Das Impuls- und Divergenzproblem  der Schwerkraft bei der Paarerzeugung
und die bipolare schwere Masse der Materie und Antimaterie
von
 Werner Traupe


Seit der Erzeugung von Antiwasserstoff im CERN, dem Europäischen Labor für Teilchenphysik, gibt es experimentell die Möglichkeit, die Schwerkrafteigenschaft von Antiwasserstoff zu erforschen. Aus theoretischen Überlegungen lässt sich ableiten, dass bei Gültigkeit des Impulssatzes die Antimaterie eine der Materie entgegengesetzte Schwerepolarität besitzen muss. Im Folgenden werden diese Überlegungen anhand der Paarerzeugung von Materie und Antimaterie dargelegt. Sollten die Untersuchungen im CERN die bipolare schwere Masse von Materie und Antimaterie bestätigen, hat dieses Ergebnis sicherlich einen großen Einfluss auf das kosmologische Weltbild und erfordert ein Überdenken der Urknalltheorie. Im Rahmen dieser Abhandlung wird eine Alternative zur Urknalltheorie vorgestellt.


Das Impulsproblem der Paarerzeugung

Die reale Existenz von Massen mit negativer Schwere lässt sich aus der Paarerzeugung ableiten, s. Abb.1. Hier ist die durch ein Gammaquant erzeugte Materie und Antimaterie (z. B. Elektron und Positron) mit entgegengesetzter Ladungspolarität q1 = - q2 und mit den schweren Massen m1 und m2 gegenüber einer schweren Masse M mit der elektrischen Ladung Q dargestellt:


Abb.1: Paarerzeugung zweier Teilchen aus Materie und Antimaterie mit den Ladungen q1 und q2 bzw. den schweren Massen  m1 und m2 und eine  schwere Masse M  mit der elektrischen Ladung Q


Das Schwerkraftfeld und das elektrische Feld von M bzw. Q seien bereits zu Beginn der Paarerzeugung am Ort der Paarerzeugung vorhanden.  Dann wirken seit Beginn der Paarerzeugung das elektrische Feld von Q auf die Ladungen q1 und q2 und auch das Schwerkraftfeld von M auf die schweren Massen m1 und m2 ein, ohne dass Q bzw. M im Zeitpunkt der Paarerzeugung eine Gegenkraft von den Ladungen q1 und q2 bzw. von den schweren Massen m1 und m2 erfährt, da die Felder des Teilchenpaares erst später bei M bzw. Q eintreffen. Der Impulssatz fordert nun aber, dass zu jedem Zeitpunkt die Kraft von M bzw. Q auf das Teilchenpaar entgegengesetzt gleich der Kraft des Massenpaares auf M bzw. Q ist (actio=reactio). Da die Gegenkraft des Teilchenpaares auf M bzw. Q zum Zeitpunkt der Paarerzeugung fehlt, muss die Gesamtkraft von M bzw. Q auf das Teilchenpaar von Materie und Antimaterie Null sein, d. h. es gilt wegen des Impulserhaltungssatzes für die an den Paaren angreifenden Kräfte:



Bei den elektrischen Ladungen ist wegen q1 = - q2 diese Bedingung erfüllt. Das gleiche muss auch für die schweren Massen m1 und m2 gelten, damit der Impulssatz seine Gültigkeit behält.  Es ist daher aus Gründen der Impulserhaltung unmöglich, dass Materie und Antimaterie bei der Paarerzeugung mit monopolarer Schwere entstehen. Denn in diesem Falle würde die vektorielle Summe der Schwerkräfte von M auf beide Massen nicht verschwinden und die dazugehörige Gegenkraft auf M fehlen.

Materie und Antimaterie müssen also in Hinblick auf die Schwerkraft unterschiedliche Polaritäten wie ihre elektrischen Ladungen besitzen, d. h. es muss analog zu den elektrischen Ladungen bei der Paarerzeugung für die schweren Massen gelten (Einheit der schweren Masse m = Einheit der elektrischen Ladung im cgs-Einheitensystem: dyn1/2.cm,  s. Homepage des Verfassers):


 
Daraus resultiert aber bereits die Schwerkrafteigenschaft der Antimaterie: Wenn normale Materie von normaler Materie gravitativ angezogen wird, muss folgerichtig Antimaterie von normaler Materie gravitativ abgestoßen werden, wie das Abbildung A4 zeigt, auf der per Definition normaler Materie eine positive und Antimaterie eine negative Schwerepolarität zugeordnet worden ist. Es gilt aber auch umgekehrt: Wenn Antimaterie von normaler Materie gravitativ abgestoßen wird, muss Antimaterie von Antimaterie gravitativ angezogen werden.

                                    
Abb. A4: Obere Zeile: Schwerkraftfelder von Materie (+) und Antimaterie (-) mit gleicher Masse. Untere Zeile zum Vergleich: Elektrische Felder von positiver und negativer Ladung gleicher absoluter Größe

Die in der Abbildung angegebenen Feldrichtungen sind identisch mit der Richtung der Kraft auf eine in das Feld eingebrachte positive Probeladung bzw. positive schwere Probemasse (Materie). Bei eingebrachten negativen Probeladungen bzw. negativen schweren Probemassen (Antimaterie) sind die Kraftrichtungen den eingezeichneten entgegengesetzt. Daraus folgt: Die Materie mit positiver Schwerepolarität und die Antimaterie  mit negativer Schwerepolarität (Fall a, Dipolfeld) stoßen sich gravitativ ab, während sich jeweils  Materie untereinander (Fall b) und Antimaterie untereinander (Fall c) gravitativ anziehen - im Gegensatz zum elektrischen Verhalten von positiver und negativer Ladung.




Das Divergenzproblem der Paarerzeugung

Bei der Annahme q1 = q2 und m1 = m2  würde man bei der Ausbreitung der Feldkräfte F von q1, q2 , m1 , m2 ein Divergenzproblem erhalten (s. Abb.2): Denn an der Front der Feldausbreitung müsste für die Kräfte F auf eine Probeladung q bzw. Probemasse m im Abstand r vom Ort der Paarerzeugung gelten: divF ungleich 0.

                                                                                                                               
                                                                             Abb.2: Ausbreitung eines monopolaren Kraftfeldes nach seiner Entstehung bei r=0

Derartige Feldanomalien sind jedoch unbekannt und stehen z. B. bei der Annahme q1 = q2 elektrodynamisch im Widerspruch zu der Maxwellschen Gleichung

  
           
(vgl.Gl. (B.15), s. Homepage des Verfassers ). Der Impulssatz der Elektrodynamik, der aus den Maxwellschen Gleichungen abgeleitet ist, würde also im Falle q1 = q2 seine Gültigkeit verlieren. Allein aus diesem Grund gilt bei der Paarerzeugung q1 = - q2 (oder: q1 + q2 = 0 : Erhaltungssatz der Ladung). D.h.: Der Prozess der Paarerzeugung ist immer mit der Ausbildung eines elektrischen Dipolfeldes verbunden, das sich bei der Trennung von positiver und negativer Ladung nach den Maxwellschen Gesetzen der Elektrodynamik unter Einhaltung der Bedingung div E = 0  in den Raum hinein fortpflanzt.


Aus all diesen Überlegungen muss gefolgert werden: Ein Zentralfeld wie das elektrische bzw. das gravitative der Teilchen kann nicht allein aus sich heraus entstehen. Dazu ist immer ein anderes Feld entgegengesetzter Polarität notwendig. Denn nur wenn bei der Paarerzeugung Kraftfelder als Dipolfelder entstehen, deren Dipolmoment bei der Trennung der Paare von Null aus anwächst, können bei der Paartrennung und der sich anschließenden Ausbreitung dynamischer Felder Feldanomalien und eine Verletzung des Impulssatzes vermieden werden.

Der inverse Prozess der Paarerzeugung, die Paarzerstrahlung von zwei Teilchen (Annihilation), ist daher analog zu obiger Überlegung nur dann möglich, wenn beide Teilchen zusammen elektrisch wie gravitativ ein Dipolfeld mit absolut gleicher Ladung bzw. absolut gleicher schwerer Masse bilden. Demnach können z.B. ein Proton und ein Elektron deswegen nicht annihilieren, da sie zwar zusammen absolut gleiche Ladungen mit entgegengesetzter Polarität aber keine absolut gleich schweren Massen mit entgegengesetzter Polarität besitzen.

Im Übrigen ist das Einsteinsche Äquivalenzprinzip der allgemeinen Relativitätstheoriedie unvereinbar mit der Schwerepolarität von Materie und Antimaterie – d.h. mit dem „Nachobenfallen“ von Materie in einer Antimateriewelt und von Antimaterie in einer Materiewelt. Die Anwendung der allgemeinen Relativitätstheorie auf kosmische Phänomene und kosmologische Modelle ist daher im Falle der Ungültigkeit des Äquivalenzprinzips problematisch.

Zusammenfassend gilt also:

Normale Materie besitzt eine zur Antimaterie entgegengesetzte Polarität der schweren Masse. Bei der Paarerzeugung entsteht immer Materie und Antimaterie mit exakt gleichviel positiver und negativer Ladung sowie exakt gleichviel positiver und negativer schwerer Masse.


Eine Konsequenz aus obiger Überlegung anhand der Paarerzeugung ist allgemein bei allen Teilchenprozessen der Erhaltungssatz der Schwere:

Summe der schweren Massen = const.
(z.B. Paarerzeugung bzw. -vernichtung:  m1+m2 = 0)                               

 

 

Die permanente Paarerzeugung des Kosmos ( "Permanente Schöpfung")

Dieser aus der Paarerzeugung herleitbare Erhaltungssatz der schweren Masse (analog: Erhaltungssatz der elektrischen Ladung) führt hier zu dem Schluss, dass Materie und Antimaterie im Kosmos in gleicher Menge vorhanden sein muss. Massen in Galaxiengruppen bzw. -haufen haben danach gleiche Schwerepolarität (Materie oder Antimaterie) und ziehen sich nach Abb. A4 gegenseitig an. Galaxiengruppen bzw. -haufen unterschiedlicher Schwerepolarität (Materie und Antimaterie) stoßen sich nach Abb. A4 ab, so dass sich zwischen ihnen Leerräume (Voids) bilden. Die Galaxien bzw. Galaxienhaufen entgegengesetzter Schwerepolarität streben deswegen auf Grund der Abstoßung auseinander (Galaxienflucht) und können daher nicht annihilieren. Man kann davon ausgehen, dass der nächste Glaxienhaufen mit Antimaterie auf Grund seiner Abstoßung von unserer normalen Materie sehr weit von uns entfernt ist, so dass wir von diesem Antimateriehaufen außer elektromagnetischer Strahlung praktisch nichts empfangen können. So werden zwar Antiteilchen  von den „Antiwelten“ als  kosmische Strahlung ausgesandt. Das Zusammentreffen mit der Erde ist aber auf dem Weg zur Erde wegen der großen Entfernung ihres Ursprungs, wegen der Annihilation mit normaler Materie, wegen der Wechselwirkung mit den Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlumg (inverser Compton-Effekt) und wegen der Abstoßung von unserer normalen Materie unwahrscheinlich. Das erklärt auch den negativen Ausgang der bisherigen Experimente mit dem Alpha-Magnet-Spektrometer, das in Erdnähe Antiatome aufspüren soll.

Die  träge Masse kann also entweder eine  positive oder negative schwere Masse besitzen. Für Astronomen ist demnach eine Unterscheidung von Materie und Antimaterie in Hinblick auf das Schwerkraftverhalten der Massen innerhalb eines Galaxienhaufens nicht möglich, da alle Massen innerhalb eines Galaxienhaufens wegen der gleichen Schwerepolarität den gleichen dynamischen Gesetzen der Himmelsmechanik unterliegen

Da nach den obigen Überlegungen die nach der Urknalltheorie entstandenen ausschließlich monopolaren schweren Massen gegen den Impulssatz verstoßen und auch bei der Entstehung der Materie des Kosmos der Impulssatz seine Gültigkeit besitzen sollte, ist die Urknalltheorie in seiner jetzigen Form korrekturbedürftig. Es muss wegen der Gültigkeit des Impulssatzes gefordert werden, dass Materie und Antimaterie in gleicher Menge und mit entgegengesetzter Polarität der schweren Masse entstanden sind. Da eine solche Entstehung in der Urknalltheorie zu einer sofortigen Vernichtung der Teilchenpaare hätte führen müssen, ist eine bipolare Entstehung nur denkbar:

a) mit extrem geringer Teilchenpaardichte, d. h. mit größerem Abstand der Erzeugungsorte der     Teilchenpaare in einem größeren Raumgebiet und

b) über einen längeren Zeitraum  ( Permanente Paarerzeugung = "Permanente Schöpfung")

Die extrem geringe Teilchenpaardichte ist notwendig, damit sich die entstandenen Teilchenpaare nicht sofort wieder durch Annihilation vernichten. Der längere Zeitraum bei der Entstehung ist wegen der enormen Gesamtmasse des Kosmos erforderlich.

Über die spontane  Entstehung der bipolaren schweren Masse des Kosmos (Materie und Antimaterie) nach dieser Überlegung sind im Einzelnen folgende Abläufe denkbar, wenn man sich der Einfachheit halber auf die Entstehung des leichten Wasserstoffs beschränkt:  

Nach der spontanen Paarerzeugung von Protonen und Antiprotonen bzw. Elektronen und Positronen mit positiver bzw. negativer schwerer Masse aus dem Vakuum bzw. „Nichts“ entsteht ein Wasserstoff - Antiwasserstoff - Plasma ("Urplasma") von extrem geringer Dichte. In diesem Plasma  können folgende Beschleunigungen durch elektrische Kräfte beobachtet werden:

Die Beschleunigung der Elektronen und Positronen ist wegen ihrer geringen Masse am größten. Schwerkräfte im Vergleich zu den elektrischen Kräften sind in dieser Phase vernachlässigbar. Durch die im Plasma stattfindende Vereinigung („Rekombination“) der elektrisch geladenen

Nach der Vereinigung zu elektrisch neutralem schwerepositiven Wasserstoff bzw. zu schwerenegativen Antiwasserstoff tritt nun die wesentlich schwächere Schwerkraft in Aktion. Sie führt zu Mini-Clustern gleicher Schwerepolarität, die im Laufe der Zeit an Größe zunehmen und sich bis zu Galaxiengröße entwickeln können. Parallel zur Clusterbildung setzt eine Abstoßung von schwerepositiven und schwerenegativen Clustern  (Materie und Antimaterie) ein,  an deren Ende die Anordnung von Materiewolken, Galaxien und Galaxienhaufen am Rand von Leerräumen steht (s. oben).

Denkbar ist, dass die 511 keV - Annihilationsstrahlung  von Elektronen und Positronen der permanenten Schöpfung mit der beobachteten diffusen, großräumig verteilten 511 keV-Strahlung  identisch ist.

Da keine großräumig verteilte 69 MeV–Annihilationsstrahlung von Protonen und Antiprotonen zu beobachten ist, findet eine derartige Paarzerstrahlung nicht in vergleichbarem Maße statt. Man kann annehmen, dass wegen des geringeren Energiebedarfs der Elektron-Positron-Paarerzeugung wesentlich mehr Elektron-Positron-Paare erzeugt werden als Proton-Antiproton-Paare, so dass für die Proton-Antiproton-Paare wegen ihrer geringeren Dichte gar keine Zeit und Möglichkeit zur Paarzerstrahlung gegeben ist. Denn bevor Proton und Antiproton zerstrahlen können, ist durch den Überschuss an Elektronen und Positronen bereits neutraler Wasserstoff und Antiwasserstoff entstanden, die sich wegen der unterschiedlichen Schwerepolarität abstoßen und in Clustern von Teilchen gleicher Schwerepolarität versammeln (s. oben).

Im Falle einer über einen längeren Zeitraum bzw. heute noch andauernden Entstehung von Materie und Antimaterie ist es denkbar, dass die beobachtete kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) von dem Materie-Antimaterie-Plasma von extrem geringer Dichte ausgehen kann. Bedingung dafür ist: Alle Teilchen des Materie-Antimaterie-Plasmas müssen in einem vollständigen thermischen Gleichgewicht sein, d.h. die Geschwindigkeitsverteilung aller Teilchen gehorcht der Maxwell-Verteilung. Die Temperatur des Plasmas  beträgt 2,725 K.

Es ist ferner denkbar, dass in diesem Falle ein Teil der kosmischen Strahlung mit den Teilchen des Materie-Antimaterie-Plasmas der permanenten Schöpfung identisch ist.


 

 
 


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