Warum sind nicht alle Photonen virtuelle Teilchen, selbst im "Vakuum" des leeren Raums? [Duplikat]

Photonen haben nicht die Eigenschaft virtueller Teilchen, aber es ist nicht Ihre Argumentation, die fehlerhaft ist, Sie sind einfach einer ungenauen Verwendung von Terminologie zum Opfer gefallen.

Lassen Sie mich mit meiner Sichtweise des Welle/Teilchen- Dualismus beginnen. Die meisten Bilder von "Teilchen" und "Wellen" stammen aus einer Zeit, als wir die Quantenwelt wirklich nicht verstanden haben, und einige Eigenschaften von Licht (und Materie, siehe Doppelspalt mit Elektronen) schienen so zu sein, als ob es so wäre eine klassische Welle, und einiges davon war, als wäre es ein punktartiges Objekt im Raum mit definierter Position/Impuls ( ein Teilchen in einigen Diktionen). Aber keine der Beschreibungen erfasst die Essenz dessen, wie sich das Quantenobjekt Photon/Elektron/Quark/was auch immer wirklich verhält: Ein Zustand in einem Fock-Raum, wobei die Erzeugungs-/Vernichtungsoperatoren die Moden eines quantisierten Feldes sind (zB das Vektorpotential der Elektrodynamik, das die Erzeuger/Vernichter von Photonen liefert). Und das ist es. „Welle“ und „Teilchen“ sind Konzepte, die einige der Eigenschaften des Quantenobjekts erfassen (Interferenzfähigkeit bzw. Besitz von Impuls/Position), aber sie sind nicht das, was es wirklich ist.

Nun, für diese Quantenobjekte (ich werde sie von jetzt an Teilchen nennen, einfach weil das der übliche Begriff ist, aber bedenken Sie, dass diese Dinge keine kleinen Kleckse im Raum sind), kann man Feynman-Diagramme zeichnen , die Ihnen etwas über die aussagen Wahrscheinlichkeit, dass sich eine gegebene Ansammlung von Anfangsteilchen zu einer gegebenen Ansammlung von Endteilchen entwickelt. Beim Zeichnen entspricht jede Linie einem Teilchen, das sich durch die Raumzeit "ausbreitet". Es kann nun vorkommen, dass es interne Linien gibt , dh Linien, die nicht an einem Anfangs- oder Endzustand beginnen oder enden. Die Teilchen, die man diesen inneren Linien zuordnen würde, nennt man virtuell, weil sie, wie sich in der expliziten Berechnung herausstellt, nicht den physikalischen Gesetzen auf der Schale gehorchen müssen, die reale Teilchen tun - sie können Energien haben, die nicht mit ihren Impulsen und Massen übereinstimmen, dh sie verletzen die speziellen Masse-Energie-Beziehungen Relativitätskräfte auf jedes reale Teilchen. Da sie aber nicht mit Anfangs-/Endzuständen verbunden sind, können sie niemals beobachtet werden – daher der Begriff virtuell .

Jedes Teilchen, das in einem Detektor klickt , ist real, da es sich um einen Quantenzustand handelt, der tatsächlich mit etwas interagiert hat (und Sie werden niemals ein Photon messen, das nicht dem berühmten gehorcht$E = h\nu$Und$p = \frac{h}{\lambda}$). Man kann sich virtuelle Teilchen so vorstellen, dass sie während des Übergangs zwischen Anfangs- und Endzustand ein- und ausgehen, also für eine begrenzte Zeit existieren, aber das ist nicht ihre definierende Eigenschaft – ihre Verletzung der On-Shell-Gesetze ist es.

BEARBEITEN : Wie bereits erwähnt, war ich in meiner Erklärung hier nicht ganz streng. Siehe Frederic Brünners Antwort für eine gute Diskussion über Vorbehalte und Ungenauigkeiten (und auch hübsche Bilder).

Kurze Antwort: Ein virtuelles Teilchen ist nicht das Gegenteil eines klassischen Teilchens.

Während die andere Antwort einige Aspekte richtig erfasst, gibt es immer noch ein paar Fehler und Ungenauigkeiten, die ich im Folgenden zu korrigieren versuche.

Welle-Teilchen-Dualität

Quantenobjekte sind streng genommen weder Wellen noch Teilchen . Sie sind Wesenheiten , die sich je nach Situation entweder wie das eine oder das andere verhalten. Ich werde sie dennoch als Teilchen bezeichnen, da im Kontext der Quantenfeldtheorie die Quantennatur impliziert wird.

Die Aussage, dass Teilchen Zustände in einem Fockraum sind , trifft im Allgemeinen nicht zu . Dies gilt nur, wenn es sich um freie, also nicht wechselwirkende Teilchen handelt . Die Quantenfeldtheorie wäre nicht so kompliziert, wie sie es ist, wenn wir uns nur mit freien Teilchen befassen müssten. Die genaue Formulierung eines Zustandsraums für interagierende Theorien ist nicht bekannt. Es existiert jedoch ein Formalismus, der es erlaubt, physikalische Zustände zu klassifizieren; das Schlüsselwort ist BRST-Symmetrie . Weitere Einzelheiten hierzu finden Sie in den Antworten auf diese Frage.

Da der Zustandsraum von Teilchen problematisch ist, ist es fragwürdig, ihn als Beschreibung dessen zu verwenden, was ein Quantenobjekt im Zusammenhang mit dem Welle-Teilchen-Dualismus wirklich ist.

Virtuelle Photonen

Virtuelle Photonen oder allgemein virtuelle Teilchen sind im Zusammenhang mit Feynman-Diagrammen relevant. Letztere sind eine praktische Möglichkeit, Störungsreihen in der Quantenfeldtheorie grafisch zu organisieren, wodurch wir verschiedene Arten von beobachtbaren Größen berechnen können. Anders als in der anderen Antwort angegeben, entsprechen virtuelle Partikel nicht nur Schleifen , sondern allen internen Linien in solchen Diagrammen. Außerdem sind Linien in Feynman-Diagrammen keine Weltlinien in Raum-Zeit-Diagrammen , und die Linien entsprechen nicht den sich ausbreitenden Teilchen in der Realität. Die einzigen Objekte von physikalischer Relevanz sind die Ein- und Aus-Zustände, die realen, messbaren Größen entsprechen (man muss vorsichtig sein, wenn man von sogenannten Resonanzen spricht, aber das ist eine andere Geschichte). Siehe zum Beispiel das folgende Diagramm:

Dies ist nicht als Photon zu verstehen (bezeichnet mit$\gamma$), die sich als Zwischenzustand durch die Raumzeit ausbreitet, sondern nur als mathematischer Beitrag zu einer Störungsreihe, bei der diese interne Linie eine bestimmte analytische Größe beiträgt. Feynman-Diagramme sind nur mathematische Werkzeuge, ebenso wie virtuelle Teilchen. Weitere Einzelheiten finden Sie in meiner Antwort auf diese Frage.

Die Verbindung: Es gibt keine

Nur weil Quantenteilchen keine Teilchen im klassischen Sinne sind, heißt das noch lange nicht, dass sie auch virtuelle Teilchen sind. Der logische Fehler in Ihrem Vorschlag ist, dass virtuelle Teilchen und echte, klassische Teilchen keine Gegensätze sind.

So sieht ein Experimentalist diesen Teil der Frage (der Welle/Teilchen-Dualismus wurde angesprochen).

Wenn also Photonen ausnahmslos die Eigenschaften virtueller Teilchen aufweisen,

Wie in Frederics Antwort beschrieben, werden alle internen Linien in Feynman-Diagrammen mit dem Namen eines virtuellen Teilchens bezeichnet. In der Handlung in seiner Antwort wird es als Gamma bezeichnet, weil es den Spin eines Gammas trägt, ABER nicht die Masse des Gammas. Im Allgemeinen stellen die Austauschlinien nicht nur eine Fortpflanzungsfunktion innerhalb von Integralen dar, wobei die Masse die Masse des realen Teilchens mit diesem Namen ist, sondern auch die konservierten Quantenzahlen dieses Teilchens, sodass die Eingangs- und Ausgangsquantenzahlen erhalten bleiben. Eine virtuelle Elektronenlinie hat die Elektronenmasse in der Ausbreitungsfunktionund auch alle Quantenzahlen des Elektrons, der Spin, die Leptonenzahl. Es ist ein mathematisches Konstrukt, das es uns ermöglicht, Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten, Lebensdauern und Spinzustände für gegebene Eingangs- und Ausgangsteilchen (Linien in Feynman-Diagrammen) zu berechnen. Ein Photon kann eine externe Linie oder eine interne Linie sein, dh entweder ein echtes Teilchen mit Masse (0) oder eine virtuelle Hülle ohne Masse zwischen Eingangs- und Ausgangsteilchen.

Jetzt der schwierige Teil:

Warum sind sie nicht wirklich virtuelle Teilchen (auch im Vakuum)?

Alles, was wir beobachten, beobachten wir aufgrund einer Wechselwirkung. Eine Wechselwirkung bedeutet Input-Partikel und Output-Partikel. Nehmen wir ein Photon von einem Stern. Wir neigen dazu, es auf Massenhülle zu denken, dh real. Es trifft unser Auge und erzeugt eine chemische Reaktion, die uns sagt, dass ein Stern da ist, oder der Film einer Kamera mit dem gleichen Effekt. Wenn man wirklich pedantisch sein will, könnte man sagen, dass das Photon, das vom Stern kam, durch eine Wechselwirkung emittiert wurde, ein Atom wird entregt und emittiert das Photon, das wir sehen, also warum ist es nicht virtuell?

Weil wir nicht in der Lage sind, die Eingangsatomlinie am Stern zu definieren und die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, mit der ein virtuelles Photon ein Atom in unserem Auge trifft. Es ist unsere Entscheidung, was wir virtuell und was wir real nennen, indem wir das Problem zur Berechnung von Observablen aufstellen. Zum Beispiel werden im obigen Feynman-Diagramm die Quarks und Gluonen in den Berechnungen als real angesehen, aber niemand hat ein Quark oder ein Gluon gesehen. Wir haben Jets gesehen, die als Quark-Jets und Gluon-Jets identifiziert wurden, haben ihren Impuls und ihre Energie gemessen und können überprüfen, ob die Berechnung des Graphen sinnvoll ist.

Aus all diesen Antworten sollten Sie das Ergebnis ziehen, dass "virtuell" im Kopf des Physikers ist, der das Problem stellt, entweder zu berechnen (Theoretiker) oder zu messen (Experimentalist). Es ist ein mathematisches Werkzeug.