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Was Licht und Materie miteinander verbindet

Die Formel

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Diese Formel kennt vermutlich fast jeder – auch diejenigen, die sich sonst nicht im Geringsten für Physik interessieren: E=mc2. Und auch sie hat sowohl mit Licht zu tun als auch mit Albert Einstein, der sie 1905 aufstellte. Was aber bedeutet sie? Im Prinzip beschreibt sie nicht weniger als das Verhältnis von Energie und Materie und liefert die theoretische Grundlage für die Annahme, dass sich Materie in Licht und umgekehrt auch Strahlung in Materie umwandeln lässt.

Heller als tausend Sonnen

Ersteres lässt sich an unserer Sonne nachvollziehen: In ihrem Inneren verschmelzen Wasserstoffkerne miteinander und geben dabei große Mengen an Strahlung ab. Diese Fusion erzeugt das Licht, ohne das es auf der Erde kein Leben gäbe. Gleichzeitig verliert die Sonne durch diese Strahlung ständig ein winziges Bisschen an Masse – dies ist aber so wenig, dass es sich von uns nicht nachweisen lässt.

Explosion einer Atombombe bei einem Kernwaffentest im Jahr 1948 © U.S. Air Force

Deutlicher wird dies bei dem Phänomen der Radioaktivität, genauer bei einer Atomexplosion: Bei der Spaltung eines Urankerns wird die enorme Energie von 200 Millionen Elektronenvolt frei. Schon eine geringe Menge an spaltbarem Material reicht daher aus, um ganze Städte auszuradieren. Ob dabei aber tatsächlich Materie in Strahlung umgewandelt wurde, zeigt sich, wenn man anschließend alle Zerfallsprodukte des Urankerns einsammeln und wiegen würde: Die Teilchen sind hinterher etwas leichter als vorher – es fehlt ungefähr ein Fünftel der Masse eines Protons. Dieser Materieanteil wurde bei der explosiven Spaltung des Kerns in Energie umgewandelt.

Materie aus Licht – die Breit-Wheeler-Theorie

Aber wie sieht es mit dem Umgekehrten aus? Kann auch aus Licht Materie entstehen? Im Prinzip schon, wie die beiden Physiker Gregory Breit und John Wheeler bereits 1943 postulierten. Sie belegten anhand einer Gleichung, dass die Kollision zweier Photonen theoretisch ausreicht, um ein Elektron und ein Positron zu erzeugen – und damit Materieteilchen. Allerdings: Um eine solche Kollision herbeizuführen, benötigt man eine extrem hohe Dichte an Photonen – und die sind nur schwer experimentell zu erzeugen.

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Materie aus Licht - theoretisch schon lange vorhergesagt © NASA

Eine Methode, mit der dies trotzdem gehen könnte, haben Oliver Pike und seine Kollegen vom Imperial College London im Mai 2014 vorgeschlagen. Das Überraschende daran: Benötigt werden dafür nur Technologien und Anlagen, die es schon gibt. Die Umsetzung wäre daher relativ einfach.

Benötigt wird ein extrem energiereicher Elektronenstrahl, wie er beispielweise in Synchrotronen erzeugt wird, der auf ein Goldstück geschossen wird. Die dabei entstehende Gammastrahlung wird in einen sogenannten Vakuum-Hohlraum geleitet – eine winzige Aushöhlung in einem weiteren Goldstück, die mit Photonen gefüllt ist. Dort kollidieren die Photonen des Strahls und des Feldes und erzeugen dabei im Idealfall jeweils Paare von Elektronen und Positronen. „Das Rennen darum, dieses Experiment erstmals durchzuführen, ist hiermit eröffnet!“, so Pike.

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Nadja Podbregar
Stand: 16.01.2015

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Das Wesen des Lichts
Ein kosmisches Phänomen mit vielen Rätseln

Am Anfang war das Licht
Wie die Strahlung in die Welt kam

Das Maß aller Dinge
Albert Einstein, die Lichtgeschwindigkeit und gestopptes Licht

Gekrümmt und abgelenkt
Die Wechselwirkung von Licht und Gravitation

Die Natur des Lichts
Wellen, Teilchen und Kristalle

Die Formel
Was Licht und Materie miteinander verbindet

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