Inwieweit entspricht der Begriff „Teilchen“ in der QFT dem Begriff „Teilchen“ in der Experimentalphysik?

Mein Verständnis des "Teilchen"-Konzepts in der Quantenfeldtheorie ist, dass es etwas beschreibt

  • unendlich im Raum (und auch in der Zeit?)
  • kein Konzept der Flugbahn haben (in absolut jedem Sinne)
  • (möglicherweise) effektiv unveränderlich oder ohne zeitliche Ausdehnung, wie mathematische Konzepte / globale Aussagen über ein Modell / Koordinaten, oder möglicherweise eine minimale Existenz, z. B. nur binäre Existenz oder Kardinalität, aber sicherlich keine Eigenschaften auf individueller Partikelebene

In der experimentellen Physik, insbesondere in Bereichen, die sich mit Phänomenen befassen, die eng mit QFT verbunden sind, gibt es ein Konzept eines "Teilchens", das dem konventionellen englischen Sprachgebrauch folgt, wie in einer Antwort auf diese Frage schön erwähnt wurde .

  • im Raum lokalisiert
  • eine bestimmte Flugbahn haben (unter geeigneten Bedingungen)
  • mit bestimmten Eigenschaften (bis zu einer gewissen Unsicherheit), die sich mit der Zeit ändern (Position, Impuls, Energie usw.)
  • als konkretes Beispiel in Blasentanks beobachtet

Ich frage nicht, welche dieser Definitionen die „korrekte“ Verwendung des Wortes ist. Ich versuche auch nicht, eine korrekte Charakterisierung beider Phänomene zu erhalten; Ich bin mir sicher, dass ich sie in gewisser Weise falsch dargestellt habe, aber das spielt keine Rolle, solange Sie verstehen, worauf ich mich beziehe. Was mich interessiert, ist, ob diese dem gleichen entsprechen.

Ich bin mir der Welle-Teilchen-Dualität in der grundlegenden Quantenmechanik bewusst, aber in diesem Fall scheint es, als würden die Leute einfach über verschiedene Dinge sprechen. Sind diese auf die gleiche Weise verwandt wie "Felder" in Mathematik und Physik (nur sprachlich)? Sind es unterschiedliche Perspektiven derselben Sache? Oder befinden sie sich vielleicht an entgegengesetzten Enden einer konzeptuellen Skala?

Danke

Antworten (3)

Ihre Beschreibung, wie ein Teilchen in der Quantenfeldtheorie aussieht, ist nicht genau, aber man könnte Ihnen verzeihen, dass Sie diesen Eindruck aus einem ersten Kurs gewonnen haben.

Zur Erinnerung: Die Quantenfeldtheorie ist eine quantenmechanische Theorie, die eine beliebige Anzahl von Teilchen beschreibt. Um zu beginnen, müssen wir spezifizieren, was die Quantenzustände sind. Dies geschieht durch die Konstruktion des Fock-Raums , was grob ist

H = H 0 ⊕ H 1 ⊕ H 1 ⊗ 2 ⊕ H 1 ⊗ 3 ⊕ …
Wo H 0 enthält einen einzigen Vakuumzustand, und H 1 enthält die möglichen Ein-Teilchen-Zustände, und H 1 ⊗ 2 enthält die möglichen Zwei-Teilchen-Zustände und so weiter.

Aus Gründen der Konkretheit ist es nützlich, eine bestimmte Basis für die Ein-Teilchen-Zustände auszuwählen. Im Fall der Teilchenphysik beschäftigen wir uns oft mit Streuexperimenten, bei denen Teilchen mit einem sehr genau definierten Impuls aus dem Unendlichen kommen, also wählen wir die Impulsbasis. Auf dieser Grundlage hat jedes Teilchen eine unendliche räumliche Ausdehnung. Aber in der Physik der kondensierten Materie können Sie einfach Drähte in den zu untersuchenden Festkörper stecken, um Messungen in der Positionsbasis durchzuführen. Dementsprechend wird manchmal die Feldtheorie der kondensierten Materie eingeführt H 1 in der Positionsbasis.

Es gibt keinen grundlegenden Unterschied, weil wir immer durch lineare Kombinationen hin und her gehen können. Die andere entscheidende Sache ist, dass wir ausgehend von Impulszuständen endliche Wellenpakete bilden können, indem wir benachbarte Impulse überlagern. Wellenpakete können sich bewegen, wie hier gezeigt , und sie haben grob definierte Trajektorien. So modellieren wir die Anfangszustände in realen Streuexperimenten, bei denen unser Collider aus Budgetgründen leider eine endliche Größe hat.

Um deine anderen Fragen zu beantworten:

  • Ein Teilchen kann viele andere Eigenschaften haben. Beispielsweise kann ein Teilchen einen gewissen Spin oder eine gewisse Ladung tragen; das ist alles in berücksichtigt H 1 .
  • Teilchen entwickeln sich mit der Zeit, selbst wenn sie sich in Impuls-Eigenzuständen befinden. Beispielsweise zerfällt ein instabiles Teilchen. Oder, wenn Sie einen Zustand mit einem Elektron und einem Positron in Impuls-Eigenzuständen haben, werden sie vernichten.
  • Umgangssprachlich ist das Wort „Teilchen“ Zuständen vorbehalten H 1 die in ihrer Position einigermaßen lokalisiert sind, während "Welle-Teilchen-Dualismus" nichts anderes ist als die Aussage, in der einige sagen H 1 lokalisiert sind und einige nicht. Wenn wir die Quantenfeldtheorie machen, nennen wir einfach alles H 1 ein Partikel; es besteht keine Notwendigkeit, es aufzuteilen.
Vielen Dank. Um Ihre Antwort dann äußerst grob zusammenzufassen, sind Partikel in QFT denen in QM ziemlich ähnlich. Daraus schließe ich, dass die Zustände, in denen a und ein Dolch operieren, nichts Besonderes sind, und dass sie selbst keine eindeutig speziellen Partikelerzeugungsoperatoren sind. Übrigens habe ich noch nie gesehen, dass Welle-Teilchen-Dualität der Begriff für Felder mit lokalisierten und nicht lokalisierten Zuständen ist, ich finde diese Perspektive sehr nützlich.
@ user183966 Ich bin froh, dass es geholfen hat! Um mehr zu verdeutlichen, QFT ist nicht nur der Quantenmechanik ähnlich, es ist ein Spezialfall der Quantenmechanik. Es ist nur ein so komplizierter Spezialfall, dass er einen eigenen Namen verdient.
@knzhou inwiefern ist QFT ein Sonderfall von QM? Definieren Sie QM als H ψ = ich ∂ T ψ , Wo H hat irgendeine Definition und ψ hat irgendeine Definition?
@GonencMogol Ja, ich definiere eine QM-Theorie als eine mit einem Hilbert-Raum und einem Operator, der Zeitübersetzungen generiert.

Es ist wahr, dass das, was wir in Teilchendetektoren messen, nicht die Zustände sind, die Sie normalerweise verwenden, um Berechnungen in QFT durchzuführen. Der Ort, an dem Ihr zweiter, intuitiverer Begriff eines lokalisierten Teilchens in der Theorie auftaucht, ist, wenn Sie die S-Matrix definieren, die die Eingangs- und Ausgangszustände eines Streuereignisses in Beziehung setzt. Diese sind als gut getrennte Wellenpakete weit in der Vergangenheit bzw. weit in der Zukunft definiert.

Es stellt sich heraus, dass Sie die beiden Bilder – das theoretisch bequeme und das experimentell relevante – mit Hilfe der LSZ-Formel in Beziehung setzen können.

Danke für die entsprechenden Konzepte. Es ist immer hilfreich, einige Hinweise für weitere Recherchen zu haben.
Gern geschehen. Eine der vielen Stellen, an denen Sie diese Konzepte weiter lesen können, sind die Kapitel 4 und 7 des Buches von Peskin & Schroeder über QFT.

Ihre Beschreibung des Begriffs eines Teilchens in QFT ist etwas daneben. Was Sie beschreiben, ist ein QFT-Teilchen in einem Impuls-Eigenzustand . QFT kann auch Teilchen mit weniger entarteten Wellenfunktionen beschreiben. Diese sind leichter zu lokalisieren und entsprechen dem, was Sie den Begriff der experimentellen Physik nennen.

Vielen Dank für die Antwort. Ich stelle die Frage so, weil jede einzelne Beschreibung der QFT, der ich begegnet bin, mit Leiteroperatoren zu beginnen scheint, feststellt, dass diese Anregungsquanten zu einem Feld hinzufügen, und diese Quanten dann als Teilchen definiert. Es wird nicht ausdrücklich gesagt, dass dies nicht das einzige Vorkommen eines Partikels ist, aber es scheint mir, vielleicht zu Unrecht, dass dies angedeutet wird. Ich habe auch festgestellt, dass Leute oft sagen, dass sie nicht so denken sollen, wenn ihnen Fragen zu Partikeln in QFT gestellt werden. Ich schätze, du kannst nicht für sie sprechen.
Inwieweit entspricht der Begriff „Teilchen“ in der QFT dem Begriff „Teilchen“ in der Experimentalphysik?
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