Einige Fragen zu virtuellen Teilchen

Beim Lesen über Quantenmechanik bin ich auf eine Beschreibung der Kraft zwischen zwei Elektronen gestoßen, die dadurch entsteht, dass virtuelle Teilchen von den beiden Elektronen „ausgetauscht“ werden.

Bisher habe ich verstanden, dass die virtuellen Teilchen eine "Vorhersage" der Unschärferelation sind und dass ihre Lebensdauer umgekehrt proportional zu ihrer Masse ist.

Stimuliert ein Elektron (oder reale Teilchen im Allgemeinen) irgendwie die Erzeugung virtueller Teilchen? Wenn ja warum?

Wenn diese Typen auftauchen und wieder verschwinden, stören sie dann nicht echte Partikel? Wenn dem so ist, dann ist der durchschnittliche Effekt auf ein Teilchen wohl null, da die Erzeugung zusammen mit den Impulsen der Teilchen völlig zufällig ist. Ist das richtig?

Ein kleiner Rat, wenn Sie anfangen, Physik auf einer so grundlegenden Ebene wie diesem zu diskutieren, "warum?" Fragen werden wirklich sinnlos. Virtueller Teilchenaustausch ist, wie wir die grundlegenden Wechselwirkungen in der QFT beschreiben. Wenn wir erklären könnten, warum Teilchen auf solche Weise in Bezug auf grundlegendere Wechselwirkungen interagieren , dann würde das nur den Schwarzen Peter darüber verteilen, welche Art von Wechselwirkungen die grundlegenden sind. Ich glaube, es gibt irgendwo im Netz einen großartigen Feynman-Clip, der diesen Punkt anspricht.
Die Frage ist in Ordnung. Wie oft hören wir akademische Physiker, Professoren, die „warum“ fragen? Fragen?! Offensichtlich macht niemand einen lächerlichen Anthropomorphismus mit einem Elektron. In Ihrem Beispiel von grundlegenden Wechselwirkungen. Salaam hätte fragen können; Warum ist Hyperladung quantisiert? Ah, weil SM-Eichgruppen in eine nicht-Abelsche einfache Gruppe eingebettet sind :)
Ich stimme zu, dass das Wort "warum" in der Physik letztendlich bedeutungslos gemacht werden kann, aber ich verwende es hier als Kurzform von "Wie wird das erklärt oder so vorgestellt?".
@ChrisWhite Ah ja, das ist genau der Clip, von dem ich gesprochen habe. Ich könnte diesem Mann stundenlang zuhören.

Antworten (2)

Zunächst einmal sind virtuelle Teilchen tatsächlich eine Folge der Unschärferelation – ohne Anführungszeichen. Virtuelle Teilchen sind solche, die nicht die richtige Dispersionsrelation erfüllen

E = M 2 C 4 + P 2 C 2
weil sie einen anderen Energiewert haben Δ E . Für einen solchen "falschen" Energiewert müssen sie leihen (oder verleihen) Δ E vom Rest des Universums. Dies ist zeitlich begrenzt möglich Δ T solange die "negierte" Zeit-Energie-Unschärfebeziehung
Δ T ⋅ Δ E ≤ ℏ / 2
wird gehorcht. Energie kann man einfach nicht messen E in einem zu kurzen Intervall Δ T genauer als mit dem Fehler Δ E gegeben durch die obige Formel, die es ermöglicht, so viel Energie für so kurze Zeit zu leihen/leihen.

Virtuelle Partikel sind ziemlich per Definition Effekte, die wie eine vorübergehende Existenz eines realen Partikels aussehen, das durch die obige Ungleichung zeitlich begrenzt ist. Je virtueller das Teilchen ist, desto größer ist die Abweichung der Energie Δ E ist – desto kürzer ist die Zeitskala, über die die virtuellen Teilchen operieren können. An der Grenze Δ E → 0 werden die virtuellen Teilchen "real", was bedeutet, dass sie auch beobachtet werden können. Bei einem Wert ungleich Null können sie nicht beobachtet werden und sind nur "Zwischeneffekte zwischen den Messungen", die das Verhalten anderer Partikel modifizieren. Am explizitesten erscheinen virtuelle Teilchen als Propagatoren (interne Linien) eines Feynman-Diagramms.

Das Elektron "simuliert" nicht unbedingt irgendjemanden, was immer "simulieren" bedeuten sollte. Stattdessen kann das Elektron ein virtuelles Teilchen wie etwa ein Photon "emittieren". Die Emission eines echten Photons ist aufgrund der Energie-/Impulserhaltung unmöglich: Im Ruhesystem des anfänglichen Elektrons ist die Energie gerade M e C 2 aber es würde sowohl durch die zusätzliche kinetische Energie des letzten sich bewegenden Elektrons als auch durch die Energie des positiven Photons erhöht, wodurch das Energieerhaltungsgesetz verletzt würde. Aber das Elektron kann ein virtuelles Photon emittieren, für das der Energieerhaltungssatz effektiv verletzt wird (oder das Photon hat eine andere Energie, vielleicht eine negative, als es haben sollte), was für die Zeit in Ordnung ist Δ T oben beschrieben. Solange das Photon vorher verschwindet Δ T Frist kommt – es wird von einem anderen geladenen Teilchen absorbiert, alles ist in Ordnung und diese Zwischengeschichte trägt zu den Wahrscheinlichkeitsamplituden bei. Deshalb beeinflussen sich geladene Teilchen gegenseitig durch Elektromagnetismus; So funktionieren die virtuellen Photonen.

Was die letzte Frage betrifft, ja, virtuelle Teilchen können die realen stören. Wenn wir beispielsweise Prozesse in einem externen elektrischen Feld untersuchen, das von vielen kohärenten langwelligen Photonen erzeugt wird, gibt es immer noch Feynman-Diagramme mit virtuellen Photonen darin. Die Amplituden aus diesen Diagrammen müssen zu den Amplituden mit dem realen klassischen elektrischen Feld addiert werden, und nur das Ergebnis (Summe) wird betragsmäßig quadriert. Das meinen wir mit Interferenz.

Und ja, die Auswirkungen virtueller Teilchen auf ein isoliertes Elektron sind in allen Richtungen gleich wahrscheinlich und in diesem Sinne "mitteln sie sich". Ein Elektronenzustand mit scharf definiertem 3-Impuls bleibt immer noch ein Energie-Eigenzustand und bewegt sich entlang einer geraden Linie. Aufgrund der konstanten Emission und Reabsorption einiger virtueller Teilchen hat der reale elektronenähnliche Energie-Eigenzustand jedoch eine "Wolke" virtueller Photonen um sich herum. Die Symmetrien der Theorie wie die Eichsymmetrie und die Lorentz-Symmetrie werden durch die virtuellen Photonen nicht gebrochen. Schließlich resultieren die virtuellen Photonen aus der Theorie, deren Lagrangefunktion diese Symmetrien respektiert und keine Anomalie sie bricht.

Wenn das virtuelle Photon vorher absorbiert werden kann Δ T Wenn die Frist kommt, sollte dies nicht bedeuten, dass eine solche Wechselwirkung aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit nur in sehr kleinen Raumskalen möglich ist? Wie können Elektronen dann auf größeren Skalen wechselwirken? Oder kann ein virtuelles Photon eine beliebig kleine Energie haben, die es lange genug leben lässt, um sehr weit zu reisen?
Danke für eine ausführliche Antwort. Was genau löst die Emission eines virtuellen Photons von einem Elektron aus? Da die Kraft zwischen zwei Elektronen nachweisbar ist, müssen die Elektronen mehr virtuelle Photonen emittieren als leerer Raum für die zu messende Kraft.
@Nick: Ich habe Ihre vorgeschlagene Bearbeitung genehmigt, aber nur wegen der \geq vs. \leq.
Ja, @Ruslan, im Prinzip ja, die Endlichkeit Δ T impliziert, dass die Wechselwirkung bei großen Entfernungen nicht gleich stark ist. Aber das bedeutet nicht, dass es eine kurze Reichweite ist. Eine Abnahme des Potenzgesetzes ist in Ordnung und wird tatsächlich vorhergesagt. Um das quantitativ zu sehen, muss man herausfinden, wie sich der Photonenpropagator verhält. Es nimmt nur nicht exponentiell schnell ab - weil das Photon masselos ist. Tatsächlich hängt die langsamere Abnahme des Einflusses virtueller Photonen mit der Masselosigkeit des Photons zusammen. Ja, 2 entfernte Elektronen interagieren durch ein virtuelles Photon mit winziger Energie.
Lieber @Lejon, die Emission virtueller Photonen ist, genau wie der Zerfall eines Teilchens in echte Photonen (oder andere Teilchen), ein probabilistischer Prozess, dessen genaues Timing nicht deterministisch vorhergesagt werden kann - ähnlich wie alles andere nach der Quantenmechanik. Aus den Gesetzen der Physik sind nur Wahrscheinlichkeitsamplituden berechenbar, und eine korrekte Manipulation mit diesen Amplituden reicht aus, um alles vorherzusagen, was wir tatsächlich messen können.
@dj_mummy, in der Quantenmechanik gibt es keine Zusammenbrüche. Dies ist besonders wichtig für die Berechnung von Zwischenprozessen wie dem virtuellen Photonenaustausch, die von der Quantenkohärenz abhängen. ... Dekohärenz ist die schnelle Diagonalisierung der Dichtematrix von Systemen, die mit komplizierten Umgebungen interagieren. Bei dieser Frage geht es um 2 geladene Teilchen und virtuelle Photonen, daher gibt es keine ausgedehnte Umgebung und keine Dekohärenz. Deshalb ist Ihre Frage zur Dekohärenz hier völlig off-topic.
Hm ... Jetzt, wo ich nachsehe, war die Bearbeitung von Nick falsch! Die Antwort lautet "negiert".!
@LubošMotl Ja, aber es erklärt nicht wirklich, warum die Wahrscheinlichkeit höher ist, dass das Elektron ein Photon emittieren sollte, als der freie Raum emittieren sollte.
Ich weiß nicht, ob ich dieser Antwort zustimme - ich verstehe nicht wirklich, wie Sie virtuelle Photonen überhaupt als "echte" Entität rechtfertigen können - es sind Konstruktionen, die durch die Tatsache zugelassen werden, dass Sie zufällig schreiben können die Wechselwirkung hamiltonisch in Bezug auf Scheitelpunkte und Propagatoren. Aber sie sind ein Artefakt der Störungstheorie - wenn Sie das exakte Streuproblem lösen könnten, hätten Sie keine lineare Kombination von Feynman-Diagrammen, Sie hätten nur eine nicht störungsfreie Lösung des Streuproblems (zumindest, d.h keinen Beweis dafür gesehen, dass die Störungsreihe gegen eine exakte Lösung konvergiert).
Lieber @lejon, das Vakuum könnte nur Photonen mit Nullimpuls und Nullenergie emittieren, die sowieso nicht beobachtbar wären (Energie- und Impulserhaltung). Der Punkt hier ist, dass das virtuelle Photon von einem geladenen Teilchen emittiert wird, dessen endgültiger Energie-Impuls-Vektor sich vom ursprünglichen unterscheidet, weshalb das emittierte Photon eine Energie und/oder einen Impuls ungleich Null hat (während es immer noch nicht gehorcht). E = P C ). Ein solches Photon mit einer Energie oder einem Impuls ungleich Null kann in diesem Prozess andere Dinge tun, im Gegensatz zu dem von Ihnen besprochenen Photon mit Nullenergie und Nullimpuls.
Lieber @Jerry, laut Quantenmechanik ist nichts - nicht einmal "echte Teilchen" - real im klassischen Sinne, daher ist Ihr Einwand im Kontext von QM völlig unerheblich. Sie sagen, dass virtuelle Teilchen Artefakte der Störungstheorie sind – Propagatoren in störungsbedingten Feynman-Diagrammen – und Sie haben recht. Aber auch reale Teilchen "beliebiger Art" sind Artefakte der Störungstheorie. Sie werden von Erzeugungsoperatoren erzeugt, die nur den einfachen Kommutator mit dem Hamilton-Operator im Limit der freien Theorie haben.
Ich kann auch die gegenteilige Perspektive einnehmen. Reale Teilchen existieren als äußere Zustände im Hilbert-Raum, der nicht von störungsbezogenen Annäherungen abhängt. Fair genug. Aber dasselbe gilt für virtuelle Teilchen – sie sind Pole in den exakten Amplituden und die Eigenschaften dieser Pole (und anderer Singularitäten) hängen auch nicht von der störungsbezogenen Annäherung ab! Es gibt also nichts "Störungstheorie-abhängigeres" virtuelles Teilchen im Vergleich zu realen Teilchen!
@dj_mummy, es sei denn, Sie interpretieren es falsch, Ihr Professor hat Sie verwirrt. Man mag über „Beobachtungen zuerst“ diskutieren, aber irgendwann muss man sowieso die Physik virtueller Teilchen verstehen. Die Realität ist durch die Quantenmechanik gegeben, die die Beobachtungen nur probabilistisch vorhersagt. Aber die Berechnungen haben viele Strukturen wie virtuelle Teilchen und man muss immer noch verstehen, was sie physikalisch bedeuten und was nicht, was ihre Wechselwirkungen mit und Beziehungen zu den realen Teilchen sind und so weiter.
@LubošMotl: Warum ist es notwendigerweise so, dass Pole in der Störungserweiterung bis zur exakten, nicht störungsfreien Lösung überleben? Können sie nicht prinzipiell zB durch Pole höherer Ordnung ausgelöscht werden?
@LubošMotl Ist das nicht das, was der Casimir-Effekt zeigt, dass im leeren Raum erzeugte virtuelle Partikel beobachtet werden können ?

Ich bin an anderer Stelle im Internet auf diese Frage gestoßen, kann mich aber nicht erinnern. Meine Antwort geht davon aus, dass Sie sich auf die virtuellen Teilchen beziehen, die die Kräfte vermitteln.

Die Idee hier ist, die S-Matrix und Streuamplituden zu verstehen. QFT ist die Untersuchung der Geburt und des Todes von Teilchen zwischen zwei Beobachtungen. Jede QFT-Streuungsinteraktion hat einen „Ein“- und einen „Aus“-Zustand, wobei die Zustände im Hartree-Fock-Schema definiert sind. Was wir beobachten, sind nur die Eingangs- und Ausgangszustände.

Ich werde ein Beispiel für die Streuung eines Elektrons in einem elektrischen Feld geben. Der In-Zustand (von uns erzeugter Eigenzustand) besteht also aus einem Elektron in einem bestimmten Zustand von Impuls und Spin und einem Photon (aus dem angelegten Feld) in einem bestimmten Impuls und Helizität.

Wir lassen das System ungestört und beobachten es nach langer Zeit wieder. Wir haben jetzt den Ausgangszustand. Es besteht die Wahrscheinlichkeit, alle Arten von Konfigurationen des Elektrons und eines Photons zu erhalten (nur eingeschränkt durch die Erhaltung von Impuls, Energie, Ladung usw.).

Wir wollen die Wahrscheinlichkeit dafür herausfinden, alle Arten von Ausgangszuständen zu erhalten. Wir verwenden Reihenentwicklungen, um diese Amplitude zu berechnen. Feynman und Mitarbeiter entwickelten Tools, um die Bedingungen dieser Reihe im Auge zu behalten. Wir stellen die Terme jedes Terms einer Reihe (wobei ein Ausgangszustand einer ganzen Reihe entspricht) unter Verwendung von Feynman-Diagrammen dar. Um die einfache Berechnung zu erleichtern, verwenden wir in diesen Diagrammen virtuelle Teilchen.

Da QFT diskontinuierliche Beobachtungen behandelt, werden keine tatsächlichen Photonen direkt vor und nach Zuständen ausgetauscht. Um die Mathematik zu vereinfachen, stellen wir uns vor, dass virtuelle Teilchen zwischen den In- und Out-Zuständen ausgetauscht wurden.

Ich empfehle jedes Standard-QFT-Buch (z. B. Antony Zee), um ein klares Bild davon zu bekommen, wie wir virtuelle Partikel als Werkzeug verwenden. Ich hoffe, diese Antwort ist zufriedenstellend.

EDIT: Ich habe das Zeitintervall als unendlich angenommen, wie ich bereits erwähnt habe. Im wirklichen Leben ist das nie wirklich der Fall, aber es ermöglicht, Energie in meinem Streuprozess zu sparen.

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