Sind virtuelle Teilchen nur ein fiktives Werkzeug in Gleichungen?

In der Natur gibt es keine „Fernwirkung“. Die Anziehung eines Eisenstücks durch einen Magneten, die Anziehung zwischen entfernten elektrischen Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen, muss durch etwas vermittelt werden. Als Erklärung werden die virtuellen Teilchen vorgeschlagen.

Wenn sie eine beobachtbare Wirkung haben, scheint es, als müssten sie existieren. Wenn ja, warum nennen wir sie virtuell? Es kann nicht sein, dass sie eine kurze Lebensdauer haben, da es kurzlebige Teilchen (Resonanzen) gibt, die wir nicht „virtuell“ nennen.

Andererseits sagen einige Leute, dass die sogenannten virtuellen Teilchen nur auf dem Papier existieren oder dass sie nur eine Technik sind, die uns hilft, unsere Gleichungen zu handhaben.

Was bedeutet hier also das Wort „virtuell“? Existieren diese Teilchen wirklich oder nicht?

"In der Natur gibt es keine "Fernwirkung"." - Das ist eine kühne Behauptung. Was wäre außerdem der Unterschied zwischen einer Fernwirkung und einer Wirkung, die durch etwas nicht nachweisbares (dh virtuelle Teilchen) vermittelt wird?
Schauen Sie sich das an .
An den CuriousMind: Ich bin überrascht, dass jemand Zweifel an "es gibt keine Fernwirkung" wecken kann. Ich glaube nicht, dass es Zweifel gibt, aber sagen Sie mir bitte, was Ihre Gedanken hinter Ihren Zweifeln sind.
(Fortsetzung) Ihre Frage scheint mir Definitionssache zu sein. Ein Gegenstand, den wir nicht anfassen können, dessen Wirkung wir aber sehen, wird indirekt beobachtet. Da diese sogenannten virtuellen Teilchen die gegenseitige Beeinflussung entfernter Ladungen ermöglichen, kommt DIES ihrem Nachweis gleich. Es ist eine schlechte Erkennung, wir würden es vorziehen, sie zu fangen, aber im Moment haben wir das.
Zu sagen „Es gibt keine Fernwirkung“ ist definitiv keine Selbstverständlichkeit. Vor dem Aufkommen der Quantenfeldtheorien hätte man die Vorstellung von (virtuellen) Teilchen zur Übertragung von Kräften nicht gehabt. Klassischer Elektromagnetismus sieht genauso aus wie Fernwirkung – da drüben ist eine Ladung und sie beeinflusst, was ich hier fühle . Das Vorhandensein von Kräften zwischen Ladungen ist jedoch nicht gleichbedeutend mit dem Nachweis virtueller Teilchen. Virtuelle Teilchen sind, da sie selbst nicht nachweisbar sind, gleichbedeutend damit, dass es eine Fernwirkung gibt.
@ACuriousMind: Klassischer Elektromagnetismus ist definitiv keine Fernwirkung - alle Einflüsse erfolgen gemäß verzögerten Potentialen. Wenn ich hier drüben etwas mache, tritt die Wirkung auf das Feld dort erst ein, nachdem es Zeit hatte, sich dort auszubreiten.
@JerrySchirmer: Ich dachte, dass OP im Gegensatz zu " durch Partikel vermittelten Aktionen" von "Fernwirkung" sprach . Sie haben natürlich Recht, dass klassische EM nicht akausal ist (...das sagen Sie, oder?). Aber wenn wir darüber sprechen, dann macht diese Frage keinen Sinn, da Teilchen nicht benötigt werden, damit eine Theorie kausal ist.
@ACuriousMind: Fair genug, ich denke, ich unterscheide nicht zu sehr zwischen "Partikel" und "Wellenform, die sich durch das Hintergrundfeld bewegt".
"Man kann ein virtuelles Bild nicht fotografieren" @annav, wie meinst du das? Man kann sicherlich ein Foto von der reflektierenden Kugel und dem virtuellen Bild der umgebenden Objekte darauf machen.
@JánLalinský Meine falsche Verwendung. Ich hätte sagen sollen: Man kann die optischen Strahlen, aus denen ein virtuelles optisches Bild besteht, nicht fotografieren. Ich werde den Kommentar löschen, da er andere irrezuführen scheint.
In der Physik wird das Wort "virtuell" verwendet, um die Unwirklichkeit in optischen Bildern zu betonen: Die Lichtinformation erreicht das Auge, aber die anderen Attribute des abgebildeten Objekts, die es "real" machen, Masse usw., fehlen. Man kann die optischen Strahlen, aus denen das Bild besteht, nicht fotografieren, obwohl das Bild fotografieren wird. In ähnlicher Weise sind die virtuellen Teilchen, die das endgültige Rechenergebnis des Feynman-Diagramms bilden, nicht real, obwohl ihr Zusammenfluss die Messung beschreibt.

Antworten (4)

Virtuelle Teilchen beziehen sich auf tatsächliche Merkmale ungleich Null in den Quantenfeldern realer Objekte, aber sie sind Merkmale, die in vielerlei Hinsicht keine Teilchen sind, sodass Sie nichts von ihrer Bezeichnung „Teilchen“ erwarten sollten.

Im Grunde genommen wurde die Idee der virtuellen Teilchen als Gerät erfunden, wenn man das Teilchenbild festhalten möchte, während man Quantenphysik betreibt. Denken Sie daran, wir wissen, dass eigentlich nichts wirklich ein Teilchen ist, sondern Quantenfelder die grundlegenden Objekte sind. Wir können teilchenähnliche Bewegungen in Feldern ableiten, aber Felder zeigen auch andere Verhaltensweisen. Wenn Sie darauf bestehen, dass alles irgendwie ein Teilchen ist, müssen diese anderen Verhaltensweisen erkannt und mit Sorgfalt behandelt werden. Jemand hat entschieden, dass sie "virtuelle Teilchen" genannt werden sollen.

Nehmen Sie zum Beispiel ein Wasserstoffatom, ein gebundenes Proton und Elektron. Es gibt sicher ein echtes elektromagnetisches Feld im Inneren des Atoms, das es zusammenhält. Dieses elektromagnetische Feld ist sicherlich kein Teilchen im klassischen Sinne. Bei Quantenfeldern können wir wählen, das elektromagnetische Feld in Form von Photonen darzustellen (dh eine photonenähnliche Basis von Zuständen verwenden, um das Feld zu beschreiben). Aber dabei sehen wir, dass die Photonen im Inneren eines Wasserstoffatoms nicht wie vertraute strahlende Photonen im freien Raum sind, sondern etwas anderes, irgendwie virtuelles.

Wiederum ist das Einzige, was fundamental und real ist, das Quantenfeld , das sich nicht um die Unterscheidung kümmert, die wir zwischen realen und virtuellen Teilchen oder zwischen Teilchen und Wellen treffen. Trotzdem lassen wir uns gerne lustige Namen einfallen, um uns an die Realität zu gewöhnen. Aber vielleicht ist der Begriff „virtuelles Teilchen“ eher irreführend als hilfreich.

Virtuelle Teilchen sind Linien in einem Feynman-Diagramm, sie entsprechen keinem Zustand irgendeines Feldes .
Ich bin kein Spezialist für Feldtheorie. Wie Nanite sagt, scheint das Feld besser geeignet zu sein, um damit zu arbeiten, und natürlich ist das Partikelbild in verschiedenen Fällen recht praktisch. Aber egal ob Feld oder Teilchen, gibt es MATERIE zwischen den beiden geladenen Teilchen und weit voneinander entfernt?
@ACuriousMind: Sie erkennen, dass dies das Feynman-Diagramm-Äquivalent der "Halt die Klappe halten und berechnen Interpretation" der Quantenmechanik ist. Leuten zu sagen, dass sie nicht denken sollen, ist immer eine schlechte Idee.
@ACuriousMind, Wenn virtuelle Partikel nur Linien in einem Diagramm sind, bedeutet dies, dass sie wirklich virtuell sind und nicht nur "nicht nachweisbar", wie Sie in Ihrem Kommentar zum OP sagten.
Nichtsdestotrotz haben diese "Nicht-Teilchen"-Merkmale eine Art Entsprechung mit irreduziblen Repräsentationen wie Photonen und Elektronen

Virtuelle Teilchen sind per Definition nicht beobachtbar. Sie repräsentieren "innere Linien" in Feynman-Diagrammen. Zum Beispiel dieses Diagramm:

Hier bewegen sich zwei Elektronen aufeinander zu, interagieren und bewegen sich dann voneinander weg. Die äußeren Linien stellen "echte" Elektronen dar, die wir messen/beobachten können. Die innere Linie ist hier eine Anregung des elektromagnetischen Feldes, das wir ein „virtuelles Photon“ nennen. Ebenso virtuelle Elektronen/Quarks/Gluonen/etc. alle entsprechen internen Linien in Feynman-Diagrammen. Virtuelle Teilchen sind also per Definition nicht beobachtbar. Wenn sie beobachtbar wären, wären sie nicht virtuell.

Nur um den Anwalt des Teufels zu spielen, können Sie nicht sagen, dass wir diese beobachten, indem wir experimentell verifizieren, dass die von Feynman-Diagrammen berechneten Wahrscheinlichkeiten korrekt sind? Dies ist sicherlich ein ebenso konkreter Nachweis wie jeder, den wir für das Higgs-Boson haben.
@PeterShor: Was beobachtbar ist, ist die Summe aller Feynman-Diagramme für alle Befehle. Es gibt keinen Prozess, der einem Baumdiagramm, einem Einschleifendiagramm usw. entspricht. Virtuelle Partikel sind nur ein Berechnungswerkzeug. Sie existieren nicht.
@Jerry: wieder Devil's Advocate spielen, wenn sie dann nicht existieren, wie um alles in der Welt kommt das Universum zu den richtigen Wahrscheinlichkeiten für Prozesse in der Teilchenphysik? Benutzt Gott virtuelle Teilchen nur als Berechnungswerkzeug und würfelt dann, um zu entscheiden, was passiert? Einstein würde widersprechen :-).
@PeterShor: Nichts zwingt Sie, Amplituden mithilfe der Störungstheorie zu berechnen. Wenn Sie es nicht verwenden, müssen Sie Feynman-Diagramme und virtuelle Partikel überhaupt nicht aufrufen.
@Jerry: Wie soll ich dann Amplituden berechnen? Ich denke, das trifft den eigentlichen Kern der Frage.
@PeterShor: hängt davon ab, welchen Formalismus Sie verwenden. Wenn Sie eine Gitter-QCD durchführen, können Sie das Pfadintegral direkt berechnen. Unabhängig davon ist die Frage, wie viele virtuelle Teilchen es gibt und welche "Wege" sie nehmen, wenn Sie Störungsfeldtheorie betreiben, bedeutungslos. Es gibt kein einzelnes Diagramm, sondern nur die Summe von allen.
An alle Leute, die meine Frage freundlicherweise berücksichtigt haben: Wenn ich die Physik beurteile, bin ich ein Materialist, ich bin der Meinung, dass alle Eigenschaften und Aktionen, die wir beobachten, zur MATERIE gehören. Fernwirkung zu postulieren erscheint mir aus folgendem Grund nicht akzeptabel. Die Materie hat, obwohl sie so vielfältig ist, eine einzigartige Art, mit einer bestimmten Art von Problem umzugehen, dh zum Beispiel überträgt sie in einem Dielektrikum ein Feld von einem atomaren Dipol zu einem atomaren Dipol. Im Vakuum wird es wahrscheinlich dasselbe tun.
(Fortsetzung) Ich meine, es ist plausibel, dass im Vakuum die Übertragung von einem Elektron-Positron-Dipol zu einem anderen erfolgt.
@Sofia Warum die Ablehnung? Nichts, was ich gesagt habe, ist ungenau.
@jld: Vielleicht dachte jemand, deine Antwort hätte keinen Inhalt. „Virtuelle Teilchen sind also per Definition nicht beobachtbar. Wenn sie beobachtbar wären, wären sie nicht virtuell.“ klingt wie eine bedeutungslose Tautologie.
@PeterShor Wie ist es eine Tautologie zu sagen, dass etwas per Definition wahr ist?
Es hört sich so an, als wollten Sie sagen, dass alles, was nicht tatsächlich beobachtet wird (dh keine externe Linie in einem Feynman-Diagramm), per Definition virtuell ist. Teilchen sind also virtuell, weil sie nicht beobachtet werden, und Teilchen werden nicht beobachtet, weil sie virtuell sind. Und sie existieren nicht, weil wir sie nicht beobachten können, denn wenn wir sie beobachten würden, dann wären sie per Definition nicht virtuell.
@PeterShor Es scheint, als würden Sie sich alle Mühe geben, es absurd klingen zu lassen. Virtuelle Teilchen sind definitionsgemäß interne Linien. Interne Linien werden per Definition nicht beobachtet. Daher werden virtuelle Teilchen per Definition nicht beobachtet. Es ist nicht kompliziert, und es ist nicht kreisförmig. Beachten Sie auch, dass ich nie gesagt habe: „Teilchen sind virtuell, weil sie nicht beobachtet werden“. Das folgt einfach nicht aus der Logik.
@jld: Was ist die Definition einer externen Leitung, wenn es nicht etwas ist, das beobachtet wird? Eine interne Linie ist also etwas, das nicht beachtet wird.
@PeterShor Eine externe Leitung erfordert keine Beobachtung, wie Sie anscheinend andeuten. Das ist einfach schlechte Logik. Äußere Linien entsprechen Partikeln, die beobachtet werden können, aber nicht müssen.
Aber wenn eine externe Linie jemals mit einem anderen Teilchen interagiert, wird sie dann nicht automatisch zu einer internen Linie in einem größeren Feynman-Diagramm? Und wenn wir es nicht beobachten, wird es nicht interagieren?
Lassen Sie mich anmerken, dass ich nicht denke, dass die Antwort schlecht ist, und ich denke, dass sie die konventionelle Weisheit genau widerspiegelt. Ich habe nur versucht, eine mögliche Antwort auf "Warum die Ablehnung?" zu geben. Und wie Sie wahrscheinlich mitbekommen haben, halte ich auch die konventionelle Weisheit nicht für sehr weise.
@PeterShor Ich verstehe, was Sie sagen, dass alles, womit wir interagieren, ein bisschen aus der Schale sein muss, aber ich denke, Sie führen die Interpretation von Feynman-Diagrammen zu weit. Sie sind nur Annäherungswerkzeuge. Teilchen befinden sich auch nicht "wirklich" in Impuls-Eigenzuständen. Wenn ich beschreiben wollte, was "wirklich" vor sich geht, würde ich zunächst nicht die Störungstheorie oder virtuelle Teilchen verwenden.

Die wahren Kraftvermittler sind die Quantenfelder.

Eine gründliche Erörterung virtueller Teilchen und ihrer Eigenschaften (und ihrer möglichen Existenzweise) findet sich in den folgenden zwei neueren Essays von mir:

Die Physik virtueller Teilchen

Missverständnisse über virtuelle Teilchen

Von der Einleitung bis zum zweiten Essay:

„Virtuelle Teilchen werden als (intuitive Bilder für) interne Linien in einem Feynman-Diagramm definiert. Ihr Name leitet sich in Analogie zu den äußeren Linien ab, die mit beobachtbaren stabilen oder instabilen Teilchen verbunden sein können. Der 4-Impulsvektor eines virtuellen Teilchens hat die physikalische Bedeutung einer Integrationsvariablen in dem dem Diagramm entsprechenden Integral und nimmt alle möglichen Werte an, wodurch es sich von der Schale abhebt.

Zustände, an denen virtuelle Teilchen beteiligt sind, können nicht erzeugt werden, da die Quantenfeldtheorie Erzeugungsoperatoren nur für beobachtbare Teilchen hat, deren 4-Impuls die Masse-Hülle-Einschränkung erfüllt. Mangels eines Zustands haben virtuelle Teilchen keine der üblichen physikalischen Eigenschaften realer Teilchen: Man kann nicht sagen, dass sie in Raum und Zeit existieren, sie haben keine Position, keine sinnvolle Wahrscheinlichkeit, irgendwo erzeugt oder zerstört zu werden, keine Lebenszeit, kann es nicht irgendetwas verursachen, mit irgendetwas interagieren oder irgendetwas beeinflussen. Daher gibt es auch keine Dynamik, Bewegungsgeschwindigkeit oder Weltlinien. (In der Physik ist Dynamik immer an Zustände und eine Bewegungsgleichung gebunden. Für virtuelle Teilchen gibt es beides nicht.) [...]

Die übliche dynamische Sprache für virtuelle Teilchen wird durch die Theorie nur als rein bildliche Analogie in der „virtuellen Realität“ gerechtfertigt, nützlich für informelle Gespräche über komplizierte Formeln und für oberflächliche Zusammenfassungen in Vorträgen, die die Fantasie des Publikums anregen.

Dies muss beachtet werden, wenn man in wissenschaftlichen Fachpublikationen Aussagen über virtuelle Teilchen liest. Andernfalls werden viele Aussagen völlig irreführend und laden zu einem magischen Blick auf die Mikrophysik und seltsame Spekulationen ein, ohne die geringste Unterstützung durch Theorie oder Experiment.“

Das ist nur die Spitze eines Eisbergs....

Während dieser Link die Frage beantworten kann, ist es besser, die wesentlichen Teile der Antwort hier einzufügen und den Link als Referenz bereitzustellen. Nur-Link-Antworten können ungültig werden, wenn sich die verlinkte Seite ändert. - Aus Bewertung
Ich habe in meinem Aufsatz dort nur das Wesentliche geschrieben. Man braucht wirklich eine ausgedehnte Diskussion, um all die Dinge zu klären, die typischerweise in den Diskussionen auftauchen – kurze Antworten werden dem Problem nicht gerecht. Aber ich werde ein wenig aus dem zweiten Artikel hinzufügen.
Nun, die Virtuellen behalten die Quantenzahlen ihres Namens im Auge.
@annav: Ja, es ist ein Buchhaltungsgerät, nichts Echtes.

Sie können die Definition eines virtuellen Partikels in jedem Lehrbuch oder in der Antwort von jld nachschlagen, da es sich nur um eine Definition handelt.

Die Existenz von irgendetwas wird sofort zu einem ontologischen Problem und unterliegt der Interpretation. Mit dem Aufkommen der Quantenmechanik forderten ihre Gegner Realität. 2016 wird in StackExchange Physics nach der Realität von Photonen oder virtuellen Teilchen gesucht.

Ich würde sagen, virtuelle Teilchen sind so real wie reale Teilchen, soweit es sinnvoll ist, über die Realität physischer Objekte zu sprechen.

Es gibt jedoch ein paar Komplikationen in der Angelegenheit.

  1. Es ist sehr schwierig, Teilchen mit Wechselwirkungen zu definieren. Bei einem elektronischen System mit einigen Freiheitsgraden und einem Photonensystem mit einigen mehr Freiheitsgraden macht die Quantenevolution alle exakten Einzelteilchenbilder verschwinden/ungültig. Zum Beispiel erfordert das Entfernen eines Elektrons von einem Atom 5 eV Energie, diese Energie bestand aus einer riesigen Menge virtueller Photonenwechselwirkungen usw. Es war nicht nur die Energie des Elektrons. Teilchen sind sowieso nur ungefähre Werkzeuge, um Quantenfelder zu verstehen. Das ist der Grund für die ganze Verwirrung in „Was ist wirklich Photon?“. Frage und all die Verwirrung über Teilchen-Wellen-Dualitäten und so weiter. Ich glaube, Higgs ist nur eine Resonanz eines Feldes und immer virtuell, da es nicht direkt beobachtet wird. Aber niemand sagt, dass Higgs nicht real ist (ich auch nicht).

Es gibt ein schönes Zitat von Pauli:

Von Ihren Forderungen für eine Zukunft [. . . ] Feldtheorie erscheint die Forderung: „Ein einzelnes Teilchen soll als triviale Lösung der Grundgleichungen erscheinen“ (von der ich weiß, dass sie seit Monaten Ihre Lieblingsforderung ist) eher fragwürdig, da ein geladenes Teilchen nichts Triviales ist. (Pauli an Heisenberg, 16. Juli 1934)

Quelle

  1. Teilchen, die sich asymptotisch frei ausbreiten, sind leichter zu definieren, da sie nicht mehr interagieren. Die Pole ihrer Propagatoren sind punktförmig und geben zum Beispiel gut definierte Energie und Impuls. Die gesamte Streuungstheorie basiert auf diesen asymptotischen Zuständen freier Teilchen, und alle Wechselwirkungen, die während der Streuung auftreten können, werden als virtuell bezeichnet.

  2. Etwas, das schwer ist, macht es nicht real/virtuell. Ich akzeptiere die meisten Argumente, dass virtuelle Teilchen nicht real sind, nicht ganz. Sie folgen den gleichen Bewegungsgleichungen (sie "sind"/werden durch den gleichen Propagator beschrieben), also was ist, wenn sie sich nicht in ihrer Masse-Hülle befinden. Wenn sich etwas quantenmechanisch verhält und durch Wechselwirkungen sein Einzelteilchenbild verloren hat, ist es dadurch nicht weniger real als die spezielle asymptotische Lösung des Teilchens im freien Raum.

Und noch ein paar lockere Diskussionen

In der Quantenmechanik gibt es immer "Quantenzustandsrelativität" (ich habe dieses Wort gerade erfunden). Wenn Sie den Detektor oder Sie als innerhalb Ihrer Streumatrix betrachten, dann werden Sie selbst zu einer virtuellen Ansammlung von Propagatoren. Also muss definiert werden, was sich innerhalb und außerhalb eines Quantensystems befindet. (Normalerweise ist es in einem normalen Experiment trivial.) Jetzt definieren wir, dass das, was innen passiert, als virtuell bezeichnet wird und was von/nach außen kommt/geht, als real bezeichnet wird, weil wir als Menschen immer noch auf der klassischen Realität bestehen! Genau wie in den 20ern.

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