Was bedeutet das Wort „Teilchen“ in der Teilchenphysik?

Meine Fragen sind:

1) Das Wort „Quantum“ ist ein vollkommen gutes Wort, das eine Welle mit minimaler Amplitude bedeutet; Warum bestehen Physiker darauf, ein Quant ein Teilchen zu nennen?

Das Wort "Quant" wird in der Physik als "bestimmte Größe einer Variablen" im Gegensatz zu "einer kontinuierlichen Größe dieser Variablen" verwendet. Es gibt Energiequanten, zum Beispiel die Energieniveaus eines Atoms, die durch eine quantisierte Photonenenergie abgetastet werden können

Neutronen und Protonen können als nukleusbildende Quanten betrachtet werden.

Die Orte von Atomen und Molekülen in einem Kristall können als Raumquanten betrachtet werden, da nur bestimmte Orte zugänglich sind.

Die Definition eines „Quants“ als „Welle“ ist also falsch. Ein Teilchen kann ein Quant sein, wenn es eine bestimmte Einheit aufbaut, wie beispielsweise die Quarks als Quanten betrachtet werden können, die Hadronen (grob gesagt Bricks) aufbauen.

2) Gibt es eine kontextunabhängige (nicht kasuistische) eindeutige Definition des Wortes Teilchen in der Physik, auf die sich alle Physiker einigen können?

Ja, ein Teilchen ist eine Entität, deren Position durch ein (x,y,z,t) und ihr Viererimpuls durch (p_x,p_y,p_z,E) wie bei makroskopischen Teilchen definiert werden kann. Deshalb wird es Teilchen genannt. ABER wenn man von Elementarteilchen spricht, herrscht die Quantenmechanik und das Heisenbergsche Unschärfeprinzip gilt.

Was in der Quantenmechanik als Teilchen in einem Experiment gemessen werden kann, da wir hier sehen, wie ein Antiproton auf ein ruhendes Proton trifft und eine Anzahl von Pionen erzeugt,

wo wir den Vierimpuls jedes Teilchens im Bild und die Spur, die es im Raum hinterlassen hat, messen können, kann in einem anderen Experiment eine Wahrscheinlichkeitswelle sein.

Der Vollständigkeit halber ist hier das Bild, das in einer ähnlichen Frage verwendet wird :

Dieses Zweispaltexperiment mit einem Elektronenstrahl geht von einzelnen Elektronen (Teilchen) aus und Detektoren zählen die Orte ihres Aufpralls. In a) sieht es zufällig aus, und erst nachdem genügend Statistiken angesammelt wurden, wird das Interferenzmuster auf der Verteilung einzelner Treffer in der xy-Ebene beobachtet. Eine Materialisierung der Wahrscheinlichkeitsverteilung. In diesem speziellen Experiment konnte der Schlitz, durch den das einzelne Elektronenteilchen hindurchging, zerstörungsfrei identifiziert werden. Das Interferenzmuster ist da. Die Randbedingung zweier Spalte zeigt die Wahrscheinlichkeitswellennatur des Teilchens.

In der Physik gibt es zwei Definitionen von Teilchen, die beide häufig verwendet werden. Ich bevorzuge folgende Begriffe:

1. Asymptotisches Teilchen: Die grundlegenden eingehenden S-Matrix-Zustände.
2. Feldteilchen: eine Anregung eines Grundfeldes in einer physikalischen Lagrange-Funktion.

Die beiden Definitionen unterscheiden sich bei zusammengesetzten Teilchen, die nur Teilchen im Sinne von 1 sind (abgesehen davon, dass sie auch Teilchen vom Typ 2 effektiver Theorien sind) und für Teilchen wie Quarks und Gluonen, die nur Teilchen im zweiten sind Sinn, aber nicht der erste.

Die erste Definition stammt von Wigner und beherrschte die Hochenergiephysik bis 1974. Nachdem Quarks als real und begrenzt erkannt wurden, übernahm die zweite Definition die Oberhand. Die beiden Definitionen sind in Freifeldtheorien identisch und überschneiden sich in Wechselwirkungsfeldtheorien mit nicht eingeschlossenen Teilchen. Aber für starke Wechselwirkungen sind die Spektralteilchen Hadronen, während die fundamentalen Felder Quarks und Gluonen sind, sie sind völlig unterschiedlich und erfordern unterschiedliche Analysewerkzeuge.

Die Spektralteilchen in den starken Wechselwirkungen werden durch die S-Matrix-Theorie beschrieben. Sie sind ungefähr wie Saiten in der Stringtheorie. Die fundamentalen Teilchen werden durch die feldtheoretische Störungstheorie beschrieben. Ein Großteil der Physik der letzten 30 Jahre widmet sich der Vereinbarkeit der beiden unterschiedlichen Arten von Beschreibungen.

In seinem Artikel http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/fields-and-their-particles-with-math/5-waves-quantum/ versucht Strassler eine Erklärung für Teilchen zu präsentieren in der Quantenfeldtheorie (QFT) in den elementarsten Begriffen möglich. Das Ergebnis ist, dass er ein Bild zeichnet und eine Terminologie verwendet, die nicht allgemein verwendet wird, obwohl sie einen Einblick in das gibt, worum es bei QFT geht.

Lassen Sie mich also eine Erzählung in etwas abstrakteren Begriffen schreiben, aber in der Standardnotation und -terminologie, und sie dann mit dem in Beziehung setzen, was Strassler schreibt.

Genauso wie die Wellen eines einzelnen Oszillators (denken Sie an eine schwingende Saite) als Überlagerung von Oberwellen mit gegebenen Frequenzen dargestellt werden können$\omega$(Fourier-Analyse), sodass die Wellen eines ausgedehnten Mediums (z. B. Wasser) als Überlagerung ebener Wellen mit gegebenen 4-Impulsvektoren dargestellt werden können$p$. Die Vektoren$p$bezeichne die verschiedenen Modi der Superposition$p$besteht aus$p_0=\pm E/c=\pm \omega \hbar/c$Wo$E$ist die Energie,$\omega$die Kreisfrequenz (bzw$\hbar/c$ist ein konstanter Proportionalitätsfaktor) und ein 3-Vektor$\mathbb p$, der räumliche Impuls, der die Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung der Welle angibt. Sie hängen durch die sogenannte Dispersionsrelation zusammen$p_0^2= \mathbb p^2+(mc)^2$, Wo$m$ist die Masse des (freien) Feldes. Wenn es nur einen einzigen Modus gibt (und nicht eine Überlagerung, was der übliche Fall ist), dann sieht ein Beobachter, der sich mit der Geschwindigkeit der Welle bewegt, den 4-Vektor mit null räumlichem Impuls (Ruherahmen); man kann also davon ausgehen, dass es nur eine Komponente gibt, die durch die Frequenz bestimmt wird.

Nun ist ein Quantenfeld kein gewöhnliches Feld, sondern ein operatorwertiges Feld. Sie können sich einen Operator als eine Zufallsvariable vorstellen, die bei jeder Messung (falls gemessen werden kann) unterschiedliche Werte annimmt – Eigenwerte genannt – gemäß einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, die für den Feldzustand charakteristisch ist. (Obwohl die Messung von Feldern ein komplexes Thema ist, ist dies ziemlich vereinfacht.)

Bei der Zerlegung in ebene Wellen mit einem Quantenfeld wird jede Amplitude zu einem Operator$a(p)$oder$a(\omega)$selbst, je nach Vorzeichen als Erzeugungs- oder Vernichtungsoperator bezeichnet$p_0$; die Erstellungsoperatoren haben ein zusätzliches * in der Formel. Diese Operatoren haben beliebige komplexe Eigenwerte (wie in einem klassischen Feld sind die Amplituden beliebige komplexe Zahlen). [Daher gibt es keine kleinste Amplitude.]

Aufgrund der Besonderheiten von Eigenwerten (die man bereits sieht, wenn die Operatoren nur 2 mal 2 Matrizen sind) sind die Eigenwerte eines Produkts jedoch im Allgemeinen nicht gleich den Produkten der Eigenwerte der Faktoren. Im Fall eines einzelnen Quantenoszillators stellt sich heraus, dass das Produkt$a^*a$hat nur sehr wenige Eigenwerte, nämlich nur die nichtnegativen ganzen Zahlen. Wenn du mal messen würdest$a^*a$(was eigentlich nicht möglich ist), würden Sie also eine der Nummern bekommen$n=0,1,2,...$, Zählen des Anregungsniveaus (oder der „Anzahl der Quanten“, obwohl diese Terminologie selten verwendet wird). Man ruft also an$a^*a$der Zahlenoperator. Ebene 0 ist der Grundzustand, und höhere und leichtere Ebenen haben immer mehr Energie.

Jetzt berücksichtigen wir alle Moden und berücksichtigen das volle Feld anstelle nur einer ebenen Wellenmode. Dann ist die$a$hängen vom 4-Impuls ab$p$, und um einen Zahlenoperator zu erhalten, muss man die Operatoren integrieren$a^*(p)a(p)$über alle möglichen 3-Impulse. Andererseits sind die Eigenwerte des Zahlenoperators nichtnegative ganze Zahlen$n$, diesmal interpretiert als die Anzahl der detektierten Partikel. Die übliche Art, über diese Situation zu sprechen, ist zu sagen, dass in der QFT „ein Teilchen eine elementare Anregung eines Quantenfelds ist“.

Identifiziert man eine elementare Anregung mit einem Quant, so wird aus einem einzelnen Teilchen ein einzelnes Feldquant. Außerdem, wenn man die nichtkommutativen Aspekte von Operatoren vereinfacht, indem man die Amplitude behandelt$a$als eine Art Quadratwurzel der Zahl$n$, könnte man sagen, dass ein Quant „eine Welle mit minimaler Amplitude“ ist, obwohl dies ziemlich irreführend ist, wenn man ihm mehr als eine metaphorische Bedeutung beimisst. Dies ergibt Strasslers Bildsprache.

Beachten Sie, dass es in einem allgemeinen Zustand eines Quantenfelds sinnlos ist, über die Anzahl der darin enthaltenen Teilchen zu sprechen, ebenso wie es sinnlos ist, über die Position eines Quantenoszillators zu sprechen. Worüber man sprechen kann , ist die mittlere Position des Oszillators und die mittlere Teilchenzahl, was normalerweise ausreicht, um makroskopische Schlussfolgerungen zu ziehen (in der quantenstatistischen Mechanik).

Partikeldetektionsereignisse hingegen betreffen sehr spezielle (asymptotische) Zustände, bei denen die Interaktion mit Aufzeichnungsgeräten einen bestimmten gemessenen Zustand mit einem bestimmten beobachtbaren Partikelgehalt aussondert. Es ist dieser Partikelgehalt, der durch die Spuren in Blasenkammern und Fotografien von CERN dargestellt wird, wie sie in der Antwort von anna_v erwähnt werden.

Ein Teilchen ist die Bezeichnung für ein Quantensystem, für das$P_\mu P^\mu$ein positives Vielfaches der Identität (der Masse im Quadrat) ist, die Energie positiv ist und der Drehimpuls nur bestimmte diskrete Werte annimmt (Spin).

BEARBEITEN: Ich werde unten ein paar zusätzliche Kommentare hinzufügen, da sich die ursprüngliche Frage auf die Beziehung von Teilchen und Wellen bezog.

Ein Feld$\phi(x)$Einem bestimmten Teilchen ist ein Operator (oder eine Sammlung von Operatoren, einer für jeden Raumzeitpunkt) zugeordnet, der den Vakuumzustand sendet$|0\rangle$in ein räumlich und zeitlich lokalisiertes Teilchen,$\phi(x)|0\rangle=|\phi(x)\rangle \approx |x\rangle$. Es stellt sich heraus, dass diese Operatoren aus Gründen der Konsistenz der Theorie (die eine QFT ist) verwendet werden$\phi(x)$bestimmte Lorentz-invariante Wellengleichungen erfüllen. Dies bedeutet insbesondere$|\phi(x)\rangle$und die verschiedenen Amplituden$\langle A|\phi(x)\rangle$diesen Wellengleichungen gehorchen.

Angenommen, "Teilchen" bezieht sich auf Elementarteilchen, dann ja. Ein Elementarteilchen ist ein Energiequant.

Grundsätzlich entsteht die Verwirrung dadurch, dass Menschen versuchen, eine wirklich subtile Unterscheidung zu vereinfachen, und dazu kommt historisch gesehen eine verwirrende Terminologie.

Hinweis - Teilchen im Kontext meines Beitrags beziehen sich immer auf ein Elementarteilchen

Zweifellos haben Sie schon einmal von der Unschärferelation gehört . Das bedeutet, dass Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit bekannt sein können. Mit der Position und dem Impuls des Teilchens ist eine Unsicherheit verbunden, die grundlegender Natur ist. Es ist in gewissem Sinne von Natur aus „unscharf“, da seine Position nicht perfekt definiert ist.

Aber wie genau können wir überhaupt sagen, wo sich ein Teilchen befindet? Oder sagen, wie schnell es sich bewegt? Das ist durch die Wellenfunktion des Teilchens gegeben. Auch wenn der Name vermuten lässt, dass es sich um eine Welle handelt, beschreibt die Wellenfunktion tatsächlich die Wahrscheinlichkeit , dass sich das Teilchen zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort befindet. Für ein „freies Teilchen“ (das ein Teilchen ist, auf das keine äußeren Kräfte einwirken) wird die Wellenfunktion durch ein „ Wellenpaket “ definiert. Diese Wikipedia-Seite hat ein schönes Diagramm, das das erklärt.

Das Wellenpaket hat an jedem gegebenen Punkt eine einigermaßen gut definierte Position und Impuls, daher können wir recht gut lokalisieren, wo es sich befindet. Das nennt man Teilchen – das quantisierte Wellenpaket, das eigentlich nur eine Wellenfunktion ist, die eine Wahrscheinlichkeit beschreibt. Daher sagen alle oben genannten Punkte aus, dass wir Teilchen nennen können, wenn Sie einigermaßen genau vorhersagen können, wo sich etwas befindet und wie schnell es sich bewegt. Was gar keine schlechte Definition ist. :)

Anders als Matt Strassler in seinem Blog schreibt, gibt es in der Teilchenphysik keine Wellen und deshalb heißt die Disziplin "Teilchenphysik" und nicht "Wellenphysik".

Intuitiv ist ein Elementarteilchen das grundlegendste bekannte Stück Materie. Jedes Elementarteilchen ist durch eine Reihe physikalischer Eigenschaften gekennzeichnet: Masse, Ladung und Spin. Ein Photon ist zB ein Elementarteilchen mit Null Masse, Null Ladung und Null Spin$1$. Alles um uns herum besteht aus vielen dieser elementaren Teile. Eine gute Einführung in diese Themen finden Sie auf der CERN-Website:

http://public.web.cern.ch/public/en/science/Glossary-en.php#P

http://public.web.cern.ch/public/en/science/standardmodel-en.html

Eine Diskussion darüber, warum ein Teilchen keine Welle ist und auch nicht die Eigenschaften einer Welle hat, wird hier gegeben

http://statintquant.net/siq/siqse3.html#x42-60003

Lassen Sie uns den Rest der Fragen sehen.

Nein, ein Quant ist keine Welle. Der Begriff Quanten bezieht sich normalerweise auf eine kleine Menge einer physikalischen Eigenschaft – in der Größenordnung von Planck-Größe. Ein Energiequant ist eine kleine Energiemenge: zB die kleine Energiedifferenz zwischen zwei Energieniveaus in einem Wasserstoffatom. Ein Chronon ist zB das hypothetische Zeitquantum.

Elementarteilchen sind Quantenteilchen und Quantenteilchen sind keine kugelförmigen Objekte mit endlichem Radius. Tatsächlich werden Elementarteilchen technisch als punktförmige Objekte betrachtet

Zu deinen konkreten Fragen:

1) Wie gesagt bedeutet "Quantum" nicht "eine Welle mit minimaler Amplitude".

2) Ja, technisch wird ein Elementarteilchen als irreduzibles Element der Poincaré-Gruppe definiert. Laienhafter ausgedrückt bedeutet dies, dass jedes Elementarteilchen eindeutig identifiziert und durch seine Masse, Ladung und seinen Spin charakterisiert wird.

Ich werde versuchen, meine 50 Cent in die Diskussion einzubringen. Mein Verständnis ist, dass wir, wenn wir im Quantenkontext von Teilchen sprechen, im Wesentlichen unsere intuitiven klassischen Konzepte auf den Quantenbereich übertragen.

Was verstehen wir darunter, dass wir im normalen Leben von Partikeln sprechen? Wir denken an bestimmte integrierte Einheiten, die mehr oder weniger lokal im Raum sind und ein größeres System bilden (${\it part}$-icle), während sie immer noch eine Art Identität behalten. Als Konsequenz aus letzterem ist zu erwarten, dass alle umfangreichen makroskopischen Eigenschaften des Gesamtsystems linear mit der Teilchenzahl skalieren.

Beim Umgang mit QFT ist es oft so, dass das System in der Niederenergiegrenze um einen Satz harmonischer Oszillatoren reduziert werden kann (beschränken wir uns vorerst auf die bosonischen Felder). Was ist das wichtigste Merkmal des harmonischen Oszillatorspektrums? Es ist äquidistant. Die Energie des Oszillators ist linear proportional zur Anregungszahl, und es kostet immer gleich viel Energie, den Anregungszustand um einen Schritt zu erhöhen. Oberflächlich betrachtet sieht das sehr ähnlich aus, was man erwarten würde, wenn man es mit klassischen nicht-wechselwirkenden Teilchen zu tun hätte (gleiche Energie pro Teilchen; Gesamtenergie proportional zur Anzahl der Teilchen). Daher ist es sehr verlockend, den Erregungsgrad zu identifizieren$N$des bestimmten Freiheitsgrades ("Anzahl der Quanten") mit der Anzahl der "Teilchen" im entsprechenden "Kasten" im Phasenraum.

Natürlich ist die Ähnlichkeit kein Zufall, und die Analogie ist sehr weitreichend. Aber am Ende des Tages ist es eher eine Gewohnheit, wenn wir uns Quanten als Teilchen vorstellen. Tatsächlich kann die Identifizierung von Quanten mit Common-Sense-Partikeln manchmal ziemlich anstrengend werden, wie im Fall von Photonen (siehe zB https://link.springer.com/article/10.1007/BF01135846 ).