Virtuelle Teilchen und physikalische Gesetze

Der Grund für viele widersprüchliche Aussagen über die Natur virtueller Teilchen liegt darin, dass sie oft für heuristische Erklärungen von Phänomenen herangezogen werden, die im Rahmen der Quantenfeldtheorie auftreten. Diese Erklärungen versucht man dann zu rechtfertigen, indem man virtuellen Teilchen bestimmte Eigenschaften zuschreibt, die sie eigentlich gar nicht besitzen.

Was virtuelle Teilchen eigentlich sind:

Per Definition ist ein virtuelles Teilchen eine innere Linie in einem Feynman-Diagramm. Letztere werden in der Störungsquantenfeldtheorie verwendet, um die Berechnung von Reihenentwicklungen zu erleichtern. Dazu zeichnet man solche Diagramme, für die jede Linie und jeder Knoten (Knoten) einen genau entsprechenden mathematischen Ausdruck hat, der niedergeschrieben werden muss. Auf dieser Berechnungsebene gibt es keine physikalische Interpretation eines einzelnen Feynman-Diagramms, physikalische Bedeutung wird nur dem Endergebnis der Berechnung beigemessen. Ein virtuelles Teilchen, das nichts anderes ist als eine Linie in einem Hilfsdiagramm, ist an sich nichts physikalisch Bedeutsames.

Wie sie mit physikalisch bedeutsamen Größen zusammenhängen:

Wie oben erwähnt, entstehen virtuelle Teilchen innerhalb von Diagrammen in störungsbedingten Entwicklungen von Größen, die man in der Quantenfeldtheorie berechnet. Eine solche Größe wäre die Energie des Vakuums (daher die Aussage "es gibt nichts wie den leeren Raum"), andere wären Teilchenzerfallsraten oder Streuquerschnitte, und es gibt viele andere Beispiele. Man kann sich virtuelle Teilchen als mathematische Beiträge zum Endergebnis der Berechnung vorstellen, aber nicht mehr. Achten Sie darauf, die Teilchenanalogie nicht zu weit zu treiben.

In Bezug auf die Verwirrung über ihre Realität:

Da bestimmte Phänomene in der Quanten-(Feld-)Theorie kontraintuitiv erscheinen mögen (z. B. Vakuumenergie), fühlt man sich wohler mit einem netten, einfachen Bild, das man heranziehen kann, um sie zu erklären. Dies gilt insbesondere, wenn man es Laien erklärt, was im Wesentlichen die populärwissenschaftliche Arbeit ist (wie A Brief History of Time). Hier setzen virtuelle Teilchen an: Da sie mathematisch zur Beschreibung dieser Phänomene beitragen, werden sie auch in heuristischen Erklärungen verwendet. Man kann sich leicht vorstellen, dass ein Teilchen ausgetauscht wird oder ein Teilchenpaar entsteht und nach kurzer Zeit vernichtet wird. Aber das bedeutet nicht, dass es tatsächlich in der Realität passiert. Es ist ein schönes und einfaches Bild, mehr nicht. Aber wenn man so weit gehen will, ihre Realität ernst zu nehmen, muss man zusätzliche Konzepte anführen, um dies zu rechtfertigen. Aus diesem Grund wird oft die Energie/Zeit-Unsicherheit verwendet, um die Existenz virtueller Teilchen zu erklären.

Hier ist ein einfaches Feynman-Diagramm.

Elektron-Elektronen-elastische Streuung, wenn die Zeit die y-Achse ist, (Elektron-Positron-Elastik-Streuung, wenn die Zeit die x-Achse ist)

Echte Teilchen sind die ein- und ausgehenden Teilchen, die in einem Experiment im Labor gemessen werden können. Das ausgetauschte Photon wird virtuell genannt.

Der Unterschied zwischen realen Teilchen und virtuellen Teilchen in der mathematischen Definition besteht darin, dass virtuelle Teilchen keine Massenhülle sind, dh sie haben alle Quantenzahlen, die das Teilchen mit seinem Namen identifizieren, aber nicht die Masse, die je nach Integration positiv negativ oder Null sein kann . Reale Teilchen haben außer ihren Quantenzahlen auch eine identifizierende Masse.

Dies muss so sein, weil das Feynman-Diagramm eine symbolische Abkürzung für eine Integration ist, die über alle internen Variablen stattfindet, die den Wirkungsquerschnitt der Streuung zweier Elektronen in zwei Elektronen identifizieren.

Was real und was virtuell ist, hängt in einem sehr realen Sinne von den Grenzwerten unserer Berechnung ab. In diesem Diagramm vernichtet ein Elektron ein Positron in zwei Quarks und ein Gluon

das Elektron und das Positron sind auf realen Teilchen der Massenhülle bekannt, das Photon ist virtuell, und im strengen Sinne des Feynman-Diagramms, da Quarks und Gluonen nicht frei sein können, sondern sich an andere Quarks und Gluonen binden müssen, sollte das Ausgehende ebenfalls als virtuell betrachtet werden. Dort ersetzen wir den Begriff eines Gluon-Jets durch zwei im Labor gut messbare Quark-Jets und taufen die ausgehenden drei Real.

Das normale physikalische Gesetz, das durch virtuelle Teilchen verletzt wird, ist die Massenhülle, wie oben erklärt. Alle anderen Größen, die die Teilchen identifizieren, sind da, deshalb können wir virtuelle Elektronen und virtuelle Photonen haben, nur die Masse wird im Rahmen der Berechnungen für die interessierenden Größen in einer physikalischen Messung nicht berücksichtigt.

Das Heisenbergsche Unschärfeprinzip entsteht, wenn wir Grundzustände in der Energie betrachten, und es gibt Diagramme, in denen das Vakuum aus virtuellen Teilchen besteht, die erzeugt und vernichtet werden, weil wir aufgrund der Heisenbergschen Unschärfe niemals Nullenergie messen können. Es gibt nichts, was die Masse für das HUP einschränkt, daher gibt es keinen Konflikt bei der Beschreibung von Situationen mit solchen virtuellen Teilchen. Es gibt wenige Situationen, in denen die Wirkung von Vakuumschwankungen messbar ist, eine davon ist die Hawking-Strahlung. Ein weiterer ist der Casimir-Effekt .

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Diese Frage nach der Bedeutung von "virtuell" taucht immer wieder auf, und ich glaube, die Verwirrung entsteht, weil die meisten von uns dazu neigen, drei verschiedene Frameworks zu verwechseln:

1) Ein Rahmen sind die symbolischen Feynman-Diagramme,

2) der zweite ist der mathematische Rahmen von Integralen innerhalb von Integralen in jeder Berechnung von Querschnitten usw.

3) und der dritte ist der Mess-/physikalische/Laborrahmen.

Mit großem Einfallsreichtum nahm Feynman die komplizierten Integrationen in Streuungsberechnungen vor seiner "Erfindung" der Diagramme und stellte eine Eins-zu-Eins-Entsprechung des mathematischen Rahmens zu einem konsistenten System von Diagrammen mit Regeln für die Umwandlung in Integration her. Das vereinfachte das Einrichten des Programms für Berechnungen enorm.

Dann kommt die Identifizierung der symbolischen Diagramme zum Labor-/Messrahmen. Dies geschieht, indem die Anfangswerte aus dem betrachteten Experiment genommen und die Werte für das Ergebnis des Experiments vorhergesagt werden.

Die Anfangs- und Endzustände sind diejenigen, die im Labor gemessen werden und die Mathematik an die Realität / das Experiment nageln, und daher werden die ankommenden und abgehenden Linien in den Diagrammen als "real" bezeichnet.

Die Zwischenlinien werden virtuelle Teilchen genannt, weil sie, wie ein virtuelles optisches Bild, ein Analogon der realen Teilchen sind, weil sie alle Quantenzahlen der realen Teilchen außer der Masse tragen, sie sind masseferne Hüllen.

Normalerweise sind die drei Rahmen nicht logisch getrennt, weil es keine Notwendigkeit gibt, es gibt kein Problem, wenn man schlampig ist, ob man über Mathematik oder Diagramme oder Labormessungen spricht. Die Berechnungen passen und das war's.

Verwirrung entsteht, wenn man an das Vakuum und an die Hawking-Strahlung denkt.

Wir können Feynman-Diagramme zeichnen, die der Nullpunktsenergie mit virtuellen Teilchen ohne ein- und ausgehende Linien entsprechen. Die Grenzwerte sind durch die Heisenbergsche Unschärferelation gegeben, die die Übereinstimmung mit der physikalischen Realität darstellt (es ist als Postulat für die mathematische Modellierung der Elementarteilchenphysik mit der Quantenfeldtheorie nicht entkräftet). Somit haben wir die drei Frameworks.

Bei der Frage, ob irgendwelche echten Teilchen herauskommen können, ist es eine Frage des ersten und zweiten Rahmens, der Diagramme und der damit verbundenen mathematischen Berechnungen. Die Antwort dort ist ja, wenn Energie über die HUP-Unsicherheit hinaus geliefert werden kann, und das ist es, was die Hawking-Strahlungshypothese für Schwarze Löcher zulässt. Es ist noch in den ersten beiden Rahmen eine mathematische Vorhersage, bis irgendein ausgeklügeltes Experiment in der Lage sein wird, die Strahlung zu zeigen, die von einem Schwarzen Loch kommt.