Virtuelle Teilchen echt? Virtuelle Teilchen erschaffen ein Universum? [geschlossen]

1. Das Vakuum ist im wahrsten Sinne des Wortes "leer". Was wir in der Quantenfeldtheorie „Teilchen“ nennen, sind Zustände, die durch sogenannte Vernichtungs- und Erzeugungsoperatoren erzeugt werden, die das „Subtrahieren“ und „Hinzufügen“ eines Teilchens eines bestimmten Typs zu einem Zustand darstellen. Das freie Vakuum ist per Definition genau der Zustand, von dem man nichts abziehen kann, also „leer“. Das wechselwirkende Vakuum ist per Definition der am niedrigsten liegende Energiezustand, aber wir können nicht von Teilchen für wechselwirkende Zustände sprechen, daher ist es sinnlos zu fragen, ob es "leer" ist.

2. Das „kochende Teilchengebräu“ ist eine Fehlinterpretation dessen, was sogenannte Vakuumblasen bedeuten. Sie sind die Feynman-Diagramme, die zur Energie des wechselwirkenden Vakuumzustands beitragen, und wenn innere Linien solcher Diagramme tatsächliche Teilchen beschreiben würden, dann würden diese Diagramme eine kontinuierliche Erzeugung und Vernichtung von Teilchen im Vakuum bedeuten. Aber die inneren Linien von Feynman-Diagrammen sind nicht mit tatsächlichen Teilchenzuständen verbunden (dh kein Erzeugungs-/Vernichtungsoperator der freien Theorie gehört zu ihnen), also ist dies Unsinn. Es gibt keine Teilchen im Vakuum und sie erschaffen kein Universum.

3. Er interpretiert Feynman-Diagramme falsch, um Laien, die das Buch lesen, ein magisches und mysteriöses, aber mathefreies Bild davon zu vermitteln, worum es in der Quantenfeldtheorie geht. Dieses Bild ist fast völlig falsch.

4. Es ist der am niedrigsten liegende Energiezustand der Theorie und der Beginn der sogenannten Störungstheorie. Nicht viel mehr.

Mein Essay Misconceptions about Virtual Particles erklärt im Detail den Unterschied zwischen der populärwissenschaftlichen Sichtweise virtueller Teilchen, die in und aus der Existenz auftauchen, und der physikalischen Sichtweise virtueller Teilchen als nützliche (aber buchstäblich virtuelle) Bilder, um über komplizierte Integrale für die Berechnung von zu sprechen Streuamplituden. Aus der Einleitung:

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 in wissenschaftlichen Fachpublikationen Aussagen über virtuelle Teilchen gelesen werden. 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.

Als Experimentator weiß ich, dass es Elementarteilchen gibt, Teilchen, die wir mit unseren Detektoren messen und die manchmal makroskopischen Teilchen ähnlich sind (wie eine Billardkugel), und manchmal ein statistisches Verhalten zeigen, das sinusförmige/wellenartige Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen hat (dh wenn bei vielen von ihnen unter gleichen Randbedingungen zeigen die Verteilungen ihres räumlichen Verhaltens wellenartige Interferenzen ) .

Hier ist ein Link, der Blasenkammerfotos der Spuren von Elementarteilchen zeigt.

Eine große Anhäufung von Messungen ermöglichte die Formulierung der Quantenmechanik (im Gegensatz zur klassischen Mechanik) und die Entwicklung mathematischer Modelle, die das Streu- und Zerfallsverhalten von Elementarteilchen beschreiben und neue vorhersagen können. Diese Modelle hängen auf gewundene Weise von Erweiterungen in Reihen und Integralen über Funktionen ab und wurden mit den symbolischen Darstellungen von Feynman-Diagrammen vereinfacht. Es gibt eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen einem Feynman-Diagramm und einem Term in der Summe, um den Querschnitt zu erhalten usw.

Ein Beispiel für die Streuung von e+e- zu einem mu+ mu- Feynman-Diagramm zeigt die in einem Detektor messbaren realen Teilchen als ein- und ausgehende Linien und ein virtuelles Photon, das Energie und Impuls und Quantenzahlen austauscht. Es ist virtuell, weil eine Integration über die Variablen impliziert wird, so dass, obwohl es die Photonenquantenzahlen hat, seine Masse weder Null noch fest ist, weil es innerhalb der Integrationsgrenzen spielt. Es gibt viele Diagramme höherer Ordnung mit viel mehr Austauschen, aber dies ist die Baumebene mit dem höheren Koeffizienten in der Störungsentwicklung.

Somit impliziert das Wort „virtuell“ „Integration innerhalb von Grenzen“ und steht im Gegensatz zu „real“, wo das Teilchen eine feste, unveränderte Masse hat und in den Detektoren gemessen werden kann.

Jetzt hat sich die Feldtheorie in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den Feynman-Diagrammdarstellungen entwickelt, wo der gesamte Raum Operatoren hat, die Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren genannt werden, die die Felder darstellen. Es ist eine mathematisch zufriedenstellende Darstellung für die meisten theoretisch interessierten Physiker, aber der Grund, auf dem die Feldtheorie validiert wird, sind die Feynman-Diagrammintegrationen, die durch die Wellenfunktionen einer bestimmten quantenmechanischen Gleichung begrenzt sind (Schrödinger, Klein Gordon, Dirac).

Auf der einfachen Feynman-Darstellung kann man das Vakuum als aus der Heisenberg-Unschärfebedingung herrührend verstehen . Innerhalb der Integrationsgrenzen der Heisenbergschen Unsicherheit können virtuelle Teilchen-Antiteilchen-Paare existieren, aber das bedeutet, dass sie nicht real sind, dh nicht auf einer Massenhülle, weil das Vakuum sehr wenig Energie zur Verfügung hat und Energie benötigt wird, um sie in real zu materialisieren. Dass dies wahr ist, ergibt sich aus Berechnungen höherer Ordnung als im obigen Beispiel, wo der Beitrag zu Querschnitten usw. dieser möglichen virtuellen Teilchen messbar ist.

In einem Blogbeitrag diskutiert Lubos Motl das Vakuum , beginnend mit der Geschichte, und fragt: „Ist das Vakuum leer und langweilig?“ Betonung der Erhaltungsgesetze und Schlussfolgerung:

Fragen zu Werten lokaler Felder können in der Quantenfeldtheorie zu unsicheren und schwankenden Antworten führen (diese Vorhersagen werden nur dann physikalisch, wenn Sie diese Observablen tatsächlich messen: Sie können niemals annehmen, dass bestimmte bevorzugte Werte ohne jede Messung "objektiv existieren". Aber wenn Sie ein Beobachter sind, der sich um die Gesamtenergie oder den Gesamtimpuls (oder den Gesamtdrehimpuls usw.) des Vakuums kümmert, ist die Situation ganz anders. Die Quantenfeldtheorie sagt eindeutig (und es gibt keinen Widerspruch zum vorherigen Satz), dass das Vakuum schließlich leer und langweilig ist.

Nach dieser Präambel:

1. Ist das Vakuum leer oder nicht?

Es hängt von der jeweiligen Beobachtung ab, und Beobachtung bedeutet Energieaustausch und Feynman-Diagramme.

2. Gibt es Teilchen im Vakuum und können sie ein Universum erschaffen?

Je nach Experiment, ja, es wird messbare Effekte virtueller Teilchen im Vakuum geben. Zum Beispiel die Hawking-Strahlung, bei der die Energie, um einen auf die Granate zu bekommen, vom Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs bereitgestellt wird.

Die Erschaffung eines Universums gehört nicht zum heutigen Wissen der Physik. Es kann eine Hypothese innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie sein, bei der Energieerhaltung manchmal strittig ist.

3. Aber wenn virtuelle Teilchen nur ein mathematischer „Trick“ sind, um etwas zu berechnen, was meint dann Lawrence Krauss?

Extrapolieren für den Fall, dass Energie keine Erhaltungsgröße ist und hoffen, dass sein Vorschlag richtig ist.

4. Was hat es mit dem Vakuum auf sich?

Wie oben zitiert

Wenn Sie ein Beobachter sind, der sich um die Gesamtenergie oder den Gesamtimpuls (oder den Gesamtdrehimpuls usw.) des Vakuums kümmert, ist die Situation ganz anders. Die Quantenfeldtheorie sagt eindeutig (und es gibt keinen Widerspruch zum vorherigen Satz), dass das Vakuum schließlich leer und langweilig ist.

Energie muss durch Wechselwirkungen bereitgestellt werden, damit das Vakuum bevölkert werden kann.

Ich lese das Buch von Lawrence Krauss „Ein Universum aus dem Nichts“, in dem er erklärt, dass das Vakuum nicht leer ist. Es ist ein kochendes Gebräu aus virtuellen Teilchen, die aus ihrer Existenz hervorgehen. Und sie können ein Universum erschaffen, sogar den Weltraum.

Ich fürchte, dies ist ein popwissenschaftliches Buch, es ist ziemlich spekulativ und "provokativ" .

Aber virtuelle Teilchen sind innere Linien in einem Feynman-Diagramm. Sie konvergieren in einem Scheitelpunkt und so weiter. Sie sind Off-Shell.

Das ist richtig. Virtuelle Teilchen sind virtuell . Sie sind keine kurzlebigen realen Partikel, die spontan ein- und ausgehen, wie Würmer aus Schlamm. Sie sind nicht dasselbe wie Vakuumschwankungen. Sie sind Feldquanten. Es ist, als ob Sie das elektromagnetische Feld der Elektronen in kleine abstrakte Stücke aufteilen und sagen, dass jedes ein virtuelles Teilchen ist. Wenn dann das Elektron und das Proton ein Wasserstoffatom bilden, "tauschen sie das Feld aus", so dass das Wasserstoffatom nicht mehr viel Feld übrig hat. Aber sie zaubern Photonen nicht wirklich hoch und schleudern sie hin und her. Wasserstoffatome funkeln nicht.

Ich bin ein Laie und kann dieses Zeug nicht klar fassen. Meine Frage: Ist das Vakuum leer oder nicht?

Nein. Raum ist nicht nichts. Und Vakuumschwankungen sind real, sie sind das elektromagnetische Äquivalent der kleinen Wellen auf der Meeresoberfläche. Aber der Weltraum ist nicht eine brodelnde Masse von Teilchen wie Elektronen und Positronen oder Protonen und Antiprotonen oder Photonen oder Neutrinos, die erzeugt und zerstört werden.

Gibt es Teilchen im Vakuum und können sie ein Universum erschaffen?

NEIN.

Aber wenn virtuelle Teilchen nur ein mathematischer „Trick“ sind, um etwas zu berechnen, was meint dann Lawrence Krauss?

Ich weiß es nicht ohne Weiteres. Können Sie einen bestimmten Absatz zitieren? Bis dahin verwechselt er meiner Meinung nach virtuelle Partikel mit Vakuumschwankungen und macht unbewiesene Behauptungen, die darauf abzielen, sein Profil zu schärfen und sein Buch zu verkaufen. NB: Anna sagte, Energiesparen sei manchmal strittig, aber dem stimme ich nicht zu. Ich kenne keine Situation, in der Energie nicht gespart wird. Außerdem muss ich darauf hinweisen, dass die Hawking-Strahlung nach vierzig Jahren hypothetisch bleibt und die gegebene Erklärung Teilchen mit negativer Energie erfordert . Ich kenne keine Teilchen mit negativer Energie.

Was hat es mit dem Vakuum auf sich?

Siehe den Spannungs-Energie-Impuls-Tensor . Es "beschreibt die Dichte und den Fluss von Energie und Impuls in der Raumzeit". Sie können den Raum auf Druck und Scherung belasten. Es ist wie dieses glasklare, gespenstische Gummiband, mit dem man sich krümmen und Dinge tun kann.