Können virtuelle Teilchen real werden?

Wir stoßen oft auf die Notwendigkeit, einer breiten Öffentlichkeit, die mit den physikalischen und mathematischen Voraussetzungen nicht vertraut ist, zu erklären, wie grundlegende Physik funktioniert. Normalerweise landen wir bei Analogien – ein mächtiges Werkzeug, das dem Publikum ohne Erklärung eine ungefähre Vorstellung davon vermitteln kann, wie die Sache funktioniert. Aber Analogien können bisher nur ernst genommen werden – Versuche, sie zu verwenden, um komplizierte Phänomene zu erklären, führen normalerweise zu scheinbaren Paradoxien, Missverständnissen und Verwirrung.

Dasselbe ist in diesem Forum immer wieder mit virtuellen Elementarteilchen passiert. Sehen Sie, wenn Physiker von virtuellen Teilchen sprechen, beziehen sie sich auf eine bestimmte Art von Schwankungen im Quantenfeld – dem gleichen Feld, aus dem gewöhnliche (reale) Elementarteilchen entstehen. Diese Fluktuation hat eine präzise mathematische Bedeutung als Teil der asymptotischen Reihe, die ein grundlegendes Objekt in der Theorie beschreibt – die Streumatrix, die Wechselwirkungen zwischen realen Elementarteilchen beschreibt. Deshalb wird normalerweise eine Analogie verwendet: Diese Fluktuationen sollen "virtuelle Teilchen" sein, die Wechselwirkungen "vermitteln".

Diese Analogie spricht die richtigen Probleme an und sagt einem unvorbereiteten Publikum viel über die zugrunde liegenden Phänomene. Aber es ist nur eine Analogie, und sie hat ihre Grenzen. Die meisten Anfängerfragen zu virtuellen Teilchen können und sollten im vollständigen mathematischen Rahmen der interagierenden Quantenfeldtheorie beantwortet werden. Jede Art von Erklärung, die virtuelle Teilchen beinhaltet, ist nur Handbewegung.

Virtuelle Teilchen haben keine Dynamik. Letzteres ist immer an einen Zustand gebunden, der – anders als virtuelle Teilchen – zwangsläufig die Kausalität respektiert. Daher können sie nichts „werden“. Siehe https://www.physicsforums.com/insights/misconceptions-virtual-particles/

Die Rede davon, dass virtuelle Teilchen etwas tun, ist daher immer nur eine Veranschaulichung einer zugrunde liegenden Formel, ohne die Absicht einer physikalischen Genauigkeit.

Ein neues Experiment wurde mit Ionen durchgeführt, das Innere eines Atoms ohne Elektronen, 2 Strahlen davon wurden beschleunigt und ein Teilchenbeschleuniger, die Inseln selbst trugen virtuelle Photonen. Als die Bohnen näher kamen, reagierten die Photonen selbst und bildeten Elektronen- und Positronenpaare, wie es Strahlen echter Protonen tun würden. Die Proton-Antiproton-Paare fungierten als echte Paare, die sich gegenseitig vernichteten und echte Photonen erzeugten

Ja, virtuelle Partikel können real sein - siehe Details in meiner letzten Frage

Welche Teilchen können virtuell sein? Nur die in der Tabelle des Standardmodells?

Einem der vom Savasta-Team beschriebenen Experimente gelang es, mithilfe eines künstlichen 3-Ebenen-Atoms virtuelle Photonen in reale umzuwandeln. Ein weiteres in Umsetzung befindliches Experiment erzeugt virtuelle Photonen als Zwischenschritte bei der Anregung zweier künstlicher Atome mit einem einzigen Photon.

Insbesondere möchte ich betonen, dass es nicht stimmt, dass virtuelle Teilchen in der Realität nicht existieren können. Richtig ist, dass sie aufgrund ihrer problematischen Eigenschaften (Masse ua) nicht erkannt werden können. Sie können jedoch in Zwischenstadien von Experimenten auftreten, und ihre Auswirkungen können an den endgültigen Daten getestet werden.

Es wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem virtuelle Photonen in echte Photonen umgewandelt werden

R. Stassi, A. Ridolfo, O. Di Stefano, MJ Hartmann und S. Savasta, „Spontaneous Conversion from Virtual to Real Photons in the Ultrastrong Coupling Regime“, arXiv: 1210.2367v2

Hier ist die Essenz des Experiments:

„ Wir betrachten einen Emitter mit drei Niveaus, bei dem der Übergang zwischen den beiden oberen Niveaus ultrastark an eine Hohlraummode koppelt, und zeigen, dass die spontane Relaxation des Emitters von seinem Zwischenzustand in seinen Grundzustand von der Erzeugung von Photonen in der Hohlraummode begleitet wird (siehe Abb. 1).... Der Hamiltonoperator eines realistischen Atom-Hohlraum-Systems enthält sogenannte gegenläufige Terme, die die gleichzeitige Erzeugung oder Vernichtung einer Anregung sowohl im Atom- als auch im Hohlraummodus ermöglichen. Diese Terme können für kleine getrost vernachlässigt werden Kopplungsraten$Ω_R$in der sogenannten Rotating-Wave-Approximation (RWA). Allerdings wann$Ω_R$mit der Hohlraumresonanzfrequenz des Emitters oder der Resonanzfrequenz des Hohlraummodus vergleichbar wird, wird erwartet, dass sich die gegenläufigen Terme manifestieren.

Der Begriff "virtuelles Teilchen" wurde in der Vergangenheit in Feynmans Diagrammen verwendet, nur um die Kalküle zu vereinfachen. Solche "Partikel" gibt es wahrscheinlich nicht in der Natur.

In dem Artikel, den ich empfohlen habe

R. Stassi, A. Ridolfo, O. Di Stefano, MJ Hartmann und S. Savasta, „Spontaneous Conversion from Virtual to Real Photons in the Ultrastrong Coupling Regime“, arXiv: 1210.2367v2,

wird ein Experiment beschrieben, bei dem aus dem Vakuum Photonen erscheinen, die von den Autoren "virtuell" genannt werden, weil sie nicht einzeln nachgewiesen werden können: Sie treten in den Zwischenstufen der beschriebenen Prozesse auf und verletzen die Energieerhaltung. Daher können diese Stadien nur vermutet, aber nicht beobachtet werden.

Der für diese Photonen verwendete Begriff "virtuell" führt zu Verwechslungen mit den virtuellen Teilchen aus dem Feynman-Diagramm. Aber das sind zwei verschiedene Arten von virtuellen Teilchen. Zum Unterschied von Feynmans virtuellen Teilchen unterscheiden sich Savastas virtuelle Photonen in ihren Eigenschaften nicht von echten Photonen. Wie oben gesagt, ist das „virtuelle“ an Savastas Photonen, dass ihr Eingreifen in den Prozess die Energieerhaltung verletzt. Deshalb treten sie nicht in der Anfangs- und Endphase des Prozesses auf, die prüfbar sind, sondern in Zwischenstadien, die nur erahnt, nicht entdeckt werden können.