Frage von Usedefault, 67

Altert Materie?

Hallo!

Gibt es bei Protonen, Neutronen oder Elektronen Alterserscheinungen bzw. zeitbedingte Veränderungen oder sind diese seit Anbeginn der Wirklichkeit dieselben?

Lg

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 23

Die Frage in der Überschrift ist nicht ganz konform mit der Erklärung danach. Ich will erst einmal auf sie eingehen:

Materie, verstanden als Vielteilchensystem, unter Umständen noch Radionuklide enthaltend, altert tatsächlich. Sie verändert ihre Zusammensetzung oder auch ihre Struktur.

Man kann sogar sagen, dass sie »reift«, ähnlich wie mir das mal jemand von Whisky gesagt hat (»das frisch gebrannte Lebenswasser kannste nicht trinken das brennt dir den Schlund weg«):

Das Material, aus dem unsere Erde besteht, enthält eine Menge unterschiedlichster Nuklide, auch schwerere als Eisen, viele von ihnen radioaktiv. So etwas kann nur endergonisch entstanden sein, also unter Bedingungen hoher Energiedichte. Dafür kommt nur eine Supernova in Frage.

Materie frisch von der Supernova dürfte aber ein Wildwuchs aus allen nur erdenklichen Nukliden sein, von denen die meisten nicht nur radioaktiv, sondern ausgesprochen kurzlebig sind. Übrig geblieben sind die, die entweder selbst hinreichend lange Halbwertszeiten haben oder als Tochternuklide längerlebiger Nuklide auftreten. Nur deshalb gibt es z.B. Radium oder Radon. Zur Zeit der Erdentstehung dürfte aber jedenfalls die natürliche Radioaktivität noch immer ein Mehrfaches der heutigen gewesen sein. Ob dies dazu beigetragen hat, dass in den ersten 3 Milliarden Jahren Leben kaum mehrzelliges Leben existierte, mag dahingestellt sein.

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Materieteilchen altern nicht, jedenfalls nicht in der Phase der Existenz des Universums, in der wir uns jetzt seit über 13 Milliarden Jahren befinden. Natürlich gibt es Teilchen, die »zerfallen«, aber dies geschieht ohne erkennbare Ursache, und vor allem hängt die Wahrscheinlichkeit dafür nicht von der Existenzdauer des Teilchens ab, was für den Begriff des Alterns entscheidend wäre. Diese Unabhängigkeit lässt sich aus dem exponentiellen Zerfallsgesetz herauslesen.

Der Zerfall von Teilchen ähnelt einer chemischen Reaktion »in kalter Umgebung«. Dabei wandelt sich ein masse- und damit ruheenergiereiches Teilchen unter Berücksichtigung gewisser Erhaltungszahlen in weniger massereiche um, und die Energie verteilt sich auf sie und ggf. Strahlung (Photonen). Generell neigen massereichere Teilchen zu kürzeren Lebensdauern als masseärmere.  

Ein Beispiel dafür ist die Umwandlung des Neutrons (Ladungszahl 0, Baryonenzahl +1) in ein Proton (Ladungszahl +1, Baryonenzahl +1), ein Elektron (Ladungszahl –1, Leptonenzahl +1) und ein Antineutrino (Ladungszahl 0, Leptonenzahl –1) um. Bei geringer Energiedichte der Umgebung erhöht dies die Entropie.

Letztlich ist das aber eine Gleichgewichtsreaktion, die auch umgekehrt ablaufen kann, wobei bei niedrigen Energiedichten nur eben das Gleichgewicht ganz auf der rechten Seite liegt. Bei höheren Energiedichten in der Umgebung führen dazu, dass der umgekehrte Prozess ebenso schnell abläuft oder sogar schneller, deshalb können unter solchen Bedingungen auch neue Neutronen entstehen und bleiben gebundene Neutronen erhalten.

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Nun gibt es von einigen Elementarteilchen drei Typen (»Generationen«). Neben dem Elektron gibt es auch noch das Myon und das Tauon, neben den Quarks »up« und »down« gibt es noch »charme« und »strange« sowie »top« (entdeckt erst 1994) und »bottom« mit zunehmender Masse und abnehmender mittlerer Lebensdauer.

Das hat mich auf die Idee gebracht, mir die Frage zu stellen, ob das wirklich alle sind, oder ob die »höheren« Generationen nicht eventuell Relikte aus einem viel kleineren, dichteren und heißeren Kosmos sein könnten, der durch die Expansion (unseren »Urknall« bzw. unsere »Inflation«) zerstört wurde und ob die gegenwärtige Beschleunigung und der von immer mehr Kosmologen vorhergesagte Big Chill oder der gewalttätigere Big Rip nicht genau dasselbe in größer und kälter sein könnte.

Dann dürfte das Elektron freilich auch nicht das letzte Wort zum Thema »negativ geladenes Lepton« sein, es müsste ein negativ geladenes Lepton noch viel geringerer Masse geben (oder noch nicht geben, weil der Kosmos noch zu dicht und heiß dafür ist), das eventuelle Physiker des Nachfolge-Kosmos einst vielleicht als »Elektron« bezeichnen werden.

Die Materie in ihrer Gesamtheit könnte also gleichsam in Stufen altern, wobei die Energiedichten immer geringer und die räumlichen und zeitlichen Abmessungen immer größer werden. Was »stabil« erschien, erweist sich von einem anderen Standpunkt aus als kurzlebig, und dafür treten neue »stabile« Teilchen auf, die man zuvor nicht für möglich gehalten hätte.

Ich nenne das die Hypothese des fraktalen Universums. 

Kommentar von SlowPhil ,

Die Hypothese von meiner Seite ist übrigens nicht ganz neu. Nach ich im Artikel »Bis in alle Ewigkeit« von Rüdiger Vaas (bis der wissenschaft, 1999) die (zitierte) Fomulierung gelesen habe, das Universum sei vom ursprünglichen Glanz des Urknalls und einem nur wenige zehn Milliarden Jahre dauernden Sternenzeitalters ein ewiges Wimmern der Einsamkeit und dunkler Verzweiflung, hatte ich das Bedürfnis, dieser Depri-Nummer eines kalten, dunklen Infernos etwas Lebensfroheres entgegenzusetzen.

Kommentar von Usedefault ,

Gibt es eigentlich einen Unterschied zwischen bewegter Materie und Energie? Ich dachte mir schon paar mal, dass wo nichts ist, nichts reagieren kann.

Alles was wir als abgeleitete Qualität bezeichnen wie Hitze, ist bewegte Masse die durch unsere Körperteilchen gebremst wird.

Kommentar von SlowPhil ,

Energie ist ein Oberbegriff. Masse ist Energie, genauer gesagt Ruhe- Eigen- oder Schwerpunktsenergie (nenne ich deshalb so, weil es diese Energie in seinem Schwerpunktssystem hat).

Gerichtete kinetische Energie bewegter Materie - also Materie, die nicht in ihrem Schwerpunktssystem betrachtet wird - ist aber auch Energie.

Weitere Energie ist Strahlung. Auch in einem Vakuum gibt es Strahlung, und wenn diese thermischer Natur ist, also ein thermisches Gleichgewicht repräsentiert und dementsprechend verteilt ist wie die kosmische Hintergrundstrahlung. Sie sorgt dafür, dass man dem Weltraum als solchem die Temperatur von 3K zuordnen kann.

Kommentar von Usedefault ,

Aber Strahlung ist ja auch bewegte Materie (obwohl laut Konvention Austauschteilchen nicht als Materie zu bezeichnen sind). Gibt es einen allgemeineren Begriff für Materie, der jede Erscheinung substantiell bezeichnet?

Obwohl mir abhanden gekommen ist, dass andere potentielle Energie ja auch Energie ist, wie Lageenergie durch ein G-Feld.

Sogesehen ist Energie alles, was in einem Raum oder System Kraft verrichten könnte. Jedoch muss man von nutzbarer und vorhandener Energie unterscheiden.

Weshalb genau hat Ruhemasse Energie? Bezeichnet Ruheenergie die Summe aus S+SWW, GK und EM?

Kommentar von SlowPhil ,

Aber Strahlung ist ja auch bewegte Materie (obwohl laut Konvention Austauschteilchen nicht als Materie zu bezeichnen sind).

β - Strahlung und baryonische Strahlung wie z.B. α-Strahlung ja.

Ich meinte mit »Strahlung« jetzt speziell elektromagnetische Strahlung, z.B. γ-Strahlung, die sich nicht als bewegte Materie beschreiben lässt, weil sie nicht einmal ein eigenes Ruhe- bzw. Schwerpunktssystem besitzt und Photonen und Antiphotonen dasselbe sind und Photonen somit jederzeit erzeugt und vernichtet werden können.

Bei Materieteilchen ist das anders, wobei dies nicht für alle Hadronen gilt. Es gibt beispielsweise das neutrale Pion, das ebenfalls sein eigenes Antiteilchen ist. Für andere Hadronen und Leptonen (wie Elektronen) gilt eine Erhaltungszahl, die bei einer Reaktion unverändert bleiben muss. Sie können also nicht einfach vernichtet werden, sondern allenfalls paarvernichtet, d.h. sie brauchen ihre Antiteilchen als Reaktionspartner.

Allerdings lassen sie sich ineinander umwandeln, und etwa ein Elektron kann nicht nur erzeugt oder vernichtet werden, indem mit einem Positron dasselbe geschieht, sondern es kann auch ein Antineutrino oder ein Neutrino erzeugt werden.

Sogesehen ist Energie alles, was in einem Raum oder System Kraft verrichten könnte.

Arbeit. Kraft übt man aus. Oder, was etwas erwärmen könnte.

Jedoch muss man von nutzbarer und vorhandener Energie unterscheiden.

Das ist klar, aber alle haben die Eigenschaft, träge und schwer zu sein.

Weshalb genau hat Ruhemasse Energie?

Nicht hat, ist. Masse ist so etwas wie kondensierte Energie. Dass beide überhaupt unterschiedliche Maßeinheiten tragen, liegt nur daran, das man sich nicht beizeiten angewöhnt hat, Zeiten und Strecken mit demselben Maß zu messen. Das Lichtjahr ist immerhin ein Ansatz dazu. Allerdings könnte man auch Alltagsstrecken in Licht- Zeiteinheiten messen; die Lichtnanosekunde etwa ist etwas kürzer als ein angelsächsischer Fuß.

Dass die Masse eines Teilchens Energie ist, erweist sich spätestens dann, wenn es auf sein Antiteilchen trifft. Dies geschieht auch im medizinischen Alltag, nämlich im PET. Der beruht darauf, dass ein Präparat, das an bestimmten Stellen des Körpers besonders angereichert wird, ein β⁺-Strahler ist und nach kurzer Strecke auf ein Elektron trifft. Dabei wird die charakteristische Vernichtungsstrahlung von 511keV pro Photon frei, die dem Mediziner anzeigt, wo besondere Aktivität herrscht und sich das Präparat besonders gesammelt hat.

Übrigens bestehen wir (bzw. besteht unsere Masse) zum allergrößten Teil aus Bindungsenergie, nämlich unter den Quarks. Die Quarks selbst sind viel zu leicht, um die Masse etwa des Protons zu erklären.

Kommentar von Usedefault ,

Achso jetzt verstehe ich den Zusammenhang! Die Masse der Elementarteilchen addiert ist wenig, als die Masse eines Körpers, weil ein großer Teil der Masse Bindungsenergie ist!

Und sieht man Bindungsenergie oder nur deren Wirkung?

Kommentar von SlowPhil ,

Ihre Wirkung natürlich. Im Massenspektrometer wirkt sie sich auf den Grad der Ablenkung aus, weil sie träge ist. 

Kommentar von Usedefault ,

Und was ist mit der Masse der Neutronen und Protonen? Ist das auch kondensierte Energie?

Kommentar von SlowPhil ,

Ja, natürlich. Jede Form von Masse ist »kondensierte« Energie. »Kondensiert« heißt, dass es die Energie im Schwerpunktssystem ist. Nur diese ist die Lorentz-invariante Masse, die in der SRT als Proportionalitätsfaktor zwischen der Vierergeschwindigkeit

γ·(c; v⃗)

und dem Viererimpuls

(E/c; p⃗)

und bis auf den konstanten Faktor c auch als Betrag jedes Viererimpulses auftritt.

Die kinetische Energie, die ein Körper in einem System hat, relativ zu dem er sich bewegt, trägt zur Trägheit und Schwere eines Körpers in ebendiesem Koordinatensystem bei, wird aber heute nicht mehr zur Masse des Körpers gerechnet und kann auch nicht dazu führen, dass ein Körper in diesem System ein Schwarzes Loch oder dergleichen wäre.

Selbst die Annihilation funzt auch mit Protonen und Neutronen und den entsprechenden Antiteilchen (auch Protonen mit Antineutronen und Neutronen mit Antiprotonen), nur dass sie komplizierter ausfällt (über Mesonen und Elektron-Positron-Paare als Zwischenstufen) als die Annihilation von Elektronen und Positronen.

Antwort
von nobytree2, 44

Diese Teilchen zerfallen, dass sie aber eine zeitbedingte Änderung durchmachen, wäre mir jetzt neu. Eine Halbwertszeit von Elektronen wäre mir jetzt auch neu (irgend eine ist mal hypothetisch berechnet worden, allerdings nicht experimentell bestätigt), allerdings sei ein Zerfall eines Elektrons schon "beobachtet" worden, wahrscheinlich induziert.

Aber das Kleinstteilchen altern wie Glas, Käse oder Wein, ist meines (Un-)wissens noch nicht festgestellt worden. Man müsste ein Elektron einfangen, isolieren und beobachten. Sehr schwierig mit den momentanen Geräten. Oder man müsste gewisse Differenzen an dem Alter von Elektronen festmachen können, noch schwieriger.

Veränderung über Generationen: Man kann davon ausgehen, dass neue Elektronen entstanden sind, zumindest in der Ursuppe war wohl andere Teilchen am Start. Insofern gab es anfängliche Veränderungen "direkt" nach dem Urknall, zumindest kann das als "Arbeits"-These vertreten werden. Insofern gab es tatsächlich eine Alterung (von Urknall bis zur Beruhigung/Abkühlung).

Kommentar von Usedefault ,

Beim Käse und Wein ändern sich ja nur die Verbindungen, aber nicht die Teilchen selbst.

Antwort
von Mikkey, 51

Freie Neutronen haben in der Tat eine Halbwertszeit von nur 15 Minuten (AFAIR), dann zerfallen sie in Proton und Elektron.

Daher sind auch letztere nicht seit Anbeginn der Wirklichkeit (schöner Ausdruck) nicht alle vorhanden gewesen.

Antwort
von Reggid, 40

nein, materie "altert" nicht.

das sieht man z.B. daran, dass radioaktive elemente einem exponentiellen zerfallsgesetz gehorchen, d.h. dass die in einem gegebenen zeitintervall immer die gleiche wahrscheinlichkeit haben zu zerfallen, egal wie "alt" sie bereits sind.

Kommentar von Usedefault ,

Zerfallen radioaktive Atome spontan? Oder unterliegt dieser Zerfall von Atomen auch irgendeiner Kausalität?

Kommentar von SlowPhil ,

Keiner erkennbaren.

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