Frage von Nobody04, 160

Was ist der Unterschied zwischen negativer Energie, negativer Materie und Antimaterie?

Gibt es das alles schon ?

Was ist der Unterschied zwischen den dreien ?

Und wird man das alles in der Zukunft mal in der Raumfahrt anwenden können, zum Beispiel als Antrieb für ein Raumschiff ?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von uteausmuenchen, Community-Experte für Physik, 61

Hallo Nobody04,

um kurz nach sieben scheint Deine Frage ja für reichlich Verwirrung zu sorgen...

;-)

Fange ich einmal mit der Antimaterie an, ja? Die ist ganz alltäglich.

Jedes Teilchen hat sein Antiteilchen. Wir sehen diese Antiteilchen bei nahezu allen Reaktionen, die bei Stößen in Teilchenbeschleunigern passieren. Anders könnten bei diesen Reaktionen die Erhaltungssätze gar nicht eingehalten werden. Ein Antiteilchen hat dieselben Eigenschaften wie das Teilchen, aber entgegengesetzte elektrische Ladung. Ein Antiteilchen ist also genau so schwer wie sein Teilchen, hat denselben Spin, ist aber entgegengesetzt geladen. Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons. Hier schön erklärt: http://www.drillingsraum.de/room-antimaterie/antimaterie.html

Kann man das nutzen als Antrieb? Ja, hypothetisch. Wenn ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft, zerstrahlen die beiden unter Freisetzung von sehr, sehr viel Energie (nach E=mc²). Annihilation nennt man das. Nachteile des Antimaterie-Triebwerkes liegen aber auf der Hand: Man muss die Antimaterie erst mal in Teilchenbeschleunigern herstellen (in der Natur kommt sie so nicht dauerhaft vor) und dabei die ganze Energie erst mal aufwenden. Und mit der Lagerung von Antimaterie ist das auch nicht so einfach - sie darf die Wände ja nicht berühren und muss im perfekten Vakuum gelagert werden, sonst geht die Annihilation los.

Dann: negative Energie gibt es beim sauberen Sprachgebrauch in der Physik nicht. Nur Esoteriker labern von "negativen Energien", die sich angeblich irgendwo anstauen und nur durch das von ihnen vertriebene Pulver/Gerät/Sonstnhumbug wieder vertrieben werden können.

Die Physk kennt Bindungsenergie zwischen aneinander gebundenen Teilchen. Und sie kennt den Begriff der "negativen Energiedichte". Und entsprechend dasselbe mit Materie: Materie mit negativer Energiedichte.

Materie mit negativer Energiedichte ist die rein hypothetische "exotische Materie". Sie ist eine mathematische Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen der ART, aber nicht beobachtet und sehr wahrscheinlich eben nur eine theoretische Möglichkeit, die aber in unserem Universum nicht existiert.

Exotische Materie ist eine Möglichkeit, den "Alcubierre-Drive" zu bauen, eine theoretisch durchrechenbare Art "Warp-Drive". Allerdings zeigen die Rechnungen, dass damit wirklich unhandliche Größen der Triebwerke/des Raumschiffes nötog wären.

Und weil hier gleich mehrmals etwas dazu geschrieben wurde, obwohl Du gar nicht danach gefragt hast:

Anders als hier geschrieben, sind Dunkle Materie und Dunkle Energie nicht dasselbe und haben auch über E=mc² nix miteinander zu tun. Das sind zwei völlig verschiedene Dinge.

Dunkle Materie ist eine (noch nicht direkt nachgewiesene) Materieform, die Schwerkraft ausübt, mit Licht (elektromagnetischen Wellen) aber nicht wechselwirkt. Wir beobachten Hinweise auf DM an vielen Stellen im All; z.B. in der zu hohen Eigenrotation der Galaxien, in der Hintergrundstrahlung, im Bulletcluster... Sehr wahrscheinlich besteht ein großer Teil der DM aus noch nicht nachgewiesenen Elementarteilchen; als mögliche Kandidaten werden das Graviton oder supersymmetrische Partnerteilchen gehandelt - aber wie gesagt: Wenn man auch weiß, dass es die DM gibt, was sie genau ist, ist noch nicht klar.

Die Dunkle Energie ist ein reiner Arbeitstitel für etwas, von dem wir nicht wissen, was es ist. Wir messen, dass sich die Expansionsgeschwindigkeit des Universums beschleunigt. Die für diese Beschleunigiung treibende Ursache nennen wir mal "Dunkle Energie". Im Moment ist wirklich völlig unklar, worum es sich dabei handelt.

Aber nach beiden hattest Du ja gar nicht gefragt... ;-)

Grüße

Kommentar von grtgrt ,

Negative Energie gibt es beim sauberen Sprachgebrauch in der Physik nicht. 

Eine Ausnahme war mal das gedankliche Bild der sog. Dirac Seahttps://de.wikipedia.org/wiki/Dirac-See ).

Nur wer dieses Veranschaulichung noch im Kopf hat, denkt, dass Antimaterie aus "negativer" Energie bestünde.

Kommentar von grtgrt ,

Später hat die Feynman-Stückelberg-Interpretation ( siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Feynman-St%C3%BCckelberg-Interpretation ) das Bild der Dirac Sea durch eine andere Deutung ersetzt.

Kommentar von SlowPhil ,

Auch, wer weiß, dass die Frequenz eines Klein-Gordon-Feldes negativ sein kann. Dass der Erwartungswert der Energie trotzdem positiv ist, bekommt man aber spätestens heraus, wenn man die Lagrangedichte ausrechnet.

(Walter Greiner: Theoretische Physik, Band 6, Relativistische Quantenmechanik, Kapitel: Der Energie-Impuls-Tensor des Klein-Gordon-Feldes, Seite 20)

Kommentar von SlowPhil ,

Wir beobachten Hinweise auf DM an vielen Stellen im All;…

  1. …an anderen jedoch ausschließlich Hinweise auf €, der für das Auseinandertreiben der Galaxien verantwortlich gemacht wird.
  2. …in wieder anderen Bereichen gibt es eher welche auf ROSSMANN. 

;)))))

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Mathematik & Physik, 53

»Negative Materie« ist kein mir bekannter Terminus der Physik. Man könnte Antimaterie darunter verstehen, weil die offensichtlich Erhaltungssätzen unterliegen Teilchenzahlen (Leptonenzahl, Baryonenzahl) negativ sind.

Leptonen sind beispielsweise Elektronen, Myonen und Tauonen. Ihre Ladung ist –e, ihre Leptonenzahl aber ist natürlich +1. Ihre Antiteilchen sind Positronen, Antimyonen und Antitauonen mit einer Ladung +e und einer Leptonenzahl –1. Das Neutrino und das Antineutrino mit der Ladung 0 sind allerdings ebenfalls Lepton und Antilepton mit den entsprechenden Leptonenzahlen.

Baryonen sind beispielsweise Protonen und Neutronen. Da sie aus Quarks bestehen, ist die Baryonenzahl, die beim Proton (Ladung +e) wie beim Neutron (Ladung 0) +1 ist, vermutlich auf eine »elementarere« Quark-Zahl zurückzuführen, aber effektiv kann man von der Baryonenzahl reden, und sie ist auch erhalten.

Das Photon ist sein eigenes Antiteilchen, es gibt keine erhaltene und überhaupt nur in bestimmten Situationen überhaupt eine scharf bestimmte Teilchenzahl.

---

Negative Energie tritt z.B. als potentielle Energie bei anziehenden Kräften auf. Die potentielle Energie eines Körpers der Masse m im G-Feld eines Körpers der Masse M ist

(1) E_{pot} = –G·m·M/r.

Das bedeutet, dass es diese Energie braucht, um die Körper beliebig voneinander zu entfernen. Auch seine Gesamtenergie - abzüglich der Ruheenergie E₀=mc² - ist in einem gebundenen Zustand negativ, nämlich z.B. bei einer Kreisbahn

(2) E = E_{tot} – E₀ = E_{kin} + E_{pot} = –½·G·m·M/r,

während Bahnen mit

E = E_{tot} – E₀ ≥ 0

offen sind (Parabeln im Falle der Gleichheit, sonst Hyperbeln) und zu beliebig großen r führen.

Eine vergleichbare Situation herrscht in einem Atom. Bei einem an einen Atomkern gebundenen Elektron ist |E| gerade die Ionisierungsenergie des betreffenden Atoms.

---

Das sind die Anwendungen dieses Begriffes, von denen ich einen klaren Begriff habe und die ich mathematisch-physikalisch rechnen kann. Ansonsten habe ich von negativer Energie im Zusammenhang mit Warp-Blasen oder Wurmlöchern auftreten, was aber einstweilen mehr Mathematik als experimentell betreibbare Physik bleibt.

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Wiederum etwas anderes sind Dunkle Materie und Dunkle Energie, die anscheinend nur in kosmisch relativ großen Maßstäben auftreten. Das Wort »Dunkel« heißt in diesem Zusammenhang, dass man sie nicht sehen kann, weil keine der beiden elektromagnetisch interagiert, aber auch, dass man so gut wie nichts über sie weiß. Nur ihre mutmaßliche Wirkung ist offensichtlich:

Die Dunkle Materie wird dafür verantwortlich gemacht, dass Galaxien nicht auseinander fliegen, obwohl sie insbesondere in den Randbereichen schneller rotieren, als dass die sichtbare Materie der Galaxien sie festhalten könnte.

Die Dunkle Energie wird für die beschleunigte Expansion des Kosmos verantwortlich gemacht.

Kommentar von Meisterpepepo ,

Ist die sog. Dunkle Materie neben dem Zusammenhalt einer Galaxy nicht auch für die Anziehung zw. Galaxien verantwortlich?

Kommentar von SlowPhil ,

Mitverantwortlich. Die Gravitation unterscheidet nicht dazwischen, ob sie von sichtbarer oder unsichtbarer Materie herrührt.

Ja, auch für die Anziehung zwischen den Galaxien wird sie mit/hauptverantwortlich gemacht, aber der »dringendste« Grund für die Annahme ihrer Existenz war die »zu große« Rotationsgeschwindigkeit im Randbereich von Spiralgalaxien, gemessen an der berechneten Masse der Sterne.

Kommentar von Nobody04 ,

Hallo danke, für die vielen Antworten, ich habe die Sendung sci fi Science gesehen und da wurde gesagt, dass man mit Hilfe von negativer Energie ( die man in kleinen Mengen sogar jetzt schon auf der Erde herstellen kann) ein Raumschiff antreiben könnte. https://m.youtube.com/watch?v=HFQUjJ1-Vs8

Antimaterie müsste theoretisch auch als Brennstoff für ein Raumschiff dienen können, wenn man sie hinter dem Raumschiff kontrolliert immer mit Materie zusammenführt.

Und in einer anderen Sci Fi Science Sendung habe ich noch was zur negativen Materie gesehen.

Laut Michio Kaku, dem Moderator der Sendung, sollte es möglich sein mit einem Raumschiff in ein schwarzes Loch zu fliegen. Es gibt da nur ein Problem, das er Spaghettisierung nennt: Das Raumschiff wird zu einem Punkt zerdrückt bzw. unendlich in die Länge gezogen. Deshalb nähert man sich dem schwarzen Loch von oben, wo sein Gravitationsring nicht so stark ist. Dort ist es ganz ruhig, wie im Auge eines Wirbelsturms, so dass wir bis zur Öffnung des „Wurmlochs“ vordringen können. Aber so ein Wurmloch ist sehr instabil, man muss es offen halten. Dazu braucht man die seltenste Substanz des Universums: "negative Materie". Die gibt es in Form von negativen Asteroiden am Rand des Universums. Wir schicken also ein paar Drohnen zum Rand des Universums, um sie einzusammeln. Weil negative Materie Antigravitation erzeugt, kann man das Wurmloch stabil halten und hinein fliegen. 

Antwort
von Astroknoedel2, 26

Hallo Nobody04,

also von negativer Materie und negativer Energie als solche habe ich noch nie gehört, tut mir Leid. Das einzige, was ich mir darunter vorstellen könnte, wäre negative Gravitationsenergie in der inflationären Phase.

Es gibt selbstverständlich negative Energiedichten  in theoretischen Modellen oder negativen Druck (bei der Vakuumenergie zum Beispiel).  So ganz klar umrissen sind die Begriffe aber nicht, die gibt es in der Form auch nicht (also negative Energie und Materie).

Um das Konzept der Antimaterie zu erläutern, müssen wir erstmal das Konzept der Antiteilchen anreißen.

Nun, wie du weißt, ein Atom besteht aus zwei wesentlichen Bestandteilen, die wir uns angucken wollen: Elektronen und Quarks.   Im Kern sind jeweils zwei Quarkpaare mit je 3 Quarks.

Ein solches Paket heißt Nukleon und wird Proton oder Neutron genannt. Ein Proton besteht aus einem Down-Quark und zwei Up-Quarks, ein Neutron aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark (das Down- und Up- steht für den jeweiligen Isospin, ein mühseliges Konzept, was ich nicht näher erläutern werde, stelle es dir einfach als so eine Art Spin vor).

Nun, als die Teilchenphysik jung war, hatte man die Ideen, eine bestimme Symmetrieoperation auf Teilchen anzuwenden und zu gucken was passiert. Eine dieser Transformationen hieß CPT-Transformation. Ich will nicht lange drum herum reden, man hat entdeckt, dass Teilchen unter dieser Symmetrie invariant sein müssen und wenn man dann diese Symmetrie durchführte, erhielt man nebenher noch eine neue Art von Teilchen, das Antiteilchen.

Also zum Mitschreiben: Ein Antiteilchen ist ein Teilchen, was entsteht, wenn man eine CPT-Transformation an einem Teilchen durchführt. Diese Transformation wechselt auch die Ladung, also haben Antiteilchen die entgegengesetzte Ladung.

Beim Elekton ist es das Positron.

Quark - Anti-Quark

Meson - Anti-Meson

Photon - Photon (man kann auch sein eigenes Antiteilchen sein)

So. Was ist jetzt AntiMATERIE ?

Wenn wir uns die Quark-Struktur unseres Atomkerns angucken, tauschen wir die Quarks einfach mit ihren Antiteilchen aus.

Aus  Down, Up, Up    wird    Anti-Down, Anti-Up, Anti-Up und ein Antiproton

Aus Up, Down, Down wird Anti-Up, Anti-Down, Anti-Down und ein Antineutron.

Aus dem Elektron wird ein Positron , damit haben wir ein Atom aus Antieilchen, ein Anti-Atom. Materie, die aus diesen Anti-Atomen besteht, heißt also ANTIMATERIE.  Puh.

Zu deinen anderen Fragen: Was heißt denn bitte, ob es das gibt ? Die Antiteilchen gibt es, jedoch muss man die Materie daraus selber konstruieren, was noch nicht so gut gelingt. Nutzbar wäre es vielleicht in einer Star Trek Warp-Vision, wo auch Antimaterie zum Antrieb gebraucht wird. In einer realistischeren Vision wird exotische Materie gebraucht.

WAS IST DAS JETZT AUF EINMAL ?

Keine Sorge, das ist nur ein Überbegriff für alle Arten von materie, die nicht "normal" sind, also nicht aus Elektronen, Protonen, usw. bestehen, jedoch keine Antimaterie.

LG, Astroknoedel

Kommentar von ThomasJNewton ,

Das sind dann parabelloide suinaide Paar-Längen.

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Bitte was ?

Kommentar von SlowPhil ,

…also von … und negativer Energie als solche habe ich noch nie gehört…

Auch nicht im Zusammenhang mit Psychologie und Esoterik? Nun, die gehen mit dem Wort »Energie« ziemlich schlampig um und mit dem Wort »negativ« ebenso, nämlich im Sinne von »schlecht«.

Dabei bedeutet »negativ« nicht einmal im Alltag immer »schlecht«, etwa ist ein negatives Ergebnis bei einem Doping- oder HIV-Test eine durchaus positive Nachricht.

In der Physik heißt »negativ« einfach »kleiner als Null«.

---

Allerdings gibt es auch in der Physik negative Energie, etwa als potentielle Energie eines Körpers in einem anziehenden Kraftfeld. Ich erwähnte die Gravitationsenergie

E_{pot} = –G·M·m/r.

Mindestens hier ist negative Energie etwas ausgesprochen Manifestes.

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Ja, habe ich ja auch gesagt.

Kommentar von BatmanZer ,

Ich glaube mit negativer Materie meinte er Materie mit negativer Energiedichte und Materie, die nicht aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht. Das dürfte er aus Star Trek haben, die reden in einer Folge davon. Allerdings ist das ganze nur hypothetisch und wird im Film zur Erschaffung von Wurmlöchern genutzt. Der Sammelbegriff dafür ist Exotische Materie.

Antwort
von Meisterpepepo, 58

es gibt negativ geladene Teilchen, also quasi "negative Materie", zB Elektronen. Äquivalent dazu wären die sog. Positronen (Antimaterie), dies sind positiv geladene Elektronen!

Dunkle Energie oder dunkle Materie soll sich zwischen Galaxien befinden und würde somit eine Erklärung für die Gravitation geben, die zw. Galaxien herrscht, da, würde es sie nicht geben, Galaxien sich nicht anziehen könnten, da die Massen, der Sterne und Planeten, die man sehen kann, zu gering wäre.

Dunkle Energie, in diesem Sinne die sog. dunkle Materie wird auch WIMP-Teilchen genannt und ist bis dato eine notwendige oder interessante Hypothese, die noch zu beweisen gilt. Dh, man sucht noch nach den sog. WIMP-Teilchen (ich glaube, dies heißt Weakly Interacting Materie Particle), iwie so :D ..bin noch müde ;) )

Und scheiße, ja! Natürlich wird man dieses Wissen in der Raumfahrt anwenden - Anwendungsgebiet kann man sich dazu dichten. Aber wer weiß. Wird die Gravitation besser erforscht werden, dann können wir vllt mal mit WOP-Antrieb per c-Geschwindigkeit rumflitzen :D

Stell' solche Fragen deinen Lehrern; die sind genial! ;)

Viel spaß noch

Kommentar von Meisterpepepo ,

ach ja, natürlich rechnest du auch hie u da mal mit negativer Energie, aber eher, weil es sich dabei um einen notwendigen Rechenschritt (zB in einer Gleichung) handelt.

Kommentar von uteausmuenchen ,

Fast richtig, nur Dunkle Energie und Dunkle Materie haben außer dem Namen nichts gemeinsam; es handelt sich um völlig verschiedene Dinge.

Der Warp-Antrieb hat mit beiden aber auch nichts zu tun...

Kommentar von Meisterpepepo ,

Wirklich sehr schön von dir 'oben' erklärt :)

Jedoch möchte ich ergänzen, dass ich "geschrieben" und in diesem Sinne auch gemeint habe^^, dass der Warp-Antrieb (WOP-Antrieb :D ..ich stand wirklich eben erst auf), durch "weitere" Forschung im Bereich der Gravitation nicht utopisch wäre, sondern denkbarer als der Weltfrieden.

Ob ein denk-/ undenkbarer Warp-Antrieb durch Dunkle Materie oder Dunkle Energie jemals zustande kommen wird, könnten wir doch auch nicht ausschließen, oder?

Eine weitere Frage an dieser Stelle:

Durchläuft die sog. Dunkle Energie nicht Bereiche, wo sich Dunkle Materie befindet? Ich meine, kann man sagen, dass sie nicht miteinander interagieren?

Danke schon mal im Voraus für dein fachspezifisches Wissen, das du nicht für dich alleine behalten willst. ;)

Antwort
von soissesPDF, 67

Nö, jibbets nicht.
Dunkle Energie und Dunkle Materie sind Hypothesen, sie interagieren mit nichts.
Antimatarie gibt es theoretisch, bissl mehr wie eine Hypothese.
Wollte man einen Antrieb damit ausrüsten wäre die Menge Energie zu ihrer Beherrschung = der Menge der Antimaterie und ebenso unsinnig.

Kommentar von uteausmuenchen ,

Sorry, wenn ich widersprechen muss:

Dunkle Energie und Dunkle Materie sind Hypothesen, sie interagieren mit nichts.

DM interagiert über ihre Schwerkraft, sie wechselwirkt nur nicht mit elektromagnetischer Strahlung. (Aber streng genommen war nach beiden nicht gefragt.)

Antimatarie gibt es theoretisch, bissl mehr wie eine Hypothese.

Antimaterie ist erheblich mehr wie eine Hypothese, sie entsteht bei jeder Teilchenreaktion. Wir beobachten sie zuhauf.

Kommentar von grtgrt ,

Mehr noch: Jedes Meson besteht zum Teil auch aus Antimaterie.

http://greiterweb.de/spw/Mesonen-mischen-Materie-mit-Antimaterie.htm

Kommentar von Astroknoedel2 ,

Leider stimmt da einiges nicht. Nur weil sich ein Photon in ein (virtuelles) Elektron-Positron-Paar aufteilen kann, heißt es nicht, dass es vorher auch aus welchen bestanden hat.

Antwort
von ThomasJNewton, 12

Gibt es das alles schon?

Es wird nicht dadurch wahrscheinlicher, dass du daran glaubt, oder mal davon gehört hast.

Antwort
von tomaartomaar, 34

Antimaterie ist nichts seltenes dessen Existenz ist belegbar.
Dunkle Energie/Materie ist weder sichtbar noch messbar, dessen Existenz ist nicht zu 100% belegt.

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