kommen nun eine ganze Reihe von Problemen, immer noch transportiert, umgefüllt, gelagert, getankt und zur Fusionskammer geführt werden. Und bei keinem dieser Schritte dürfte die Antimaterie mit normaler Materie in Berührung geraten, sonst knallts. Ach übrigens: Die Antimaterie auf der Erde herzustellen macht natürlich auch keinen Sinn, da der dafür benötigte Aufwand weit über das hinausgeht, was die spätere Teilchenfusion wieder an Energie freisetzen würde.

 
Bleibt erstmal Zukunftsmusik: Die Herstellung von Energie aus Antimaterie. Es gibt einfach zuviele technische Probleme, wie z.B. die Speicherung oder der Transport von Antimaterie, die kaum zu überwinden sind. Dazu kommt, dass wir überhaupt keine Antimaterie zur Verfügung haben. Weder hier auf der Erde, noch sonstwo.
 
Mehr Physik auf drillingsraum.de
magnetische_monopole  
Was sind Magnetische Monopole? Wie könnten sie das physikalische Weltbild ändern? Mehr... Interview mit dem CERN-Physiker Matt. Schott. Themen: CERN, LHC, HIGGS. Lesen... Wie sieht das Ende des Universums aus? Big Rip, Big Crunch oder nur Big Whimper? Mehr... Der 4D-Hyperraum
Kann man sich eine vierte Raumdimension vorstellen? Mehr...
   
   
Was genau wird bei der Quantenteleportation teleportiert? Was ist Verschränkung? Mehr... Ein weites Land
Kleine Geschichte zur Einführung in höhere Dimensionen. Lesen...
Wie schnell vergeht die Zeit? Das Chronon soll das kürzest mögliche Zeitintervall sein. Mehr... Was sind Quanten?
Quanten sind kleinste Pakete aus Energie, die alles zerstückeln. Mehr...
   
ivo_sachs    
Kann man den Lauf der Zeit beeinflussen? Was hat die Gravitation damit zu tun? Mehr... Einsteins Theorie über Raum und Zeit. Was sagt sie aus? Was bedeutet sie für uns? Mehr... Interview Ivo Sachs
Themen: Stringtheorie, Ende des Universums, Chaos. Lesen...
Von Newton zu Einstein
Die Geschichte der Physik, samt Quanten und Strings. Mehr...
   
 
Home | Impressum | Contact | Physik | Physik-Forum | Sitemap
 
physik
 
physik
 

Aus dem Physikshop von getdigital.de:

Zeitmaschine
In der Zeitmaschine verbinden sich geniale Technik und Murmeln zu einer Uhr.
49.95 EUR
 
Anti-Gravitations-
Auto

Das ferngesteuerte Auto kann an der Decke und an der Wand fahren.
34.90 EUR
 
Magnetpuzzle
Ein magnetisches Puzzle aus 216 Magnetkugeln. Es handelt sich hier um sehr starke NdFeB Magnete.
ab 29.95 EUR
 
Schwebender Globus
Dieser faszinierende Globus schwebt durch Magnetkraft gehalten vollkommen frei und stabil in der Luft.
94.50 EUR
 
Khet Laser Spiel
In das Spielfeld dieses Strategiespiels sind echte Laser integriert. Hier sind Logik und Strategie gefragt.
49.00 EUR
 
Like und Dislike
Stempel

Für eine vereinfachte Kulturkritik: Bewerte alles mit Like & Dislike. Schon die Lohnsteuer gemacht dieses Jahr?
14.95 EUR
 
Selbstrührender
Becher

Dieser Becher mit Propeller rührt Kaffee auf Knopfdruck für Dich um. Für den Morgenmuffel in Dir.
17.95 EUR
 
Gel-Plantarium
Das Spezialgel des Plantariums kann alle Nährstoffe zur Verfügung stellen, die eine Pflanze zum Überleben braucht.
24.95 EUR
 
Matheuhr
Bei dieser Wanduhr sind die Uhrzeiten durch verschiedene Matheaufgaben verschlüsselt.
22.95 EUR
 
Eulers-Disk
Münzdrehen einmal anders: Die Eulers Disk visualisiert auf faszinierende Weise das Drehverhalten starrer Körper.
29.95 EUR
Interviews
joachim_bublath
Wissenschaftsjournalist und Fernsehmoderator Dr. Joachim Bublath im Interview. Lesen...
 
Physik-Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch im großen Interview mit drillingsraum.de. Lesen...
 
Interview Ulrich Walter
Der deutsche Astronaut im großen Interview mit drillingsraum.de. Lesen...
 
matthias_schott
Interview mit CERN-
Physiker Dr. M. Schott: Des CERN's Schwarze Löcher. Lesen...
 
Interview Josef Jochum
Thema: Dunkle Materie. Nachweis, Forschung, Detektorbau. Lesen...
 
wolfgang_nolting
Kultautor und Physiker Prof. Wolfgang Nolting im Interview. Das Thema: Magnetismus. Lesen...
 
Mehr Physik
Was bedeutet E=mc²?
Herkunft und Bedeutung der wohl berühmtesten Formel der Welt. Mehr...
 
Die 4 Grundkräfte der Physik. Was bewirken sie? Wie werden die Kräfte vermittelt? Mehr...
 
Was sind Quarks?
Quarks sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Mehr...
 
Der 4D-Hyperwürfel
Aus welchen Teilen besteht er? Fakten und Inspirationen. Mehr...
 
Was sind WIMP's? Erklären sie die Dunkle Materie? Wie kann man sie nachweisen? Mehr...
 
Was ist das HIGGS?
Wie funktioniert der HIGGS-Mechanismus? Einfach erklärt. Mehr...
 
Die Quantencomputer
Was können sie? Wann gibt es sie? Wo werden sie eingesetzt? Mehr...
 
Die Stringtheorie
Die Welt besteht aus schwingenden Fäden reiner Energie. Mehr...