Ein Universum aus Nichts

Harald_ · Gast

Ich wollte nochmal kurz auf das eingehen, was Lawrence Krauss in seinem Buch sagt. Ich habe es mir besorgt und bin schon eifrig am Lesen.
Also, er sagt im wesentlichen, dass die Verbindung oder Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik es erlauben, das Vakuum als nicht leer anzusehen.
Er geht auch auf Feynman in interessanter Weise ein. Da sagt Krauss, dass aufgrund der Unschärfrelation Teilchen (kurzzeitig?) mit Überlichtgeschwindigkeit sich bewegen können (hoffe ich gebe es richtig wieder). Und da ist ein Feynman-Diagramm aufgezeichnet: Ein Elektron, was sich durch Raum und Zeit bewegt. Irgendwie zeichnet er dann ein, dass man es auch als Antiteilchen ansehen kann, dass sich rückwärts in der Zeit bewegt. Und dann erneut eine Zeichnung, in der man sieht, dass inmitten ein virtuelles Teilchen-Antiteilchen Paar entsteht, was die ganze Situation wunderbar erklärt. Es sind also insgesamt 3 Teilchen (für kurze zeit) an der Situation beteiligt.

Nach einiger Zeit geht Krauss auch auf das Wasserstoffatom zu sprechen. Da zeigt er in wunderbarer Weise, wie ein virtuelles Teilchen-Antiteilchen Paar das Wasserstoffatom verändert. In seinen Subniveaus oder so ähnlich.
Die Elektrionanbahnen durch verschiedene Ladungsverteilung des virtuellen Teilchens.

Und dann zeigt er eine Grafik vom Nobelpreisträger Frank Wilczek, der das mit den virtullen Teilchen bestätigt. Er hat eine Grafik, da zeigt er, dass diese virtuellen Teilchen verantwortlich für ein Großteil der Masse des Proton sind. Dafür hat Frank auch den Nobelpreis bekommen.
Also auch hier sind scheinbar virtuelle Teilchen von großer Wichtigkeit.

Nun ist es so: So wie Krauss es formuliert, würde ich fast von der Tatsache ausgehen, dass virtuelle Teilchen real sind. Aber wie hier schon oft gesagt wurde, soll man sich an diesem begriff ja nicht stören. Also nennt man sie Vakuumfluktuationen.

Aber wie meint das Krauss jetzt konkret. Und seit ihr sicher, dass es eine zugrunde liegende Mathematik meint oder hat?

Er verweist ja immer wieder auf die Effekte der virtuellen Teilchen oder Quantenfluktuationen.

Laut einigen Aussagen hier müsste er aber sagen: Das Vakuum ist nicht leer im Sinne von nicht verschwindenen Aussagen. Aber das ist doch im Endeffekt trivial, weil es nur die Begriffe sind, die hier stören.

jh8979 · Moderator Anmeldungsdatum: 10.07.2012 Beiträge: 8584

Ich sehe ehrlich gesagt keinen Sinn darin, hier jeden zweiten Tag einen Thread zur selben Frage aufzumachen und immer wieder dasselbe zu fragen. Die Antwort hast Du (u.a.) schon hier von mir bekommen:
http://www.physikerboard.de/ptopic,255498.html#255498

Harald_ · Gast

Ich wollte einfach nur mal wiedergeben, was Krauss sagt. Scheinbar hat ihn ja keiner hier gelesen. Deshalb die Auskunft.
Vielleicht wird ja durch seine Aussagen einiges klarer.

Harald_ · Gast

Are virtual particles really constantly popping in and out of existence? Or are they merely a mathematical bookkeeping device for quantum mechanics?

October 9, 2006

Gordon Kane, director of the Michigan Center for Theoretical Physics at the University of Michigan at Ann Arbor, provides this answer.

Virtual particles are indeed real particles. Quantum theory predicts that every particle spends some time as a combination of other particles in all possible ways. These predictions are very well understood and tested.

Quantum mechanics allows, and indeed requires, temporary violations of conservation of energy, so one particle can become a pair of heavier particles (the so-called virtual particles), which quickly rejoin into the original particle as if they had never been there. If that were all that occurred we would still be confident that it was a real effect because it is an intrinsic part of quantum mechanics, which is extremely well tested, and is a complete and tightly woven theory--if any part of it were wrong the whole structure would collapse.

But while the virtual particles are briefly part of our world they can interact with other particles, and that leads to a number of tests of the quantum-mechanical predictions about virtual particles. The first test was understood in the late 1940s. In a hydrogen atom an electron and a proton are bound together by photons (the quanta of the electromagnetic field). Every photon will spend some time as a virtual electron plus its antiparticle, the virtual positron, since this is allowed by quantum mechanics as described above. The hydrogen atom has two energy levels that coincidentally seem to have the same energy. But when the atom is in one of those levels it interacts differently with the virtual electron and positron than when it is in the other, so their energies are shifted a tiny bit because of those interactions. That shift was measured by Willis Lamb and the Lamb shift was born, for which a Nobel Prize was eventually awarded.

SEE ALSO:Health: Researchers Seek Cancer Clues from Pet DogsMind: Animals Have More Social Smarts Than You May ThinkSustainability: How Modern Agriculture Can Save the Gorillas of VirungaTech: Are We on the Cusp of War—in Space?

Quarks are particles much like electrons, but different in that they also interact via the strong force. Two of the lighter quarks, the so-called "up" and "down" quarks, bind together to make up protons and neutrons. The "top" quark is the heaviest of the six types of quarks. In the early 1990s it had been predicted to exist but had not been directly seen in any experiment. At the LEP collider at the European particle physics laboratory CERN, millions of Z bosons--the particles that mediate neutral weak interactions--were produced and their mass was very accurately measured. The Standard Model of particle physics predicts the mass of the Z boson, but the measured value differed a little. This small difference could be explained in terms of the time the Z spent as a virtual top quark if such a top quark had a certain mass. When the top quark mass was directly measured a few years later at the Tevatron collider at Fermi National Accelerator Laboratory near Chicago, the value agreed with that obtained from the virtual particle analysis, providing a dramatic test of our understanding of virtual particles.

Another very good test some readers may want to look up, which we do not have space to describe here, is the Casimir effect, where forces between metal plates in empty space are modified by the presence of virtual particles.

Thus virtual particles are indeed real and have observable effects that physicists have devised ways of measuring. Their properties and consequences are well established and well understood consequences of quantum mechanics.

jh8979 · Moderator Anmeldungsdatum: 10.07.2012 Beiträge: 8584

Ich hab ehrlich gesagt keine Lust mehr mir den Mund fusselig zu reden. Du kannst gerne noch viele weitere Physiker zitieren, die falsche Sachen schreiben. Das ändert nichts daran, dass es falsch ist (auch wenn der Autor ein sehr guter Physiker wie Gordon Kane ist).

Harald_ · Gast

Schade, dass du nicht sachlich diskutieren kannst. Oder hältst du dich für hochintelligent oder was besseres?!

Ich war nicht unhöflich zu dir. Du zeigst aber ein ablehnendes Verhalten.

Ich habe seit Tagen im Internet gesucht und viele gute Physiker gefunden, die meine Meinung teilen. Aber was heißt meine Meinung. Ich gebe nur das wieder, was ich überall lese.
Oder gibt es nur das Physikerboard?

Gordon Kane hat es explizit formuliert. Sowie Lawrence Krauss.

Du warst noch nichtmal so höflich, mir genau zu erklären, wie das Vakuum sich verhält im Sinne von nicht leer. Nur halbherzige Erklärungen.

Aber Casimir Effekt und vor allem Lamb Shift zeigen es doch!

jh8979 · Moderator Anmeldungsdatum: 10.07.2012 Beiträge: 8584

Harald_ · Gast

Du sagst es gibt keine virtuellen Teilchen im realen Sinne.

Aber was existiert dann im Vakuum? Es gibt aber doch vakuumfluktuation und quantenfluktuation. Wenn es keine virtuelle Teilchen sind, was ist es denn genau? Natürlich kann ich keine Quantenfeldtheorie studieren, das geht so schnell nicht. Aber was existiert dann im Vakuum? TomS hat gesagt es gibt nicht verschwindende eigenschaften. Aber ganz genau verstehe ich es nicht. Das ist ja auch nicht weiter schlimm. Deshalb frage ich ja.

Würdest du es denn mir bitte noch EINMAL erklären, bitte?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18196

Die Erklärung findest du in guten Büchern zur Quantenfeldtheorie; die Mathematik dort ist sehr präzise. Suche z.B. mal in folgendem Buch (m.E. nicht unbedingt das beste - aber online verfügbar) nach "virtual" und "fluctuation"

http://web.physics.ucsb.edu/~mark/ms-qft-DRAFT.pdf

Sobald präzise Mathematik in "anschauliche" Begriffe übersetzt wird, fangen die Probleme an. Bereits Shakespeare ist nicht vollumfassend übersetzbar, Joyce ebensowenig, und Quantenfeldtheorie eben auch nicht.

Nun gibt es viele Physiker, die sich des Problems bewusst sind und vorsichtige Formulierungen wählen. Andere tun dies nicht (Hawking, Kane, Krauss, ...).

Wir sollten zwei Fragen auseinanderhalten:
1) was sind die physikalischen Vorhersagen der Quantenfeldtheorie? können wir gerne besprechen
2) warum tun hervorragende Physiker das? ich weiß es nicht, ich kann es nicht ändern, und es ist müßig, das weiter zu diskutieren

as_string · Moderator Anmeldungsdatum: 09.12.2005 Beiträge: 5789 Wohnort: Heidelberg

Ich verstehe eigentlich nicht, was Du jetzt genau noch willst. Klar, Du möchtest verstehen, was es mit diesen virtuellen Teilen auf sich hat und so. Dir wurde aber gesagt: Niemand kann das wirklich verstehen, wenn er QFT nicht gelernt hat, wofür eine Menge mathematischer und anderer physikalischer Grundlagen nötig sind und weshalb andere Leute jahrelang Vollzeit studieren, um das alles zu verstehen.
Dir ist das zu viel (sicherlich irgendwo verständlicherweise, das ist so "nebenher" sicherlich nicht zu machen, schon klar). Du scheinst jetzt aber der Meinung zu sein, dass Du es auch ohne das alles kapieren kannst. Offenbar ist Dein Ansatz, mehr oder weniger immer wieder die selben Fragen hier zu stellen und wunderst Dich dann aber, wenn Du auch mehr oder weniger immer die selben Antworten bekommst, die Dir effektiv genau so wenig weiter helfen, wie beim letzten Mal auch.
Wenn die Leute dann irgendwann die Lust verlieren, immer wieder das selbe zu schreiben, dann gibst Du Dich beleidigt.

Das führt doch zu nichts, oder siehst Du das irgendwie anders?

Gruß
Marco

PS: Man kann sicherlich einige Grundlagen mathematischer Art auch lernen, ohne gleich jahrelang zu studieren. Damit kann man eventuell ein Grundverständnis erreichen, wenn auch sicherlich nicht umfassend. Aber das ist alles sehr mathematisch. Vielleicht solltest Du mit dem Formalismus der modernen normalen, nicht-relativistischen Quantenmechanik anfangen. Da gibt es auch ein Thema wie Störungstheorie, die eventuell schon einen gewissen Eindruck geben könnte, wie man auf solche Reihenentwicklungen kommt. Aber auch hier erst nachdem Du die Grundlagen verstanden hast.

Harald_ · Gast

Dann möchte ich hiermit bei jh8979 entschuldigen für den Vorwurf.
Natürlich habt ihr wahrscheinlich recht. Nur befindet man sich als Nicht-Physiker immer im Dilemma jemandem glauben zu müssen. Richard Dawkins hat das msl gut formuliert. Man müsse in Physiker eine Art Glauben haben, weil man selbst es nicht versteht. Aber wem glauben? Nun, ich glaube euch. Ehrlich gesagt habe mich viel weniger die virtuelle Teilchen interessiert, als das vakuum und die idee, dass ein Universum aus dem Vakuum entstehen kann. Natürlich ist das reine Spekulation, erst mal hypothetisch. Aber mich interessiert der gedanke, ob es im Vakuum wirklich etwas gibt, was ein ganzes Universum spontan entstehen lässt.
Mir würde es für den anfang erst schon mal erreichen, wenn ich wenigstens laienhaft ungefähr wüsste, dass das vakuum wirklich nicht leer ist. Weil man hört immer unterschiedlicher meinung. Die einen sagen das vakuum ist definitiv leer und die anderen reden von virtuellen teilchen. Was ist nur die wahrheit?

Krauss_Vilenkin · Anmeldungsdatum: 23.09.2015 Beiträge: 10

Hallo nochmal. Ich verweise nur kurz auf den Beitrag über diesem. Ich habe nun registriert und hoffe auf eine zukünftige nette Diskussion. Mit eurer Hilfe kann ich noch viel lernen. Und auch hier möchte ich mich nochmal vor allem bei jh8979 entschuldigen.
Vielleicht kann ich mir ja etwas Mathematik aneignen, so zumindest, dass ich nach ein paar Jahren mehr weiß als der Durchschnitts-Laie. Wäre schön so.

Also das virtuelle Teilchen nicht real sind bzw. nur innerhalb von Feynman-Diagrammen auftauchen, sie off-Shell sind usw. Okay. Also kein Wort mehr darüber, dass sie real seien. ;-)

Aber hier habe ich ein paar interessante Links gefunden:

http://www.nature.com/nature/journal/v246/n5433/abs/246396a0.html

http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0CCkQFjABahUKEwiQ0eCFuIzIAhVD1hQKHTeQAw8&url=http%3A%2F%2Fwww.gravityresearchfoundation.org%2Fpdf%2Fawarded%2F1983%2Fvilenkin.pdf&usg=AFQjCNGKCVkOjilkAx5odDieDTtRTKoHtQ

http://physics.stackexchange.com/questions/46337/is-it-possible-that-the-big-bang-was-caused-by-virtual-particle-creation

Ich schätze mal, dass die Mathematik der hier vorliegenden Papers derart kompliziert und komplex ist, dass man wieder auf "virtuelle Teilchen" sprachlich zurückgreift. Aber die zugrunde liegende Mathematik richtig ist.

Jedoch würde mich das von Edward Tryon und Vilenkin näher interessieren.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18196

Der kurze Artikel von Vilenkin geht wohl auf eine Idee von Gibbons und Hawking zu sogenannte gravitativen Instantonen zurück.

Instantonen wurden m.W.n. zuerst im Rahmen von nicht-abelschen Yang-Mills-Theorien (insbs. QCD) diskutiert; es handelt sich dabei um räumlich und zeitlich lokalisierte Anregungen eines Feldes (QCD: Gluonefeld) in der Raumzeit. Gibbons und Hawking diskutieren etwas ähnliches, wobei das Feld die Rauzmzeit selbst ist.

Das Schöne an diesme Ansatz ist, dass er wohl recht generisch ist. Ich gehe davon aus, dass derartige Raumzeitkonfigurationen in jeder Theorie der Quantengreavitation auftreten müssen. Außerdem ist interessant, dass man dazu nicht im entferntesten irgendetwas wie "virtuelle Teilchen" diskutieren muss; klassische Feldtheorie (plus die Idee des Pfadintegrals) reichen aus.

Es ist sogar so, dass die Methode der Störungstheorie, innerhalb derer die "virtuellen Teilchen" bzw. Propagatoren als mathematische Artefakte auftauchen, explizit ungeeignet ist, um Instantonen zu diskutieren. Es handelt sich um sogenannte nicht-störungstheoretische Effekte.

Wenn dich das interessiert, dann kann ich dir wirklich nur empfehlen, das nachzuvollziehen; du bekommst einen guten und vor allem recht präzisen Eindruck, was es bedeutet, "dass ein Universum aus dem Nichts entsteht". Es gibt auch ein kleines Büchlein von Hawking und Penrose, ich glaube Raum und Zeit, in dem Hawking die Idee erklärt (auch sonst sehr empfehlenswert, wenn auch nicht mehr ganz aktuell und an einigen Stellen nicht ganz neutral)

Krauss_Vilenkin · Anmeldungsdatum: 23.09.2015 Beiträge: 10

Danke für deine Antwort. Ich habe mal ein Bild von einem Instanton gesehen, glaube ich. Da ist statt einer Spitze am Anfang der Singularität eine runde Fläche. Hawking spricht doch davon, dass es sich wie der Südpol verhält. Aber verstanden habe ich das ehrlich gesagt nicht.
Die Theorie des Instanton besagt also auch, dass unser Universum einen definitiven Anfang hat? Und dieses wiederum entsteht auch aus dem Nichts?

Zu dem Paper von Edward Tryon, was will er uns da eigentlich sagen, und ist das eigentlich noch korrekt? Ich meine, er spricht ja von einer Quantenfluktuation.

Du hast mir ja mal gesagt, dass das Vakuum nicht-verschwindene Eigenschaften hat, diese wiederum nicht teilchenartig sind.
Aber ich bin so neugierig. Was hat es damit auf sich?
Kannst du mir dazu noch ein paar Worte sagen und wie es nicht leer ist? Auch auf die Gefahr, dass ich es nicht verstehe.

Weil ich bin mittlerweile so unsicher, dass ich gar nicht weiß: Ist das Vakuum leer oder nicht? Denn selbst wenn Krauss die falschen Worte wählt, so muss es ja im Grunde stimmen, was er sagt. Und irgendwie muss es ja nicht leer sein, oder?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18196