Elektronen bewegen sich schneller als Licht und zeitlich rückwärts?

In Lawrence Krauss' Buch „Ein Universum aus dem Nichts“; Seite 62 erwähnt, dass für einen sehr kurzen Zeitraum, der so klein ist, dass er nicht gemessen werden kann, ein Elektron aufgrund der Unschärferelation den Eindruck erwecken kann, sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen; Eine andere Möglichkeit, dies zu interpretieren, ist, dass es sich in der Zeit zurückbewegt.

Weiter heißt es, dass Feynman dies benutzte, um vorzuschlagen, dass ein Elektron und ein Positron erzeugt wurden, das Positron mit dem ursprünglichen Elektron vernichtet wird, während das neue Elektron seinen fröhlichen Weg fortsetzt.

Darin heißt es schließlich, dass dieses Verhalten unter anderem durch das Spektrum des Wasserstoffatoms bestätigt wird.

Meine Frage ist, wie verstößt dies nicht gegen die spezielle Relativitätstheorie? Wie ist es möglich, ein Elektron schneller als Licht zu bewegen? Und wie haben wir gesagt, dass es in Ordnung ist, das anzunehmen und es einfach in der Zeit zurückzuversetzen?

(Beachten Sie, dass ich keinen Abschluss in Physik habe, also berücksichtigen Sie dies bitte bei der Erklärung der Grundidee).

Diese Interpretation ist sehr altmodisch. Heute glauben wir nichts davon ist wahr.
Wie wurde es überhaupt akzeptiert, wenn man bedenkt, dass es für einen Neuling wie mich so aussieht, als würde es die spezielle Relativitätstheorie verletzen? Und womit haben wir es ersetzt?
Sie hatten nichts Besseres als Alternative. „QM ist komisch“, dachten sie, „mal sehen, wie weit wir diese Absurditäten treiben können, ohne auf Ungereimtheiten zu stoßen“. Es war eine gute Einstellung, weil sie versuchten, so viele Alternativen wie möglich zu erkunden (und sie verglichen ihre Vorhersagen immer mit Experimenten, die meistens übereinstimmten, manchmal mit erstaunlicher Genauigkeit). Sie ersetzten es durch die Quantenfeldtheorie.
Ein großer Teil von Feynmans Arbeit befasste sich tatsächlich mit QFT (er erhielt den Nobelpreis für seine Arbeit an QED), daher würde ich nicht sagen, dass das, wovon das OP spricht, etwas anderes als QFT ist. Es ist nur die Sprache der virtuellen Teilchen, die in der Störungstheorie verwendet wird.

Antworten (1)

In der Teilchenphysik ist der derzeit verwendete mathematische Rahmen als Quantenfeldtheorie bekannt . Ein Beispiel für eine solche Theorie ist die Quantenelektrodynamik , die sich mit den Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen befasst.

Bei Berechnungen in der Quantenfeldtheorie haben Sie es mit vielen (manchmal sehr komplexen) Formeln zu tun. Feynman hat einen Weg gefunden, diese Formeln schön als Diagramme darzustellen. Zwei Beispiele für Feynman-Diagramme sind:

e^+ Gamma -> e^+ Gamma Photon selbst

Wenn Sie einen physikalischen Prozess untersuchen und Vorhersagen darüber treffen möchten, gibt es ein Rezept für Ihre Berechnungen:

Zeichnen Sie alle Feynman-Diagramme, die dem betreffenden Prozess entsprechen. Jedes Diagramm hat eine zugeordnete mathematische Formel. Indem man sie alle addiert, erhält man die physikalische Antwort.

Es gibt auch einige Regeln (bekannt als Feynman-Regeln ), die zum Zeichnen von Diagrammen verwendet werden. Im Allgemeinen müssen Sie Folgendes tun:

Zeichnen Sie für jedes einfallende Photon links eine Wellenlinie, für jedes einfallende Elektron oder Positron eine durchgezogene Linie (der Pfeil nach links bedeutet ein Positron und nach rechts ein Elektron) und dasselbe für ausgehende Teilchen. Verwenden Sie dann die Feynman-Regeln, um ein erlaubtes Diagramm zu konstruieren.

Wir könnten hier aufhören. Feynman-Diagramme sind nur eine schöne Art, einige komplizierte Formeln darzustellen. Wir wissen, wie man sie nutzt, um experimentell überprüfbare Antworten auf Fragen zur Physik von Elektronen und Photonen zu erhalten. Die so erzielbaren Ergebnisse beschreiben die Natur beeindruckend genau (wie im Fall der Lamb-Verschiebung, gewisser Effekt im Wasserstoffatom).

Da jedoch jede eingehende und ausgehende Linie ein Teilchen darstellt, ist es verlockend zu sagen, dass die inneren Linien des Diagramms auch Teilchen sind. Physiker nennen sie manchmal virtuelle Teilchen , aber das Konzept des virtuellen Teilchens hat sehr wenig mit dem des Teilchens zu tun. Beachten Sie, dass ein Feynman-Diagramm nicht einmal einen physikalischen Prozess beschreibt. Es ist nur eine Möglichkeit, eine mathematische Formel darzustellen.

Warum verwenden Physiker dann diesen Namen? Die Antwort ist, dass es als nützliche Metapher verwendet werden kann, wenn es um Berechnungen in der Quantenfeldtheorie geht . Sie können auf natürliche Weise über Diagramme sprechen, als wären es physikalische Prozesse, bei denen die Zeit als von links nach rechts fließend dargestellt wird und bei der Teilchen kollidieren, erzeugt, zerstört usw. werden.

In dieser Metapher können sich beispielsweise virtuelle Teilchen schneller als die Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Wenn Sie diese metaphorische Sprache jedoch in die eigentlichen Formeln übersetzen und sie für alle Diagramme hinzufügen, stimmen die Ergebnisse mit der speziellen Relativitätstheorie überein. Die realen Teilchen können sich nie schneller als Licht bewegen.

Im ersten der obigen Beispieldiagramme können die inneren Scheitelpunkte so verschoben werden, dass einer links vom anderen liegt, sodass in unserer Metapher einer vor dem anderen auftritt. Dann können wir sie wieder verschieben und das, was links war, jetzt rechts machen. Die innere durchgezogene Linie, die ein Elektron darstellt, würde sich dann von zeitlich vorwärts zu rückwärts ändern . Die Metapher spielt gut damit und ermöglicht es uns, das Elektron als Positron rückwärts gehen zu sehen (da beide durch eine durchgezogene Linie mit einem Pfeil nach links dargestellt werden). Auch hier ist nichts davon real, es ist nur eine nette Art, über einige Berechnungen zu sprechen.

Im zweiten Diagramm sehen Sie ein Beispiel für die virtuelle Erzeugung und Vernichtung eines Elektron-Positron-Paares von und zu einem Photon. Dies ist nur eine ausgefallene Art, über ein Diagramm in der Menge der Feynman-Diagramme zu sprechen, die die Ausbreitung eines Photons beschreiben.

Also, um es zusammenzufassen und ganz klar zu sein:

In der Quantenfeldtheorie wird die spezielle Relativitätstheorie nicht verletzt , und es ist unmöglich, dass Teilchen (insbesondere Elektronen) schneller als Lichtgeschwindigkeit oder in der Zeit rückwärts fliegen.

Umwerfend Danke! Haben Sie eine gute Empfehlung für ein Buch über QED oder QFT?
Ich bin froh, dass es geholfen hat! Auf populärwissenschaftlicher Ebene ist „QED: The Strange Theory of Light and Matter“ ein großartiges Buch, eine Adaption einiger Vorlesungen, die Feynman selbst gehalten hat. Es hat alle Ideen und es macht wirklich Spaß. Ich weiß nicht, was Ihr Hintergrund ist, aber wenn Sie anfangen möchten, in die technischen Dinge einzusteigen (Bachelor-Niveau), könnte "Introduction to Elementary Particles" von Griffiths ein guter Anfang sein, obwohl es nicht ausschließlich um QFT geht. Das Standardbuch heutzutage für einen einjährigen Kurs in QFT, würde ich sagen, ist "An Introduction to Quantum Field Theory" von Peskin.
Elektronen bewegen sich schneller als Licht und zeitlich rückwärts?
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