Brauchen wir wirklich virtuelle Teilchen, um zu existieren?

Ich verstehe die Δ T ⋅ Δ E ≥ ℏ / 2 Beziehung und die Idee dahinter. Ich verstehe jedoch nicht, warum wir sie überhaupt brauchen. Ich bin Physikstudent. Soweit ich weiß, beinhalten alle physikalischen Gleichungen, mit denen ich mich beschäftige, überhaupt keine virtuellen Teilchen. Wozu brauchen wir sie also, wenn wir auch ohne sie zu den richtigen Antworten kommen?

Ich habe einige verwandte Fragen dazu gelesen (allerdings nicht genau die gleichen Fragen). Ich glaube, es wurde darauf hingewiesen, dass wir virtuelle Teilchen für ein mathematisches Modell brauchen, aber warum nennen wir es "virtuelles Teilchen"? Ich denke, wir sollten es Kraft oder Feld nennen (eine neue Art von Kraft oder Feld; so etwas zum Beispiel). Ein weiterer Punkt ist, warum brauchen wir dieses Modell überhaupt, wenn das Modell ohne virtuelles Modell genauso gut funktioniert? Danke schön!

1. Wenn Sie glauben, dass die „Energie-Zeit-Unschärferelation“ irgendetwas mit virtuellen Teilchen zu tun hat, verstehen Sie beides nicht und sind einer populären, aber falschen Interpretation zum Opfer gefallen. In dieser Frage erfahren Sie , was die Energie-Zeit-Unsicherheit tatsächlich bedeutet. 2. Was meinen Sie mit „Wofür brauchen wir sie“? Wir nicht, wie Sie sagen, Sie können jedes Ergebnis erhalten, ohne jemals darüber zu sprechen, da es sich nur um ausgefallene Namen für Linien in einem Diagramm handelt.
Nun, virtuelle Partikel dürfen existieren, ist genau auf diese Ungleichheit zurückzuführen, soweit ich weiß. Wie auch immer, Sie sagen, wir brauchen sie nicht? Was ich nicht verstehe, ist, wenn wir sie nicht brauchen, warum hat sich dann irgendjemand die Mühe gemacht, das völlig neue Konzept des "virtuellen Teilchens" plus neuer "ausgefallener" Mathematik dahinter zu entwickeln?
Eine kurze Einführung in eine andere Sichtweise zum elektrischen Feldaustausch gebe ich hier academia.edu/11805855/Are_photons_composed_particles , die längere gibt es nur auf Deutsch academia.edu/12172263/… .
Die englische Version "Complex eindimensionale Strukturen des Raums" ist jetzt verfügbar academia.edu/19657550/…

Antworten (1)

Einer der Hauptgründe für die Verwendung der virtuellen Teilchen ist, dass wir in vielen Zusammenhängen keine nicht-störungsfreie Formulierung der Quantenfeldtheorie haben. Was wir tun können, ist einige Amplituden perturbativ zu berechnen (zB für Ergebnisse von Teilchenkollisionen) unter Verwendung von Feynman-Diagrammen. Diese Diagramme enthalten Eingangs-/Ausgangslinien, die normalerweise mit kollidierenden Partikeln und Kollisionsprodukten identifiziert werden, aber auch Zwischenlinien, die an einem Scheitelpunkt beginnen und an einem anderen enden und vollständig innerhalb des Diagramms bleiben. Im weiteren Sinne wurden diese als virtuelle Teilchen interpretiert. Man kann sich auch Diagramme ganz ohne Input/Output-Linien vorstellen, was der Erzeugung/Vernichtung virtueller Teilchen im Vakuum entsprechen würde.

Virtuelle Teilchen sind also zumindest so nützlich, wie Bilder chemischer Bindungen in chemischen Berechnungen nützlich sind, obwohl diese "Bindungen" aus quantenmechanischer Sicht vergänglich sind. Ein Ort, an dem virtuelle Teilchen heuristischen Wert hatten, aus richtigen Gründen oder nicht, ist die Vorhersage der Hawking-Strahlung auf der Grundlage einer halbklassischen Mischung von QFT und allgemeiner Relativitätstheorie nahe dem Horizont eines Schwarzen Lochs. Aus einem erzeugten virtuellen Paar fällt ein Teilchen unter den Horizont, und das andere erhält Fluchtgeschwindigkeit, die die Strahlung erzeugt. Dieses Bild ist suggestiv, Hawking selbst schlug es in Breakdown of Predictability in Gravitational Collapse (1976) vor , und vielleicht diente es ihm als Motivation, auch wenn es jetzt Möglichkeiten gibt, es ohne virtuelle Teilchen abzuleiten. Hier ist Parentanis Papier von 2010Von Vakuumfluktuationen über einen Ereignishorizont bis hin zu Fernkorrelationen, die Hawkings Bild verwenden. Derselbe heuristische Wert wird anderen "Erscheinungen" virtueller Teilchen zugeschrieben .

Sind die virtuellen Teilchen "echt"? An diesem Punkt sind wir uns nicht einmal zu 100 % sicher, ob es etwas Nicht-Störendes gibt, das QFT-Näherungen annähern, geschweige denn, ob ein Rechenwerkzeug für diese Annäherungen auf die Realität projiziert werden kann. Einige derjenigen, die glauben, dass es eine nicht-perturbative QFT gibt, erwarten, dass sie überhaupt nicht in Bezug auf Teilchen oder Felder interpretierbar ist, aber das untergräbt weit mehr als nur virtuelle Teilchen, siehe Bakers Against Field Interpretations of Quantum Field Theory. Sogar Interpretationen der Quantenmechanik, bei denen wir eine mathematisch einwandfreie, störungsfreie Formulierung haben, sind immer noch umstritten. Die Vorstellungen über Atome und Elektronen im 19. Jahrhundert waren jedoch aus heutiger Sicht meist falsch, lieferten aber dennoch wertvolle Heuristiken für die Entwicklung moderner Theorien. Ideen über Äther halfen Maxwell bei der Formulierung seiner Gleichungen, auch wenn seine Existenz später abgelehnt wurde. Virtuelle Partikel können im selben Korb landen.

Dies ist eine ziemlich gute Antwort. Okay, lassen Sie mich das klarstellen. Ich sehe es so, dass wir virtuelle Teilchen nicht wirklich brauchen, um physikalische Phänomene zu erklären. Wir können die Dinge immer noch ohne sie erklären, oder? Dennoch werden virtuelle Teilchen nützlich, um Theorien zu erklären, von denen man noch nicht weiß, dass sie richtig sind? Die letzte Frage ist, was ist, wenn virtuelle Partikel real sind und wir sie bisher nur nicht entdecken konnten? Oder könnte es ein ganz neues Phänomen sein, das kein Teilchen ist? Der Vergleich mit Ether ist gut! Ich habe das Gefühl, dass ein virtuelles Teilchen ein weiterer imaginärer Äther ist, der nicht einmal da ist.
Ich denke zu sagen, dass wir keine störungsfreie Formulierung der Quantenfeldtheorie haben, ist eine zu weit gefasste Aussage. Abstrakt können wir eine nicht-perturbative QFT axiomatisieren. Wir haben keine nicht-perturbative Formulierung der 4D-YM-Theorie, die mit allen Arten von Materie gekoppelt ist, die für das Standardmodell benötigt wird, aber für niedrigerdimensionale Skalar- und Fermion-Feldtheorien sowie einige supersymmetrische Modelle sind nicht-perturbative Ergebnisse bekannt (siehe zB die Arbeit von Glimm und Jaffe für den skalaren 2D- und 3D-Fall).
@Phu Nguyen Zum Beispiel können wir mithilfe der Quantentheorie erklären, warum sich Licht in einem Medium verlangsamt, es ist ein Monster einer Erklärung, physical.stackexchange.com/questions/153904/… , oder wir können Wellenoptik verwenden, obwohl wir es wissen ist eine Vereinfachung, wir können sogar eine Analogie mit Schallwellen verwenden, was ein nicht existierendes Medium impliziert. Virtuelle Partikel können diese Rolle behalten, selbst nachdem sie wie Äther verworfen wurden, falls dies der Fall ist. Was die Realität anbelangt, so ist sogar der Status des Zusammenbruchs im QM ungeklärt, also kann man nur raten.
@ACuriousMind, "Wir haben keine nicht-perturbative Formulierung der 4D-YM-Theorie, die mit allen möglichen Materien gekoppelt ist", uns fehlt etwas noch Grundlegenderes als nicht-perturbative Yang-Mills: uns fehlt eine nicht-perturbative QED-Formulierung.
@lurscher: Es ist nicht wahr, dass eine nicht-perturbative QED-Formulierung "grundlegender" wäre - das Vorhandensein des Landau-Pols kann darauf hinweisen (aber nur darauf hinweisen, da sein Vorhandensein selbst nur perturbativ oder numerisch bekannt ist), dass es keine solche Formulierung gibt . Umgekehrt hoffen die Krankenpfleger aufgrund des Fehlens eines solchen Pols in der QCD/dem Standardmodell, dass eine solche Formulierung für die vollständige Theorie existiert.
@ACuriousMind Ich habe die Sprache weicher gemacht. Wallace gibt einen interessanten Überblick über mathematische Probleme im Lagrange-QFT-Formalismus arxiv.org/pdf/quant-ph/0112148v1.pdf
Eine kurze Einführung in eine andere Sichtweise zum elektrischen Feldaustausch gebe ich hier academia.edu/11805855/Are_photons_composed_particles , die längere gibt es nur auf Deutsch academia.edu/12172263/… .
Brauchen wir wirklich virtuelle Teilchen, um zu existieren?
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