Verstoß gegen die Energiebilanz - Virtuelle Teilchen Vakuum?

Gast3,14 · Gast

Guten Tag,

wenn ich vom Urknall als Entwicklungstart des Universums ausgehe, dann ist das Universum ein geschlossenes System nach dem 1. Satz der Thermodynamik. Laut der Quantenmechanik nach Werner Heisenberg ist das Vakuum eine Art von Quantenschaum, aus dem ständig Virtuelle - Teilchen - Antiteilchenpaare der unterschiedlichsten Massen, Lebensdauern und Reichweiten durch Vakkumsfluktuationen entstehen und sich wieder zerstrahlen.
Dabei werden die Zeiten der Teilchenexistenz so kurz gefordert, weil man das Entstehen dieser Teilchen durch Quantenfeldfluktuationen als einen Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz bezeichnet.
Warum?
Das Vakuum ist Teil des geschlossenen Gesamtsystems. Wenn daraus Teilchen entstehen, dann wird nur Vakummsenergie umgewandelt und die Energiebilanz bleibt insgesamt unverändert. Es findet dabei generell kein Verstoß statt.
Das würde ebenso gelten, wenn Teilchen nicht als Teilchen - Antiteilchenpaare entstehen und sich nicht wieder zerstrahlen würden.
Warum wird dieser Prozess zeitlich so begrenzt und warum wird er als Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz angesehen?

Netter Gruß

Chris

C3PO · Gast

weil es virtuelle Teilchen sind, sie werden dann erst zu realen Teilchen, wenn man die Annihilation der virtuelle Teilchen unterbindet das aber wiederurm ein Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz ist da man keine Energie aus den NICHTS erschaffen kann.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18092

Saskia-Nene · Anmeldungsdatum: 27.09.2011 Beiträge: 6 Wohnort: Passau

Hallo TomS,

mich interessiert dieses Thema auch.
Ich bin jedoch auf einem relativ niedrigen Kenntnisstand und einige Fachbegriffe sind mir nicht geläufig und bedürfen häufigen Seitenwechsel zu Wikipedia :-)

Was mir an Deiner Definition auffällt und gefällt ist, dass Du nicht so wie viele andere einfach behauptest, dass virtuelle Teilchen vom Prinzip her ganz normale Teilchen sind, jedoch nur sehr kurzlebig, da sie sich sofort wieder mit dem Antiteilchen zerstrahlen.
Du machst Dir da richtig toll Mühe und erklärst den Unterschied über die Feynmandiagramme und den Unterschied der Werte, wobei Du auch noch jede Abkürzung erklärst. Das ist sehr lobenswert, da auch Interessierte wie ich in solchen Foren gerne lesen. Danke dafür, ganz ehrlich.

Ich habe dazu eine Frage, die sich teilweise auf den Eingangspost bezieht.
Wäre es dann auch möglich, dass durch Quantenfeldfluktuationen nicht nur Teilchenpaare, sondern direkt Teilchen entstehen?
Oder auch noch anders gefragt: Warum entstehen immer Teilchen - Antiteilchenpaare, wenn es kein Verstoß gegen die Energiebilanz ist. Das sehe ich übrigens auch so, dass es keiner ist, da das Vakuum nicht mehr als philosophisches Nichts betrachtet werden darf, sondern vielmehr als energetisches Meer der ungeahnten Möglichkeiten :-)

Netter Gruß

Saskia-Nene

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18092

Saskia-Nene · Anmeldungsdatum: 27.09.2011 Beiträge: 6 Wohnort: Passau

Hallo TomS,

nichts zu danken, denn Deine Antworten sind einfach super gut ausgeführt. Auch wenn man nur sehr begrenztes Fachwissen hat, so wie ich, dann kann man anhand Deiner Formulierungen und ein paar Sprüngen zu google oder Wikipedia doch sehr gut verstehen, was Du darstellst, da Du die Sachverhalte sehr deutlich benennst und in Verbindung zueinander sehr gut darstellst.
Klar, bei dem ein oder anderen Begriff stoße ich dann auf neue, die mir noch unbekannt sind und ich muss mehrmals nachschauen, doch gerade dies ist ein wertvoller Lernprozess und mit der Zeit steigt man immer tiefer in die Materie ein und man lernt zunehmend die Begriffe und auch deren tiefere Bedeutung.
Dass die Teilchen an für sich vom Bezugssystem des Betrachters (Unruh - Prinzip) als virtuell oder nicht definiert werden können, fasziniert mich nun. Doch ganz verstanden habe ich es noch nicht. Doch ich kann in etwa nachvollziehen, wie es gemeint ist. Ich werde mich da nun mal tiefer einlesen und alles berücksichtigen, was das tangiert.

Ganz herzliche Grüße und nochmals ganz herzlichen Dank!

Saskia-Nene

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18092

Der englische Wikipediaartikel ist recht gut http://en.wikipedia.org/wiki/Unruh_effect

Saskia-Nene · Anmeldungsdatum: 27.09.2011 Beiträge: 6 Wohnort: Passau

Guten Morgen TomS,

danke für den Link.
Ich verstehe dabei zu viele Begriffe leider nicht. Mein English ist zwar so gut, um über die Runden zu kommen, doch fachbezogene Begriffe sorgen dann doch dafür, dass ich mehr nachschlagen, als verstehen kann. Da hilft selbst babelfish nicht weiter :-)
Ich habe aber einige andere Texte dazu gefunden.

Mir fiel gestern noch im Halbschlaf eine wichtige Frage ein. Mit dem Urknall entstand ja Raum, Zeit ...
Wie schafften es da die Quarks sich aus dem entstandenen Raum zu bilden? Die Bedingungen waren ja nur in so weit anders, dass der Raum noch kleiner und die Vakuumdichte höher war.
Doch das wäre ja nach den Feynmangraphen kein Grund für eine spontane Quarksbildung.
So wie die Entwicklung nach dem Urknall beschrieben wird, verstehe ich es jedoch so, dass höhere Vakuumenergie Teilchen (Quarks) entstehen ließ und dann in Folge der weiteren Expansionen und Abkühlung des Universums die weiteren Verbindungsmöglichkeiten bei entsprechenden Temperaturen ermöglicht wurden.

Ganz herzliche Grüße

Saskia-Nene

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18092

Die Entstehung aus dem / im Urknall selbst kann man nicht beschreiben; das ist ein Punkt (eine Singularität) wo unsere Theorien (QED, QCD, ART, ...) zusammenbrechen. Erweiterte Theorien, die diese Singularität vermeiden, sind heute allenfalls in Ansätzen erkennbar.

Man muss also nach der sog. Planck-Zeit beginnen und stellt sich dabei ein Universum vor, das aus einer extrem heißen und dichten "Suppe" von Elementarteilchen besteht, wobei praktisch alle Sorten vertreten sind und alle möglichen Prozesse ablaufen. Im Zuge der Expansion und Abkühlung "frieren dabei Teilchensorten aus", d.h. sie wechselwirken weniger häufig, und zugleich sinkt die Temperatur soweit ab, dass die mittlere Energie zu ihrer Erzeugung nicht mehr ausreicht; ab diesem Zeitpunkt bleiben sie einfach erhalten.

Woher die initale Energie kam kann man nicht sagen (OK, aus dem Urknall, aber das beantwortet es ja nicht wirklich :-)

Saskia-Nene · Anmeldungsdatum: 27.09.2011 Beiträge: 6 Wohnort: Passau

Hallo TomS,

ganz herzlichen Dank dafür!
Ich habe ein paar PDFs von Dir zu anderen Themen gelesen und bin ehrlich schwer beeindruckt. Machst Du beruflich etwas im Bereich der Astrophysik?

Kennst mich ja schon ... Natürlich folgt nun eine weitere Frage :-)

Warum haben sich dann im Laufe der Abkühlung und verringerten Wechselwirkung gerade Wasserstoffatome in weit überwiegendem Ausmaß gebildet? Okay, ich weiß, dass das Wasserstoffatom mit einem Proton und einem Elektron die einfachste Verbindung ist und fortfolgend die nächsten im Periodensystem der Elemente, doch das erklärt mir selbst die Frage nicht. Wenn Protonen und Elektronen und die Quarks für die Wechselwirkungen (Gluonen) da waren, dann hätten sich doch auch etwas komplexere Elemente bilden können. Wie es dann nach den Wasserstoffnebeln durch Impuls, Rotation, Verdichtung ... weiter geht und letztendlich zur Sternbildung führt ist mir soweit bekannt. Auch, dass nur in Sternen durch die KErnreaktion dann weitere Prozesse bis zu Fe ablaufen und nur durch Supernovae weitere Elemente entstehen können, ebenso durch Neutronensternkollisionen u. s. w. Doch warum es am Anfang nur so viel Wasserstoff gab, leuchtet mir nicht so ganz ein. Liegt das an der Verhältnismäßigkeit der Möglichkeiten? Also, ich meine damit, dass es von der Möglichkeit her einfacher ist, ein H, als ein He oder ein Li - Atom zu konstruieren. Okay, das könnte die Lösung sein :-) Vielleicht hab ich mir die Frage nun selbst beantwortet, doch ich lege sehr viel Wert auf Dein Fachwissen, darum lasse ich es mal so stehen.

Edit: Wie kam es eigentlich zu den Elektronen und Positronen?

Ganz herzliche Grüße

Saskia-Nene

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18092

Argonderivat · Gast

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18092

Was meinst du mit Annihilationsstrahlung?

Es gibt z.B. den Prozess

Energie und Impuls sind exakt erhalten.

Dabei ist in niedrigster Ordnung ein virtuelles Elektron beteiligt, d.h. man kann den Prozess aus zwei "elementaren Prozessen"

zusammensetzen, wobei das entstehenden e' im Inneren eines Feynmandiagrams, also nicht als auslaufendens Teilche auftritt. Für reale einlaufende Teilchen ist das entstehenden e' zwingend virtuell, d.h.

Auch in diesen elementaren Prozessen sind Energie und Impuls exakt erhalten.

http://en.wikipedia.org/wiki/Electron%E2%80%93positron_annihilation

Argonderivat · Gast

Ich dachte, es entstünden bei diesen virtuellen Paarbildung-Paarvernichtungseffekten tatsächlich Gammastrahlen, aber dabei habe ich natürlich vergessen, dass man für Paarbildung von Elektron und Positron ja mindestens 2 x 511 KeV braucht, also vorher Licht vorhanden war, welches nach der Annihilation wieder als 2 x Gamma auftaucht.

Braucht man für den Casimir-Effekt eigentlich zwingend Vakuumfluktuationen?

Saskia-Nene · Anmeldungsdatum: 27.09.2011 Beiträge: 6 Wohnort: Passau

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18092

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18092