Eine Frage zur Gravitation

BaldFriede · Anmeldungsdatum: 23.11.2011 Beiträge: 5

Meine Frage:
Ich habe mich immer sehr für Physik interessiert und das Fach sogar einige Zeit lang studiert; dass ich letztendlich zur Informatik wecheselte hatte nichts mit Verständnisproblemen zu tun. Ich habe eine Frage, zu der ich nirgendwo eine Antwort finde; vielleicht kann mir jemand behilflich sein.

Es geht um die Gravitation. Bekanntlich krümmt Masse ja den Raum. Was mich aber wundert ist, dass niemand fragt: In welche Richtung? Ist der Unteschied zwischen Materie und Antimaterie einfach nur der, in welcher Richtung sie den Raum krümmen? Und ist es experimentell nachgewisen, dass zwischen Materie und Antimaterie eine anziehende Kraft wirkt?

Meine Ideen:
Dies hat nichts mit mangelndem Verständnis für die vierte Dimension zu tun; ich will versuchen, mein Problem durch Reduzierung um eine Dimension verständlich zu machen.

Nehmen wir ein Blatt Papier, dass einen zweidimensionalen Raum symbolisieren soll; es liege parallel zum Fußboden. Wir können nun dieses Blatt Papier in die dritte Dimension krümmen, aber wir können es in zwei Richtungen tun: Nach oben und nach unten.

Entsprechend ist es auch mit der dritten Dimension: Man kann den dreidimensionalen Raum in zwei Richtungen in die vierte Dimension krümmen. In Ermangelung von Worten nenne ich diese beiden Richtungen mal "uben" und "onten". In welche Richtung krümmt aber Masse den Raum, nach uben oder nach onten?

Diese Überlegungen brachten mich dazu anzunehmen, dass der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie einfach der ist, in welche Richtung sie den Raum krümmen. Und dann trieb ich das Spiel etwas weiter: Vielleicht ist es ja falsch ausgedrückt, dass Masse den Raum krümmt? Vielleicht IST Masse einfach nur gekrümmter Raum? Der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie wäre dann einfach der, in welcher Richtung der Raum jeweils gekrümmt ist.

Damn überlegte ich mir, wie man in diesem Zusammenhang die Gravitation erklären könnte. Dies war zunächst recht einfach. Wenn man postuliert, dass dem Raum ein natürliches Beharrungsvermögen für den ungekrümmten Zustand innewohnt, so ergibt sich die Massenanziehung von selbst, die Krümmung wird geringer, wenn sich zwei Teilchen einander annähern, und so würden sie durch das inhärente Beharrungsvermögen des Raums angezogen

Die Schwierigkeit tauchte jedoch auf, wenn ich das Verhalten zwischen Materie und Antimaterie betrachtete Unmittelbar einzusehen war, dass ein Teilchen und sein Antiteilchen einander annullieren; die Krümmungen heben einander auf, und die Energie, die zum Krümmen des Raums nötig war, wird frei. Jedoch sollte man nach diesem Modell erwarten, dass zwischen Materie und Antimaterie eine abstoßende Kraft besteht, da die Raumkrümmung zwischen einem aus Materie bestehendenden und einem aus Antimaterie bestehenden Körper um so geringer wäre, je weiter sie voneinander entfernt wären.

Die Gravitation jedoch hat nach der Relativitätstheorie eine ausschließlich anziehende Wirkung. Das unterscheidet sie grundsätzlich von den anderen drei Elementarkräften, Insofern wäre das Modell also unrichtig. Was mich zur eigentlichen Frage bringt:

Ist es experimentell nachgewiesen, dass zwischen Materie und Antimaterie eine anziehende gravitationelle Kraft wirkt? Die Antiteilchen, die in Teilchenbeschleunigern hergestellt werden, sind allesamt extrem kurzlebig, ihre Geschwindigkeiten hoch und die von ihnen zurückgelegten Strecken außerordentlich kurz. so dass der Effekt der Gravitation kaum messbar sein dürfte. Und die in Teilchenbechleunigern erzeugten elektromagnetischen Kräfte, die ein Teilchen auf der Bahn halten, sind so hoch, dass der Gravitationseffekt kaum eine Rolle spielt. Deshalb bin ich mir keineswegs sicher, ob das gravitationelle Verhalten von Antiteilchen tatsächlich jemals beoabachtet wurde.

Nebenbei bemerkt würde eine abstoßende Kraft zwischen Materie und Antimaterie auch die fortschreitende Rxpansion des Universums erklären. Ob eine Galaxie aus Materie oder Antimaterie besteht ist für uns auf der Erde nicht entscheidbar; Materie und Antimaterie verhalten sich ja bis auf eine kleine Anomalie beim schwachen radioaktiven Zerfall physikalisch äquivalent. Gäbe es aber eine abstoßende Kraft zwischen Materie und Antimaterie, so könnte das Weltall aus "Inseln" von Materie und Antimaterie bestehen, wobei innerhalb der "Inseln" jeweils eine anziehende Gravitation wirkt, aber zwischen den "Inseln", wenn sie aus gegenteiliger Materie bestehen, eine abstoßende. Dies würde nun zur Expansion des Universums führen.

Uriezzo · Anmeldungsdatum: 15.09.2011 Beiträge: 281 Wohnort: Großostheim

Zum einen, um gleich mal ein paar Irrtümer auszuräumen, bevor sich diese festsetzen:

Nicht Masse krümmt den Raum, sondern Energie, im speziellen der Energie-Impulstensor, der auf der rechten Seite der Einsteinschen Feldgleichungen auftaucht. Natürlich hat Masse auch Energie, aber nicht zwangsläufig umgekehrt. Dieser Unterschied ist wichtig.

Zum anderen wird nicht der Raum gekrümmt, sondern die Raumzeit.

Zum dritten, mag ich persönlich die Aussage nicht "krümmt die Raumzeit". Diese Aussage impliziert nämlich, dass es so etwas wie eine ungekrümmte Minkowskiraumzeit im Hintergrund gibt, die sich erst dann krümmt, wenn irgendeine Form von Energie hineingelangt. Das ist so nicht richtig. Nichts in der ART weist auf so eine ungekrümmte Hintergrundraumzeit hin. Habe ich keine Energie, macht auch der Begriff Raumzeit keine Sinn.

Nun zu Deiner Frage:
Antimaterie bedeutet nicht "negative" Energie. Die Energie (oder die Masse, wenn sie welche haben) ist für Teilchen und Antiteilchen positiv. Teilchen und Antiteilchen ziehen sich genauso an, wie sich zwei Teilchen normaler Materie anziehen würden.
Der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie macht sich insbesondere in ihrer Ladung bemerkbar. Antiteilchen haben gleiche Masse, gleichen Spin wie ihre Teilchen, sind aber entgegengesetzt geladen. So ist das Positron positiv geladen im Vergleich zum negativen Elektron und das Antiproton ist negativ geladen.
Teilchen und Antiteilchen können sich gegenseitig "vernichten". Die Energie geht dabei nicht verloren, sondern taucht in Form von Gamma Quanten (also sehr hochfrequentes Licht) wieder auf. Dieses "Vernichten" ist in der QED als Prozess gar nichts so besonderes: Es läuft ganz analog ab zur Streuung eines Photons an einem Elektron.

BaldFriede · Anmeldungsdatum: 23.11.2011 Beiträge: 5

Diese Irrtümer kommen in meiner Fragestellung gar nichtt vor. Von negativer Energie war nie die Rede, und dass es sich um Raumzeit handelt weiß ich selbst.

Die entscheidende Frage ist: In welche Richtung erfolgt die Krümmung? Wer nicht erkennt, dass das von entscheidender Bedeutung ist, hat etwas Wwesentliches über höhere Dimensionen nicht verstanden (ich bin nicht nur Informatikerin, sojndern auch Mathematikerin). Es gibt zwei Möglichkeiten, wie diese Krümmung erfolgen könnte; ich habe versucht, dies durch Reduktion um eine Dimension zu veranschaulichen.
Allein wegen dieser zwei verschiedenen Krümmungsmöglichkeiten habe ich postuliert, dass Materie die Raumzeit in der einen Richtung, Antimaterie aber in der andern Richtung krümmt. Das hat aber mit postiven oder negativen Energien überhaupt nichts zu tun

Uriezzo · Anmeldungsdatum: 15.09.2011 Beiträge: 281 Wohnort: Großostheim

Dann ist die Antwort:
Nein, es gibt keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie bezüglich des Krümmungstensors, der ihr Gravitationsfeld beschreibt. Sie krümmen den Raum also nicht "in unterschiedliche Richtungen".

BaldFriede · Anmeldungsdatum: 23.11.2011 Beiträge: 5

Lol, das beantwortet immer noch nicht meine Frage. Ein n-dimensionales Kontinuum kann auf ZWEI verschiedene Weisen in ein n+1-dimensionales Kontinuum hineingekrümmt sein. Aber darüber macht sich in der Physik anscheinend niemand Gedanken. Dabei kann das keinswegs gleichgültig sein. Ich würde es doch für sehr merkwürrdig halten, wenn die Krümmung immer nur in einer Richtung erfplgen sollte. Und wenn es so wäre, warum?

Uriezzo · Anmeldungsdatum: 15.09.2011 Beiträge: 281 Wohnort: Großostheim

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18193

BaldFriede · Anmeldungsdatum: 23.11.2011 Beiträge: 5

Oh je, was bin ich missverstanden worden! Aber ich bin es selbst schuld, denn ich hatte es schlecht formuliert. Hier eine bessere Formulierung:

Es hat mich seit Jahren gestört, dass man immer nur liest: "Energie krümmt die Raumzeti", aber nie darauf eingegangen wird in welcher Richtung eingentlich. Damit meine ich nicht, dass ich mir keine solche Richtung vorstellen kann, ganz im Gegenteil. Es gibt aber zwei diametral entgegengesetzte Richtungen, in denen die Raumzeit gekrümmt werden kann. Lassen sie mich das verdeutlichen:

Eine eindimensionale gerade Linie kann in zwei verschiedene Richtungen gekrümmt werden, die diametral entgegengesetzt sind - nach links und nach rechts. Eine Ebene kann in zwei diametral entgegengesetzte Richtungen gekrümmt werden, nach oben und nach unten. Genauso ist das auch mit der Raumzeit möglich, nur wird darauf nicht eingegangen.. (Anmerkung: Es ist mir klar, dass es sich bei der Raumzeit um eine Riemannsche Mannigfaltigkeit handelt, aber die unterschiedlichen Krümmungsrichtungen gibt es auch bei Riemannschen Mannigfaltigkeiten).

Dann habe ich mir mal näher angesehen, was denn diese zwei unterschiedlichen Richtungen bedeuten. Zunächt habe ich mir zwei Entitäten angesehen, bei denen die Raumzeit in die gleiche Richtung gekrümmt ist. Dabei zeigt sich, dass das Energieniveau sich verringert, wenn diese beiden Entitäten sich aneinander annähern. Das ist das normale Ergebnis, das wir von Gravitation erwarten.

Wie sieht es aber aus, wenn wir zwei Entitäten betrachten, bei denen die Raumzeit in unterschiedliche Richtungen gekrümmt ist? Zunächst einmal fällt auf, dass sich die Krümmungen ganz oder teilweise aufheben sollten, wenn sich diese Entitäten begegnen; ganz dann, wenn die Krümmungen von gleicher Größe sind. Dabei müsste aber Energie in Form von Photonen freiwerden, Dies ist aber genau das Verhalten, das wir beobachten, wenn ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft: Ist also der Unterschied zwischen einem Teilchen und einem Antiteilchen schlichtweg der, in welcher Ricchtung die Raumzeit gekrümmt ist? Dies stelte ich zunächst mal als Postulat auf.

Allerdings stellte ich noch etwas fest, und das war eine Überraschung. Das Energieniveau zwischen zwei Entitäten, bei denen die Raumzeit in verschiedene Richtungen gekrümmt ist, verringert sich, wenn sie sich voneinander entfernen. Es sollte also eine Abstoßung zwischen ihnen stattfinden, und da die Annäherung zweier in gleicher Richtung gekrümmter Entitäten so schön der Gravitation entspricht, so könnte man sagen, dass zwischen diesen in unterschiedliche Richtungen gekrümmten Entitäten eine abstoßende Gravitation herrscht. Das aber widerspricht jeglicher Lehrmeinung!

Es hat mich nun zunächst interessiert, wie es um die Messbarkeit eines solchen Effektes bestellt wäre und ob es nicht irgendein Experiment oder eine praktische Anwendung gibt, die solch einen Effekt beweist oder widerlegt. Ich fand jedoch schnell heraus, dass der Effekt unterhalb der Messbarkeitsgrenze liegt. Bei praktischen Anwendungen fielen mir Teilchenbeschluniger ein; jedoch sind die bei solchen Beschleunigern auftretenden elektromagnetischen Kräfte um so viele Zehnerpotenzen stärker als die Gravitation, dass diese vernachlässigbar wird. Mir ist also nichts bekannt, das diesen Effekt bestätigen oder widerlegen würde.

Ich machte mir auch ein paar Gedanken über kosmologische Auswirkungen. Eine der ungelösten Fragen der Physik ist ja, warum es so viel mehr Materie als Antimterie gibt; man sollte ja eigentlich erwarten, dass beide etwa gleich häufig wären. Nun ist aber Materie zunächst einmal nicht unmittelbar von Antimaterie unterscheidbar; die Spektren eines Kohlenstoffatoms und eines Antikohlenstoffatoms sind gleich.

Was aber würden wir erwarten, wenn dieser von mir postulierte Effekt tatsächlich auftritt? Es würden sich im Laufe der Zeit Wolken aus Materie und Wolken aus Antimaterie bilden. Innerhalb dieser Wolken würde jeweils eine gravitationelle Anziehung herrschen, zwischen diesen Wolken jedoch eine Abtoßung. Der Effekt wäre, dass das Universum sich ausdehnt, ganz ohne Big Bang! Vielleicht ist also die Antwort auf die Frage, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt, schlichtweg dass das gar nicht so ist.

Die Galasien der lokalen Gruppe, also unser Milchstraßensystem, der Andromedanebel und die kleine und große Magellansche Wolke, würden nach meinen Überlegungen aus Materie bestehen. Es gibt aber andere Galaxienansammlungen, die sich von unserer lokalen Gruppe entfernen. Vielleicht bestehen diese anderen Galaxienansammlungen ja aus Antimaterie?

DrStupid · Anmeldungsdatum: 07.10.2009 Beiträge: 5063

BaldFriede · Anmeldungsdatum: 23.11.2011 Beiträge: 5

Pro Raumdimension kommen zwei diametrale Krümmungsrichtungen hinzu; es kam mir aber nur auf zwei dieser Krümmungsrichtunngen an, denn die anderen sind ja schon in den niedereren Raumdimensiionen enthalten.

Mag sein, dass die Einsteinschen Feldgleichungen darauf eingehen; ich bin wie gesagt kein Physiker. Aber ich bin Mathematiker, und ich sehe, dass zwei gegensätzliche Krümmungen sich aufheben. Und darüber mache ich mir Gedanken. Und diese Gedanken habe ich hier dargelegt. Man braucht die Einsteinschen Feldgleichungen nicht, um zu sehen, dass sich zwei diametral entgegengesetzte Krümmungen gleicher Größe aufheben.

DrStupid · Anmeldungsdatum: 07.10.2009 Beiträge: 5063

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18193