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Gustav123
Gast





Beitrag Gustav123 Verfasst am: 20. Jul 2012 18:06    Titel: Wechselwirkungen Antworten mit Zitat

Meine Frage:
Hallo.
In der Physik gibt es doch die vier fundamentalen Wechselwirkungen. Dies sind die Kräfte, die zwischen allen Teilchen existieren und wirken.

In der Physik übertragen die Eichbosonen die verschiedenen Kräfte.

Meine Fragen dazu sind:
1. Warum sind es Teilchen, die die Wechselwirkungen vermitteln?
2. Warum müssen es virtuelle Teilchen sein? Wie kann man sich diese vorstellen bzw. was ist der Unterschied zwischen einem virtuellen und einem realen Teilchen in diesem Zusammenhang?


Meine Ideen:
Nach der Feldquantisierung entspricht jeder Anregung eines Feldes ein Teilchen, richtig?
Kann man also die Eichbosonen als Selbstwechsekwirkung des Feldes verstehen?
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17897

Beitrag TomS Verfasst am: 20. Jul 2012 19:42    Titel: Antworten mit Zitat

Das ist nicht so ganz einfach.

In der QFT wird zunächst ein abstrakter mathematischer Apparat verwendet, in dem sogenannte Feldoperatoren und Zustandsräume (Hilberträume) definiert werden. Teilchen wund Wellen gibt es dabei zunächst nicht; beide erscheinen aber in bestimmten (sich wechselweise ausschließenden)Situationen als (für die jeweilige Situation passende) vernünftige Näherungen.

Damit kann man den o.g. Quantenzuständen im Hilbertraum Zuständen teilchenartige Eigenschaften zuschreiben (fester Impuls geringer Unschärfe, näherungsweise Lokalisierbarkeit im Ortsraum, …). Das ist aber sekundär.

Diese o.g. Feldoperatoren unterscheiden sich nun nicht grundlegend für verschiedene Felder (außer dass eben unterschiedliche Eigenschaften wie Spin usw. vorliegen). Damit ist die Frage „Warum sind es Teilchen, die die Wechselwirkungen vermitteln?“ ein bisschen irreführend. Es ist eher andersherum: Aus dem o.g. mathematischen Formalismus können für beliebige Feldoperatoren - auch für die der Austauschteilchen - gewisse Teilcheneigenschaften herauspräpariert werden. Genau das tut man.

„Warum müssen es virtuelle Teilchen sein?“
Das ist nur eine Interpretationsfrage. Reale Teilchen sowie die entsprechenden Zustände im Hilbertraum haben letztlich die Eigenschaft, Masse, Impuls und Energie zu tragen. Dabei gilt die Beziehung E² - p² = m² wobei m die Ruhemasse ist (und ich c=1 gesetzt habe). Dies sind die „gewöhnlichen“ Teilchen, die man z.B. in einem Detektor misst. Im Rahmen einer Näherung, der sogenannten Störungstheorie, kann man mathematische Ausdrücke konstruieren, die dem Austausch von Teilchen entspricht (dabei wird aber nicht ein Teilchen ausgetauscht wie fälschlicherweise oft behauptet wird, vielmehr handelt es sich eher um den Austausch unendlich vieler Teilchen). Für diese virtuellen Teilchen gilt:
- man kann ihnen keinen Zustand im Zustandsraum zuordnen
- sie erfüllen nicht mehr E² - p² = m²
d.h. diese Aspekte des Teilchencharakters gehen weitgehend verloren.

_________________
Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago.
D2



Anmeldungsdatum: 10.01.2012
Beiträge: 1723

Beitrag D2 Verfasst am: 21. Jul 2012 21:32    Titel: Antworten mit Zitat

Wenn ich fragen darf.
Welche Eigenschaften sollen die virtuelle Teilchen haben, die für die Anziehung sagen wir zw. Elektron und Proton zuständig sind?
http://www.leifiphysik.de/web_ph11_g8/grundwissen/10standardmodell/wechselwirk/wechselswirkungen.htm

Wenn es sich um Abstoßung handelt, dann kann man wunderbar auch mit realen Austauschteilchen oder Photonen rechnen, ohne dass dabei Impuls oder Energie verloren geht, aber bei der Anziehung, muss das vom Teilchen A ausgestrahlte virtuelle Photon in entgegegesetzte Richtungen fliegen(sagen wir nach Li.), und auf eine wundersame Weise auf das andere Teilchen B von der rechten Seite ankommen(wenn dieses virtueles Photon das Teilchen B nicht trifft, werden die Erhaltungsgesetze verletzt). Mir persönlich sind die Faradays Felder in dieser Hinsicht viel sympatischer.
Ich lasse mich aber gerne des Besseren belehren.
jh8979
Moderator


Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8571

Beitrag jh8979 Verfasst am: 21. Jul 2012 22:04    Titel: Antworten mit Zitat

D2 hat Folgendes geschrieben:

Wenn ich fragen darf.
Welche Eigenschaften sollen die virtuelle Teilchen haben, die für die Anziehung sagen wir zw. Elektron und Proton zuständig sind?

Deine Antwort steht im letzten Teil von TomS langer Antwort. Ich hab sie mal aufs Wesentliche gekuerzt (und das in den Klammern entfernt, weil ich es fuer irrefuehrend halte):
TomS hat Folgendes geschrieben:

„Warum müssen es virtuelle Teilchen sein?“
Das ist nur eine Interpretationsfrage. ... Im Rahmen einer Näherung, der sogenannten Störungstheorie, kann man mathematische Ausdrücke konstruieren, die dem Austausch von Teilchen entspricht (...). Für diese virtuellen Teilchen gilt:
- man kann ihnen keinen Zustand im Zustandsraum zuordnen
- sie erfüllen nicht mehr E² - p² = m²
d.h. diese Aspekte des Teilchencharakters gehen weitgehend verloren.

Das Entscheidende an den virtuelen Teilchen ist, dass man sie nur eine Interpretation eines stoerungstheoretischen Ausdrucks sind. Die Frage ob sie also wirklich existieren oder nicht, laesst sich (per Definition) nicht entscheiden, da sie sich direkt nicht messen lassen (sonst waeren es ja reale Teilchen und keine virtuellen).

Um das mehr/genauer zu verstehen ist wohl ein Crashkurs in QFT notwendig. Wir koennten natuerlich einfach die noetige Formel aufschreiben, aber ohne Grundlagen bringt das wohl nicht mehr als das was wir geschrieben haben.
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17897

Beitrag TomS Verfasst am: 22. Jul 2012 06:13    Titel: Antworten mit Zitat

Vielleicht ganz kurz: man darf sich beim Austausch virtueller Teilchen keinesfalls vorstellen, dass sich zwei Leute sowas wie einen Ball zuwerfen, denn dabei wird aufgrund der Impulserhaltung immer eine Abstoßung herauskommen; das Bild ist einfach falsch.
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D2



Anmeldungsdatum: 10.01.2012
Beiträge: 1723

Beitrag D2 Verfasst am: 22. Jul 2012 21:07    Titel: Antworten mit Zitat

Ich habe angenommen das ein vuirtuelles Teilchen mit geliehener Energie für sehr kurze Zeit(je höher seine Energie, desto kürzer die Zeitspanne) erscheint und verschwindet.
"Prinzipiell kann jedes Teilchen auch als virtuelles Teilchen in einem Feynmandiagramm auftreten, typische Beispiele sind Eichbosonen als Vermittler von Wechselwirkungen"
"Ein wesentlicher Unterschied zu den (real beobachtbaren) ein- oder auslaufenden Teilchen ist, dass virtuelle Teilchen keine definierte Masse besitzen" s. Eigenschaften http://de.wikipedia.org/wiki/Virtuelles_Teilchen

Aber um eine Anziehungskraft zu übertragen, müssen diese Teilchen eine negative Masse und negative Ausdehnung haben. Keine definierte Masse, aber ist für mich irgendwelche positive Masse größer als Null. Wo ist mein Denkfehler?
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17897

Beitrag TomS Verfasst am: 22. Jul 2012 23:39    Titel: Antworten mit Zitat

D2 hat Folgendes geschrieben:
Ich habe angenommen das ein vuirtuelles Teilchen mit geliehener Energie für sehr kurze Zeit(je höher seine Energie, desto kürzer die Zeitspanne) erscheint und verschwindet.
Wie oben erwähnt ist die Vorstellung der "geliehenen" Energie falsch - auch wenn sie weit verbreitet ist.

D2 hat Folgendes geschrieben:
Aber um eine Anziehungskraft zu übertragen, müssen diese Teilchen eine negative Masse und negative Ausdehnung haben.
Nein, das ist nicht so; wie kommst du drauf?

D2 hat Folgendes geschrieben:
Keine definierte Masse, aber ist für mich irgendwelche positive Masse größer als Null. Wo ist mein Denkfehler?
Dein Fehler besteht darin, dass du bei virtuellen Teilchen immer noch an Teilchen denkst; es handelt sich jedoch um formale mathematische Terme, in denen nichts Teilchenartiges mehr steckt.
_________________
Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago.
D2



Anmeldungsdatum: 10.01.2012
Beiträge: 1723

Beitrag D2 Verfasst am: 23. Jul 2012 12:24    Titel: Antworten mit Zitat

TomS hat Folgendes geschrieben:
man darf sich beim Austausch virtueller Teilchen keinesfalls vorstellen, dass sich zwei Leute sowas wie einen Ball zuwerfen, denn dabei wird aufgrund der Impulserhaltung immer eine Abstoßung herauskommen; das Bild ist einfach falsch.

Nicht ganz falsch, die Idee mit Impulsübertragung für die Anziehung funktioniert nur bedingt, da man versucht hat auf einen Trick zu greifen. Für die Anziehung hat man nämlich ein Bumerang genommen,
http://kworkquark.desy.de//kennenlernen/artikel.teilchen-und-kraefte-3/3/0/index.html
leider funktioniert so ein Bumerang im Vakuum nicht..
TomS hat Folgendes geschrieben:
D2 hat Folgendes geschrieben:
Ich habe angenommen das ein vuirtuelles Teilchen mit geliehener Energie für sehr kurze Zeit(je höher seine Energie, desto kürzer die Zeitspanne) erscheint und verschwindet.
Wie oben erwähnt ist die Vorstellung der "geliehenen" Energie falsch - auch wenn sie weit verbreitet ist.

Und was ist dann mit Hawking-Strahlung? http://de.wikipedia.org/wiki/Hawking-Strahlung
TomS hat Folgendes geschrieben:

D2 hat Folgendes geschrieben:
Aber um eine Anziehungskraft zu übertragen, müssen diese Teilchen eine negative Masse und negative Ausdehnung haben.
Nein, das ist nicht so; wie kommst du drauf?.

Impulsübertragung mit negativer Masse wird für Anziehung sorgen, vorausgesetz diese Masse krümmt den Raum in andere Richtung wie gewöhnliche Masse- reine rechnerisch gesehen, wird so eine Masse negativen Impuls übertragen. Sollte aber diese Masse keine negative Ausdehnung haben, wird es zum Paradox kommen, die unterschiedliche Massen werden sich bis zuLichtgeschwindigkeit beschleunigen
"Thus it can be seen that an object with negative inertial mass would be expected to accelerate in the opposite direction to that in which it was pushed, which is arguably a strange concept."
http://en.wikipedia.org/wiki/Negative_mass
TomS hat Folgendes geschrieben:

D2 hat Folgendes geschrieben:
Keine definierte Masse, aber ist für mich irgendwelche positive Masse größer als Null. Wo ist mein Denkfehler?
Dein Fehler besteht darin, dass du bei virtuellen Teilchen immer noch an Teilchen denkst; es handelt sich jedoch um formale mathematische Terme, in denen nichts Teilchenartiges mehr steckt.

Komisch, so explizit wird es aber nicht verneint, sondern diesen Teilchen
doch gewisse Eingenschaften zugestanden, wenn diese mit Hilfe und auf Kosten von SL entstehen dürfen.
http://www.astronews.com/frag/antworten/frage080.html


Zuletzt bearbeitet von D2 am 23. Jul 2012 12:56, insgesamt einmal bearbeitet
Rmn



Anmeldungsdatum: 26.01.2010
Beiträge: 473

Beitrag Rmn Verfasst am: 23. Jul 2012 12:27    Titel: Antworten mit Zitat

D2 hat Folgendes geschrieben:
leider funktioniert so ein Bumerang im Vakuum nicht..
Er nutzt dann Vakuumfluktuationen an Stelle von Luft aus. (nicht ernst gemeint)
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17897

Beitrag TomS Verfasst am: 23. Jul 2012 15:15    Titel: Antworten mit Zitat

D2 hat Folgendes geschrieben:
TomS hat Folgendes geschrieben:
man darf sich beim Austausch virtueller Teilchen keinesfalls vorstellen, dass sich zwei Leute sowas wie einen Ball zuwerfen, denn dabei wird aufgrund der Impulserhaltung immer eine Abstoßung herauskommen; das Bild ist einfach falsch.

Nicht ganz falsch, die Idee mit Impulsübertragung für die Anziehung funktioniert nur bedingt, da man versucht hat auf einen Trick zu greifen. Für die Anziehung hat man nämlich ein Bumerang genommen,
http://kworkquark.desy.de//kennenlernen/artikel.teilchen-und-kraefte-3/3/0/index.html
leider funktioniert so ein Bumerang im Vakuum nicht..

Ich wiederhole: man darf sich beim Austausch virtueller Teilchen keinesfalls vorstellen, dass sich zwei Leute sowas wie einen Ball zuwerfen, denn dabei wird aufgrund der Impulserhaltung immer eine Abstoßung herauskommen; das Bild ist einfach falsch

D2 hat Folgendes geschrieben:
TomS hat Folgendes geschrieben:
D2 hat Folgendes geschrieben:
Ich habe angenommen das ein vuirtuelles Teilchen mit geliehener Energie für sehr kurze Zeit(je höher seine Energie, desto kürzer die Zeitspanne) erscheint und verschwindet.
Wie oben erwähnt ist die Vorstellung der "geliehenen" Energie falsch - auch wenn sie weit verbreitet ist.

Und was ist dann mit Hawking-Strahlung? .

Auch da ist das Bild falsch. Das SL wird leichter, dadurch dass reale Teilchen emittiert werden, die eine positive Masse „wegtragen“. Insbs. ist das Bild „virtueller Teilchen“ bei SLs noch problematischer (auch wenn Hawking selbst diesen Sprachgebrauch verwendet) und insbs. ist es nicht mit den aus der normalen QFT bekannten virtuellen Teilchen identisch!

D2 hat Folgendes geschrieben:
TomS hat Folgendes geschrieben:
D2 hat Folgendes geschrieben:
Aber um eine Anziehungskraft zu übertragen, müssen diese Teilchen eine negative Masse und negative Ausdehnung haben.
Nein, das ist nicht so; wie kommst du drauf?.

Impulsübertragung mit negativer Masse wird für Anziehung sorgen, vorausgesetz diese Masse krümmt den Raum in andere Richtung wie gewöhnliche Masse- reine rechnerisch gesehen, wird so eine Masse negativen Impuls übertragen.

Hör bitte auf; das hat mit den mathematischen Methoden der QFT nichts zu tun und gehört ins Reich der Spekulation. Die durch virtuelle Teilchen vermittelte Anziehungskraft hat rein gar nichts mit der Krümmung des Raumes zu tun.

"Thus it can be seen that an object with negative inertial mass would be expected to accelerate in the opposite direction to that in which it was pushed, which is arguably a strange concept." …
… ist in diesem Hang völlig irrelevant

D2 hat Folgendes geschrieben:
TomS hat Folgendes geschrieben:
D2 hat Folgendes geschrieben:
Keine definierte Masse, aber ist für mich irgendwelche positive Masse größer als Null. Wo ist mein Denkfehler?
Dein Fehler besteht darin, dass du bei virtuellen Teilchen immer noch an Teilchen denkst; es handelt sich jedoch um formale mathematische Terme, in denen nichts Teilchenartiges mehr steckt.

Komisch, so explizit wird es aber nicht verneint, sondern diesen Teilchen
doch gewisse Eingenschaften zugestanden, wenn diese mit Hilfe und auf Kosten von SL entstehen dürfen.
http://www.astronews.com/frag/antworten/frage080.html

Der Artikel ist auch nicht gerade perfekt. Nochmal: ein virtuelles Teilchen hat mit einem realen Teilchen kaum etwas gemein; es war ein Fehler der Wissenschaftler, dies als (einziges) anschauliches Bild breit zu streuen, ohne gleichzeitig warnend den Zeigefinger zu heben. 99% der Fragen, die ich zu virtuellen Teilchen gestellt bekomme beziehen sich auf unsaubere Analogien, nicht auf echte physikalische oder mathematische Fragestellungen.

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D2



Anmeldungsdatum: 10.01.2012
Beiträge: 1723

Beitrag D2 Verfasst am: 23. Jul 2012 20:32    Titel: Antworten mit Zitat

TomS hat Folgendes geschrieben:
Nochmal: ein virtuelles Teilchen hat mit einem realen Teilchen kaum etwas gemein; es war ein Fehler der Wissenschaftler, dies als (einziges) anschauliches Bild breit zu streuen, ohne gleichzeitig warnend den Zeigefinger zu heben. 99% der Fragen, die ich zu virtuellen Teilchen gestellt bekomme beziehen sich auf unsaubere Analogien, nicht auf echte physikalische oder mathematische Fragestellungen.

Danke für diesen wichtigen Hinweis.
Die Sprache bestimmt unseres Denken und schon bei unterschiedlichen Interpretation eines einziges Wortes entstehen oft unnötige Diskussionen.
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17897

Beitrag TomS Verfasst am: 23. Jul 2012 22:45    Titel: Antworten mit Zitat

Danke dass du das akzeptierst!
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