Frage von Raph101, 112

Welche Teilchen sind virtuelle Teilchen?

Wenn solche Teilchen- Antiteilchen Paare im Vakuum entstehen...was sind das für Teilchen. Sind das Elektronen, Quarks oder gar Protonen oder was ganz anderes?

Danke:)

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von grtgrt, 78

Quantenfluktuation - stets und überall präsent - erzeugt Paare (X,Y) von Elementarteilchen, derart dass

  • X Antiteilchen von Y ist (und umgekehrt)
  • und beide Teilchen sich meist - aber nicht immer - fast sofort wieder auslöschen.

Man nennt X und Y virtuelle Teilchen, wenn sie nur extrem kurz existieren, genauer: wenn sie nur sie nur so kurz existieren, dass man sie einzeln nicht nachweisen kann.

Kommentar von Raph101 ,

Das ist mir klar aber was sind das nun für Teilchen? Quarks, Photonen, Gluonen, Elektronen,...?

Kommentar von grtgrt ,

Alles, was man Elementarteilchen nennt.

Ich meine damit die durch das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschriebenen ebenso wie sehr viel energiereichere, die man in Teilchenbeschleunigern aber noch nicht nachweisen konnte (weil sie zu produzieren mehr Energie notwendig ist, als bis heute aufgebaute Teilchenbeschleuniger zu produzieren in der Lage sind).

Nach Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation (angewandt auf das Paar Energie und Lebensdauer eines Teilchens), müssen virtuelle Teilchen umso energiereicher sein, je kürzer sie existieren.

Kommentar von grtgrt ,

Wie sich das verträgt mit dem, was ein Fachmann auf Seite https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/virtual... sagt, ist nicht leicht zu verstehen. Ich erkläre es mir wie folgt:

Auch ein Elementarteilchen - wie etwa ein Elektron oder ein Photon - ist streng genommen ein Paket von Feldanregungen, welches mit letzter Genauigkeit nur durch seine Fourierentwicklung beschrieben sein kann. Mit anderen Worten: Es besteht aus einer großen Zahl von Wellen unterschiedlicher Frenquenz (und Energie). Sie müssen aber nicht gleiche Lebensdauer oder Amplitude haben. Mit anderen Worten: Wirklich unzerlegbar (als Portion von Energie) sind nur diese einzelnen Wellen. Sie sind es letztlich, die mehr oder weniger virtuell sein können. 

Am Beispiel des Photons wird das recht schön erklärt durch Martin Bäker in seinem Blogpost http://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2015/04/06/was-ist-ein-photon/1/ (siehe dort insbesondere Text und Bilder ab Seite 3).

Kommentar von grtgrt ,

Physiker drücken sich weniger genau aus als Mathematiker. Sie sehen beim Rechnen ein Wellenpaket meist einfach als den dominantesten Term seiner Fourier-Entwicklung — er aber beschreibt eine Welle. Deren Frequenz und Energie werden dann halt einfach als Frequenz und Energie der de-Brouglie-Welle bezeichnet.

Lies http://greiterweb.de/spw/de-Broglie-Welle.htm .

Kommentar von Raph101 ,

Danke!
Aber noch ne frage: Das erinnert mich irgendwie an die Energie-Zeit Unschärfe. Irgendwie hab ich aber im Internet nirgends was verständliches dazu gefunden. Hast du dazu vielleicht einen Verständlichen Link?:)

Kommentar von Raph101 ,

Wenns mich nicht täuscht hab ich das PDF schon mal gelesen und nicht verstanden bzw. unzureichend. Aber ist die Energie-Zeit Unschärfe auch genau so zu Interpretieren wie es der Name sagt, oder ist das wie mit den Antiteilchen die in der Zeit zurückreisen, wobei das nur eine Methode ist die negative Energie aus der Welt zu schaffen.
Danke!

Kommentar von grtgrt ,

Es ist schon so, dass es hierbei um eine echte Unschärfe der Natur geht. 

Sie lässt sich nur nicht mit genau denselben mathematischen Argumenten herleiten wie die Unbestimmtheitsrelation für das Paar Ort und Impuls. 

Kommentar von Raph101 ,

Also gibt es in der Quantenphysik gar keine Bestimmte Zeit sondern nur eine Zeitspanne  die je nachdem wie genau die Energie bestimmt wird schwankt?

Kommentar von grtgrt ,

Deine Formulierung legt nahe, dass es sich um eine nur messtechnische bedingte Unschärfe handelt. Richtig aber ist: Es handelt sich um eine naturbedingte Beziehung zwischen Energie und Zerfallszeit.

Besonders interessant daran ist, dass sie uns zeigt, dass Teilchen, für die wir nur extrem kurze Lebensdauer registrieren, nicht beliebig energiearm sein können.

Mit anderen Worten: Wer im CERN besonders energiereiche Teilchen sucht (und gerade die sucht man ja vor allem), muss die genauer betrachten, für welche man besonders kurze Lebensdauer registriert.

Kommentar von Reggid ,

dass schwerere teilchen (im allgemeinen) kürzere lebensdauern haben, hat aber nichts mit der unschärferelation zu tun.

Kommentar von Raph101 ,

Mir ist klar das es nichts mit dem messen zu tun hat sondern grundlegend ist.

Danke! Hat mir sehr weitergeholfen:)

Kommentar von Raph101 ,

Sondern?:)

Kommentar von grtgrt ,

Was Reggid wohl meint -- und womit er dann recht hätte --, ist wohl die Tatsache, dass sich die mittlere Zerfallszeit von Teilchen gegebener Art keineswegs nur aufgrund der durch Heisenberg entdeckten Unschärfe der Natur ergibt und ihrem konkreten Wert nach auch nicht aus der Ungleichung, die man Heisenbergs Unschärferelation (für das Paar Zeit und Energie) nennt.

Vielleicht aber sollte Reggid selbst noch was dazu sagen.

Kommentar von Reggid ,

ich sehe auf den ersten blick eigentlich gar keinen zusammenhang zwischen der absoluten energie (also masse) eines zustands und seiner lebensdauer aufgrund der unschärfe.

.was schon gilt ist: sehr kurzlebige teilchen haben eine unbestimmte masse. je länger ein teilchen lebt, desto schärfer ist die masse bestimmt.

genauso für atomspektren: übergänge von sehr kurzlebigen zuständen haben keine scharfe frequenz, sondern eine gewissen "breite".

aber der zusammenhang ist: lebensdauer <---> breite

auf die absolute masse (nicht deren unschärfe) hat die unschärferelation aufgrund von kurzen lebensdauern keinen einfluss.

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 62

Wenn solche Teilchen- Antiteilchen Paare im Vakuum entstehen...was sind das für Teilchen. Sind das Elektronen, Quarks oder gar Protonen oder was ganz anderes?

Das ist eine gute Frage, denn in Zusammenhang mit der Vakuumfluktuationen scheint sich übrigens insbesondere populärwissenschaftliche Literatur gern darüber auszuschweigen, welcher Art Teilchen hier als virtuelle Teilchen auftreten sollen. Ich habe jedenfalls noch nicht viel Konkretes darüber gelesen, was es sein soll.

Abgesehen von dem, was Reggid gesagt hat, nämlich dass das Gerede von den virtuellen Teilchen eine höchst missverständliche populärwissenschaftliche Verkürzung darstellt, dürften virtuelle Teilchen eher »Kraftteilchen« als Materieteilchen sein, also wohl nicht Elektronen, sondern Photonen und nicht Quarks, sondern Gluonen.

Ursprünglich habe ich nämlich von »virtuellen Teilchen« nicht in Zusammenhang mit Vakuumfluktuationen gelesen, sondern primär in Zusammenhang mit der Wechselwirkung von Materieteilchen gehört oder vielmehr gelesen, als Modellvorstellung dafür, wie zwischen z.B. geladenen Teilchen der Impulsübertrag funktioniert.

Der Terminus »virtuell« bedeutet, dass es sich nicht um als solche nachweisbare Teilchen handelt, weder im Falle der Photonen noch beispielsweise im Falle der Gluonen.

Es ist aber ein Modell. Das ist freilich das Wort »Teilchen« überhaupt, denn eigentlich gibt es »Teilchen« im Sinne von »Korpuskeln« eigentlich nicht, sodass sich die Frage, ob etwas Teilchen oder Wellen seien, eigentlich nur stellt, wenn man dieser klassischen Vorstellung verhaftet ist, dass ein »Teilchen« etwas Kompaktes, mehr oder weniger Lokalisierbares und vor allem Zusammenhängendes zu sein habe.

Es gibt eigentlich nur Felder, die letztlich aus Feldquanten bestehen, die manchmal gewisse »Teilchen«-Eigenschaften zeigen (das gilt zumindest für Materieteilchen), in jedem Fall aber auch Welleneigenschaften haben.

Insbesondere die Vorstellung von Photonen als. Wellenpaketen, die man auf ihrem Weg von A nach B verfolgen könnte, ist komplett falsch. Es gibt solche Wellenpakete, aber die haben keine bestimmte Photonenzahl, und andererseits nimmt ein einzelnes Photon in einem Kasten aufgrund seiner definierten Energie und somit Frequenz und Wellenlänge immer den gesamten Raum des Kastens ein. Auch hier, bei reellen »Teilchen«, erweist sich die Interpretation von Quanten als »Teilchen« schon als grob vereinfachte Modellvorstellung.

Kommentar von Raph101 ,

Danke!

Kommentar von Reggid ,

...dürften virtuelle Teilchen eher »Kraftteilchen« als Materieteilchen sein, also wohl nicht Elektronen, sondern Photonen und nicht Quarks, sondern Gluonen.



also wenn man schon störungstheorie verwendet, dann treten "virtuelle elektronen" und "virtuelle quarks" genauso auf wie "virtuelle photonen" oder "virtuelle gluonen". oder jedes andere "virtuelle teilchen".

Kommentar von SlowPhil ,

Ich habe Deine Links noch nicht durchgelesen, deshalb wei ich noch nicht, ob sie meine Fragen schon beantworten: 

  1. Treten die definitiv auf oder treten nur Terme auf, die man so nennt?
  2. Ich nehme an, die Störungstheorie bezieht sich auf Vakuumfluktuationen, oder auch auf die ganzen Wechselwirkungen?
Kommentar von Reggid ,

1. es treten terme auf, die man so nennt. aber sowohl für die bosonischen (photon, gluon,...) und die fermionischen felder (elektronen, quarks,... )

2. störungstheorie ist eine allgemeine methode. sie kann verwendet werden um verschiedene größen zu berechnen, so zum beispiel vakuumfluktuationen (also den vakuumerwartungswert bestimmter observablen) und auch wirkungsquerschnitte von teilchenkollisionen.

Antwort
von Reggid, 100

das wichtigste was man über "virtuelle teilchen" wissen sollte, ist dass man sie nicht überinterpretieren sollte. leider geschieht genau das in vielen vielen populärwissenschaftliche quellen.

kurz gesagt: das was man "virtuelle teilchen" nennt sind nur rechengrößen, die in einer ganz bestimmten näherungsmethode für bestimmte ausdrücke auftauchen (wenn man andere näherungsmethoden zum rechnen verwendet, treten z.B. überhaupt nie irgendwo sog. "virtuelle teilchen" auf).

und es springen nicht wirklich teilchen-antiteilchen paare aus dem vakuum. der vakuum-zustand ist zeitunabhängig, da springt nichts raus (was ja schon allein die energieerhaltung verbieten würde)

zum nachlesen über "virtuelle teilchen" vielleicht ganz gut hier: https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/virtual...

Kommentar von SlowPhil ,

…(was ja schon allein die energieerhaltung verbieten würde)…

Besitzt nicht die Energie in einem gewissen Volumen auf kleinen Zeitskalen eine gewisse Unbestimmtheit, die umso größer ist, je kleiner die Zeitskala ist? Es gilt dies jedenfalls für ein Wellenpaket, das ja eine Überlagerung aus unterschiedlichen Wellenlängen und damit auch Energien darstellt.

Kommentar von Reggid ,

die energie des vakuum-zustands ist trotzdem nicht unbestimmt, sonst könnte das vakuum ja kein zeitunabhängiger zustand sein.

sog. vakuum-fluktuationen bedeuten nicht dass die energie unscharf ist. und auch nicht dass teilchen entstehen.

beschrieben z.B. hier unter punkt 2.3: http://www.quantum.physik.uni-potsdam.de/teaching/ws2011/qo1/script-ch23.pdf

die "virtuellen teilchen" benötigt man wenn man das vakuum einer wechselwirkenden theorie mithilfe der störungstheorie beschreiben will. dann muss man über ausdrücke summieren, die den unglücklichen namen "virtuelle teilchen" haben. verwendet man halt einfach keine störungstheorie, gibt's auch keine "virtuellen teilchen".

Kommentar von Reggid ,

auch hier gibt es einen kurzen absatz zum thema vakuum: http://www.physics.usu.edu/torre/3700_Spring_2015/What_is_a_photon.pdf

Kommentar von SlowPhil ,

Kann man überhaupt keine Störungstheorie verwenden, wenn man da etwas ausrechnen will?

Kommentar von Reggid ,

man kann z.B. auf einem gitter simulieren, also lattice gauge theories.

Kommentar von SlowPhil ,

Beruht nicht der Kasimir - Effekt auf solchen 'virtuellen Teilchen', respektive dienen nicht dieser als anschauliches Modell dafür? Und werden nicht Wechselwirkungen teilweise mit virtuellen 'Kraftteilchen' (etwa Photonen beim Elektromagnetismus) beschrieben?

Kommentar von Reggid ,

wenn man störungstheorie verwendet - ja. dann treten größen auf, welche man "virtuelle teilchen" nennt.

wenn man andere rechenmethoden verwendet -nein.

daran sieht man ja, dass es bloße rechengrößen sind, denn der natur ist es ziemlich egal welche näherungsmethoden wir zum berechnen komplizierter ausdrücke verwenden.

Casimir-effekt wird im ersten link den ich gegeben habe übrigends besprochen (punkt 3.2). der begriff "virtuelle teilchen" taucht dabei nicht ein einziges mal auf (sowie im ganzen restlichen text).

Kommentar von Raph101 ,

Danke.
Aber ist nicht die hawkin Strahlung grade ein Effekt dieser virtuellen Teilchen?:)

Kommentar von Reggid ,
Kommentar von Reggid ,

oder du kannst diesen artikel nach "virtual particles" durchsuchen (und nicht fündig werden): http://arxiv.org/pdf/gr-qc/9912119v2.pdf

Kommentar von Reggid ,

und auch hier findest du keine "virtual particles": https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0010055.pdf

Kommentar von Raph101 ,

Okok...😂😂😂😂 langsam übertreibst du. Ein schlichtes nein und eine Quelle hätten genügt:D

Kommentar von grtgrt ,

Wer auf Matt Strasslers Artikel hinweist, sollte nicht vergessen zu erwähnen, dass Gordon Kane, ein offenbar ähnlich kompetenter Quantenphysiker, der Meinung Strasslers deutlich widerspricht: https://www.scientificamerican.com/article/are-virtual-particles-rea/ .

Die Meinungen noch anderer Physiker - Thomas Görnitz und Matt McIrvin - liegen irgendwo dazwischen, stimmen aber auch nicht überein.

Man lese dazu http://greiterweb.de/spw/Virtuelle-Teilchen-und-Quantenfluktuation.htm .

Kommentar von Reggid ,

ich kann den artikel leider nicht oeffnen.

ich kenne die von dir genannten nicht und weiss nicht ob ich mir deren qualifikation annmassen wuerde, aber wie jemand auf die idee kommt den termen einer speziellen naehrungsmethoden (einer von vielen) realitaet zuzuschreiben sehe ich wirklich nicht ein.

und ich kenne sehr viele andere physiker, und auch wenn ich nicht mit jedem einzelnen ein gesrpaech ueber exakt dieses thema hatte, so kann ich mir doch nicht vorstellen dass jemand eine andere meinung dazu vertreten wuerde. aber offensichtlich gibt es sie ja doch....

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