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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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 Brillant Verfasst am: 27. Jul 2015 12:00 Titel: Was enthält das Vakuum? |
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Hallo,
die Antwort "nichts" kann nicht richtig sein.
Zumindest elektromagnetische Wellen, inklusive des Lichts. Dann Gravitation, sonst könnte man die Gravitation ja einfach mit einem Vakuum abschirmen. Und Neutrinos.
Was noch?
Wohl auch dunkle Materie, denn wo sollte die sein, wenn nicht in dem Bereich, der bisher als Vakuum galt? Und dunkle Energie.
Wenn nun dunkle Materie von Licht und "helle" Materie von Neutrinos fast unbehindert durchflossen wird, gibt es also eine zweites Universum mit dem wir den Platz teilen.
Und wie ich die Wissenschaft kenne, die beim Untersuchen der "unteilbaren" Atome auf mehr "Objekte" stößt als Prototonen, Neutronen, Elektronen wird auch die Untersuchung der dunklen Materie und der dunklen Energie wieder Tore aufstoßen, hinter denen sich die Wissenschaftler wie An-Alphabeten (ich mag das Wort Anal-Phabeten nicht) fühlen werden.
Und ich bin der Meinung, das Vakuum enthält eine Richtungs- Information. Wie sonst könnte eine Kreisel-Achse im Raum stabil sein *). Der verworfene "Äther" entsteht ja gerade wieder neu als "Higgs-Feld".
Die Frage also: Welche Inhalte des Vakuums sind bisher bekannt oder werden vermutet?
*) Zusatzfrage: Wenn sich ein Schiffs- (Keisel-) Kompass mit der Erd-Achse synchronisiert, mit was synchronisiert sich ein Kreisel weit ausserhalb der Erdbahn?
Zuletzt bearbeitet von Brillant am 27. Jul 2015 12:32, insgesamt 2-mal bearbeitet |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18088
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| TomS Verfasst am: 27. Jul 2015 12:26 Titel: |
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Das Vakuum in der modernen Physik ist nicht der Zustand von "leerem Raum", sondern der Zustand "niedrigster Energie".
1) Im Falle der Quantenfeldtheorien enthält das Vakuum "Vakuumfluktuationen" von Photon-, Elektron- sowie weiteren Feldern. Insbs. enthält es bei den uns betreffenden Energieskalen ein Quark-Kondensat
als Resultat der chiralen Symmetriebrechung der QCD, sowie ein nicht-verschwindendes Higgsfeld
\rangle = v_h > 0)
2) Bzgl. dunkler Materie und dunkler Energie ist das alles ziemlich spekulativ, da man deren Natur nicht kennt. Bzgl. letztere diskutiert man zwei Beiträge, nämlich
a) zum einen eine "rein geometrische" kosmologische Konstante, das ware aber tatsächlich nur eine Zahl, eine Eigenschaft der Raumzeit, kein Feld o.ä, sowie
b) Vakuumenergie, d.h. einen Beitrag der o.g. Felder
Letzteres ist heute nicht berechnenbar.
3) Bzgl. der Raumzeit selbst ist das o.g. Bild nicht mehr korrekt. Zum einen ist es notorisch schwierig, eine "Energie des Gravitationsfeldes" zu definieren, d.h. dass die Definition "Zustand niedrigster Energie" so nicht mehr sinnvoll ist. Zum zweiten gilt für den der Energie entsprechenden Operator H im Falle der Gravitation immer
Im Falle des Gravitationsfeldes ist "Vakuum" eher gleichzusetzen mit "kein Raum".
Ich denke (1), (3), (2) wäre nach aufsteigender Schwierigkeit geordnet. (1) kann man im Rahmen der etablierten Theorien diskuitieren. (2) ist heute eher spekulativ und ggf. in Teilen mit (1) und/oder (3) verknüpft. (3) ist Gegenstand aktueller Forschung
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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago.
Zuletzt bearbeitet von TomS am 15. Sep 2015 07:13, insgesamt einmal bearbeitet |
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Quelle
Gast
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| Quelle Verfasst am: 12. Sep 2015 23:03 Titel: |
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Also ein perfektes Vakuum ist gar nicht mal so einfach, meist bleiben irgendwelche Reste da.
Zudem ist im Vakuum die Raumzeit vorhanden, sonst wäre ja alles dort echt    |
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 14. Sep 2015 22:39 Titel: |
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| TomS hat Folgendes geschrieben: | | Im Falle des Gravitationsfeldes ist "Vakuum" eher gleichzusetzen mit "kein Raum". |
Wie ist das zu verstehen?
Die Gravitation zwischen Objekten im Raum würde also durch "viel Vakuum" = "kein Raum" nicht schwächer? Das widerspräche meiner bisherigen Kenntnis. |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18088
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| TomS Verfasst am: 14. Sep 2015 23:36 Titel: |
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Stell dir vor, dein Raum wären die reellen Zahlen
Ein Kraftfeld wäre gegeben durch eine Funktion
)
Diese wäre die Ableitung eines Potentials
 = -\frac{\dd U(x)}{\dd x})
A) wenn keine Körper, Ladungen und Ströme anwesend sind, dann ist
 = \text{const.} \;\to\; F(x) = 0)
B) wenn nicht mal ein konstantes Potential vorhanden ist, dann wäre dies soetwas wie
 = 0)
| Brillant hat Folgendes geschrieben: | | TomS hat Folgendes geschrieben: | | Im Falle des Gravitationsfeldes ist "Vakuum" eher gleichzusetzen mit "kein Raum". |
Wie ist das zu verstehen? |
C) "kein Raum" bedeutet in diesem Modell, dass der Raum = die reellen Zahlen nicht da sind; also eben nicht leerer Raum, sondern kein Raum. |
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Wasistlos
Gast
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| Wasistlos Verfasst am: 15. Sep 2015 06:34 Titel: |
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Jetzt heißt es von TomS hier wieder, dass es doch Teilchen im Vakuum gibt?
WAS STIMMT DEN NUN???
Im Falle der Quantenfeldtheorien enthält das Vakuum "virtuelle Anregungen" von Photonen, Elektronen und Positronen sowie aller weiteren Teilchen. |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18088
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| TomS Verfasst am: 15. Sep 2015 07:11 Titel: |
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| Wasistlos hat Folgendes geschrieben: | Jetzt heißt es von TomS hier wieder, dass es doch Teilchen im Vakuum gibt?
WAS STIMMT DEN NUN???
Im Falle der Quantenfeldtheorien enthält das Vakuum "virtuelle Anregungen" von Photonen, Elektronen und Positronen sowie aller weiteren Teilchen. |
Sorry, ich war unpräzise. Sollte evtl. besser heißen ... enthält das Vakuum "Vakuumfluktuationen" von Photon-, Elektron- sowie weiteren Feldern.
Irgendeinem Namen muss man dem wohl geben; ich halte nur "virtuelle Teilchen" für irreführend, da diese eine präzise mathematische Bedeutung haben, jedoch nicht "real existieren"; aber irgendwas existiert da schon; es ist messbar, und es ist nicht Nichts. |
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Harald_
Gast
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| Harald_ Verfasst am: 15. Sep 2015 07:35 Titel: |
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Nochmal langsam: Die QFT beschreibt Teilchen und Felder einheitlich, d.h. ein Teilchen ist die elementare Anregung eines entsprechenden Feldes.
Nun Falle der QFT ist es so - wie du sagst - dass das Vakuum virtuelle Anregungen enthält. Das wären ja demnach Teilchen. Aber virtuelle Teilchen können es nicht sein. Diese tauchen nur innerhalb von Feynman-Diagrammen auf. Soweit so gut. Aber was sind diese nicht-verschwindenden Anregungen dann? Du verwendest einfach ein anderes Wort, nämlich Vakuumfluktuationen. Sprachlich hat sich jetzt was verändert, aber dieses "Etwas" im Vakuum bleibt dasselbe.
Nach meinem Verständnis kann es nu so sein, dass es schon eine Art Teilchen sein müssen, aber weder virtuell noch real. Diese Teilchen entsprechen den verschiedenen Feldern im Vakuum. Also könnte man doch sagen, dass es eine Felder im Vakuum gibt, die niemals Null sind, aufgrund der Unbestimmtheitsrelation. Daraus reultieren Teilchen und somit ist das Vakuum wirdklich nicht leer. |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18088
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| TomS Verfasst am: 15. Sep 2015 09:39 Titel: |
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| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Die QFT beschreibt Teilchen und Felder einheitlich, d.h. ein Teilchen ist die elementare Anregung eines entsprechenden Feldes. |
Die QFT beschreibt Teilchen und Felder nicht einheitlich!
Ein Feld wird in der QFT zu einem sogenannten Feldoperator. Dies ist ein mathematisches Objekt, das auf Zustände im Hilbertraum wirkt.
Was ein Teilchen nun genau "ist", darüber streiten sich die Naturphilosophen. Am ehesten entspricht es einem Zustand im Hilbertraum, der bestimmte Eigenschaften trägt (Masse, Impuls, Ladung, Spin, ...) und der sozusagen "teilchenhaft" erscheint. Nun ist das für die einfachsten "Teilchenzustände", mit denne die Physiker normalerweise arbeiten, gerade nicht der Fall, denn diese haben definierte Masse, Impuls, Ladung, Spin, jedoch gerade keinen definierten Ort. Ein "reales Teilchen" wäre eher eine Anregung, die sowohl im Orts- als auch im Impulsraum einigermaßen lokalisiert ist, aber das sind gerade nicht die Zustände, mit denen die Physiker normalerweise rechnen.
Dazu kommt, dass der Teilchenbegriff nicht eindeutig ist. Man kann den Feldoperator mittels sogenannte Erzeugungs- und Vernichtunsgoperatoren darstellen; diese Erzeuger "erzeugen" nicht nicht ein reales Teilchen, sie überführen rein mathematisch eine Zustand mit N "Teilchen" in einen mit N+1 "Teilchen"; real geht das nicht, da z.B. die Ladungserhaltung verletzt ist; das ist also lediglich ein formaler Akt. Nun ist nicht eindeutig festgelegt, wie man die Erzeugungs- und Vernichtunsgoperatoren definiert; man kann den Feldoperator also unterschiedlich darstellen; ein "Teilchen" ist also nur bezogen auf die jeweilige Definition von Erzeugungs- und Vernichtunsgoperatoren definiert.
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Nun Falle der QFT ist es so - wie du sagst - dass das Vakuum virtuelle Anregungen enthält. Das wären ja demnach Teilchen. |
So einfach ist das nicht. "Das Vakuum" |0> ist zunächst mal ein Zustand, in dem nach einer bestimmten "Zählung" keine "Teilchen" enthalten sind. Diese "Zählung" erfolgt bzgl. einer bestimmten Definition von Erzeugungs- und Vernichtunsgoperatoren; es ist also zunächst mal in diesem Sinne leer. Bzgl. einer anderen Definition von Erzeugungs- und Vernichtunsgoperatoren wäre derselbe Zustand |0> nicht mehr leer!
Das ist bzw. letztlich der Effekt, der zur Hawkingstrahlung führt. Das Vakuum |0>, was für einen Beobachter in der unendlich fernen Vergangenheit leer erscheint, erscheint für einen Beobacher in der unendlich fernen Zukunft nicht leer. Beide verwenden unterschiedliche Definitionen von Erzeugungs- und Vernichtunsgoperatoren und demnach unterschiedliche "Zählungen".
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Aber virtuelle Teilchen können es nicht sein. Diese tauchen nur innerhalb von Feynman-Diagrammen auf. |
Richtig. "Virtuelle Teilchen" sind mathematsiche Objekte; allerdings von ganz anderer bnatur als die o.g. Hilbertraumzustände. Wenn wir also "Teilchen" mit Hilbertraumzuständen assoziieren, dann kann der Vakuumzustand keine virtuellen Teilchen enthalten (so wie eine Wahlurne keine Demokratie enthalten kann; hat irgendwie etwas miteinander zu tun, ist aber nicht das selbe)
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Soweit so gut. Aber was sind diese nicht-verschwindenden Anregungen dann? Du verwendest einfach ein anderes Wort, nämlich Vakuumfluktuationen. Sprachlich hat sich jetzt was verändert, ... |
Ja, ich gebe dir recht, neue Wörter helfen da nicht weiter.
Warum also Fluktuationen?
Gehen wir zurück zum Feldoperator und bestimmen dessen Vakuumerwartungswert. Wir wollen also berechnen, ob da "etwas ist" (egal, wie es nun heißt). Wir berechnen das z.B. für Elektronen, Photonen, Quarks, Gluonen, ...
also "ist kein Feld da" - außer, wir berechnen das für das Higgs; in dem Fall finden wir
Nun könnte man meinen, das Vakuum sei "leer". Wir können jedoch Ausdrücke berechnen, die man aufgrund gewisser Ähnlichkeiten mit der QM als "Fluktuationen" bezeichnet. Tun wir das - als Beispiel - für Quarks; wir finden
^3)
Also: wenn man Quarks "zählt" dann ist dann nichts; wenn man Antiquarks "zählt", dann ist da ebenfalls nichts, also keine "Teilchen"; wenn man jedoch Quark-Antiquark-Paare "zählt", dann ist da plötzlich etwas, nämlich "Teilchenpaare". Da letzteres etwas mit Fluktuationen des Feldes zu tun hat, nennt man das Vakuumfluktuationen; aber so richtig erklären tut das Wort natürlich nichts.
Stell dir vor, ich gebe dir eine undurchsichtige Urne mit schwarzen und weißen Kugeln und bitte dich, blind hineinzugreifen, zu ziehen, und zu bestimmen, was da drin ist: du findest keine schwarze Kugel, keine weiße Kugel, aber minus drei schwarz-weiße Kugelpaare ...
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Also könnte man doch sagen, dass es eine Felder im Vakuum gibt, die niemals Null sind, aufgrund der Unbestimmtheitsrelation. |
Ja, so in etwa.
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Daraus resultieren Teilchen und somit ist das Vakuum wirklich nicht leer. |
Ja, das Vakuum ist nicht wirklich leer, aber "Teilchen" würde ich das nicht nennen, den wenn man einzelne Teilchen sucht, dann findet man eben gerade keine - s.o.
Vorsichtig formuliert könnte man sagen, dass das Vakuum Träger von nicht-verschwindenden Eigenschaften ist. Diese sind in gewisser Weise "real", d.h. sie erzeugen messbare Effekte. Aber sie sind nicht direkt mit etwas "Teilchenartigen" verknüpft, denn einzelne "Teilchen" gibt da nicht; und der Vakuumzustand trägt auch keine nicht-verschwindenen Eigenschaften, die man mit (lokalisierten) Teilchen assoziieren würde, d.h. seine Eigenschaften wie Impuls und Spin verschwinden tatsächlich.
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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago. |
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Harald_
Gast
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| Harald_ Verfasst am: 15. Sep 2015 11:26 Titel: |
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Nur zum Verständnis: Man kann sagen, dass das Vakuum Träger von nicht-verschwindenden Eigenschaften ist, jeodoch sind diese Eigenschaften nicht mit Teilchen im herkömmlichen Sinne zu assoziieren.
Ansonsten eine sehr gute Antwort. Wahrscheinlich die beste, die man weit und breit finden kann.
Ich würde Dir raten, die mal in den FAQ Bereich zu kopieren.
Und könntest du nicht mal was bei Wikipedia schreiben? Wir alle wären dankbar dafür, wenn dieses falsche Geschriebene da verschwindet, zu dem Thema.
Könntest Du mir noch Literatur zu dem Thema empfehlen? Vielleicht etwas zum Vakuum, wo das auch nochmal so gesagt wird? |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18088
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| TomS Verfasst am: 15. Sep 2015 17:00 Titel: |
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| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Nur zum Verständnis: Man kann sagen, dass das Vakuum Träger von nicht-verschwindenden Eigenschaften ist, jeodoch sind diese Eigenschaften nicht mit Teilchen im herkömmlichen Sinne zu assoziieren. |
Ja.
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Ansonsten eine sehr gute Antwort. Wahrscheinlich die beste, die man weit und breit finden kann. |
Danke. Aber lass' das mal den einen oder anderen Experten hier auch noch lessen ...
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Ich würde Dir raten, die mal in den FAQ Bereich zu kopieren. |
Ja.
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Und könntest du nicht mal was bei Wikipedia schreiben? Wir alle wären dankbar dafür, wenn dieses falsche Geschriebene da verschwindet, zu dem Thema. |
Ich hab' das hier geschrieben:
https://de.wikipedia.org/wiki/Hawking-Strahlung#Erl.C3.A4uterungen_zu_Hawkings_Originalarbeit
War ein ewiger Kampf; schau dir mal die Diskussion dazu an (verbunden mit Löschungen, wieder Einfügen ...)
https://de.wikipedia.org/wiki/Diskussion:Hawking-Strahlung#Der_Begriff_.22virtuelle_Teilchen.22_ist_diesem_Kontext_falsch.21
Ich weiß also nicht, ob ich große Lust dazu habe ...
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Könntest Du mir noch Literatur zu dem Thema empfehlen? Vielleicht etwas zum Vakuum, wo das auch nochmal so gesagt wird? |
Du meinst populärwissenschaftlich? Da fällt mir nichts ein. |
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Harald_
Gast
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| Harald_ Verfasst am: 15. Sep 2015 20:47 Titel: |
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Nochmal zum Vakuum, das lässt mich nicht los. ;-)
Wie ist das mit dem Teilchen zählen gemeint? Ich zähle ein Quark, dann ist da nichts. Ich zähle ein Antiquark, dann ist da auch nicht. Aber dann zähle ich ein Quark-Anti-Quark-Paar, dann ist da etwas! Und deshalb spricht man oft von den Teilchenpaaren, die auftauchen und wieder verschwinden.
Aber in Wirklichkeit betrachtet man wie gesagt diverse Felder, die aufgrund der Unschärferelation niemals null sein können.
Eigentlich kann man doch aus der Unschärferelation per se sagen, dass es im Vakuum etwas geben muss! Im Endeffekt siegt immer die Unbestimmheitsrelation! Kein genauer Wert! Also niemals Null!
Und was interessant ist, ist doch, dass wenn eine Quantenfluktuation, wie auch immer, etwas im Vakuum, was nicht Null ist, sich in einen Phasenübergang begibt, und es dann zur spontanten Symmetriebrechung kommt, dann ergibt sich doch unser Universum! |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18088
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| TomS Verfasst am: 15. Sep 2015 21:50 Titel: |
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| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Aber in Wirklichkeit betrachtet man wie gesagt diverse Felder, die aufgrund der Unschärferelation niemals null sein können. |
Man benutzt Feldoperatoren, um Eigenschaften von Zuständen zu ermitteln. Und die Unschärfenrelation trifft auf die Zustände zu, nicht auf die Feldoperatoren.
Genauer gesagt, je Operatorpaar kann ich eine Operatorpar-spezifische Unschärfenrelation herleiten; das "größer gleich" besagt dann, dass für beliebige Zustände im Hilbertraum gilt, dass ... Aber in unserem Fall betrachte ich spezielle Operatorenpaare, solche aus denen ich einen Operator konstruiere, der "etwas zählt"; und diese wende ich auf genau einen Zustand, das Vakuum, an. D.h es handelt sich hier um eine Eigenschaft genau eines Zustandes, des Vakuums.
Ich konstruiere also Operatoren A, B, ... die es mir erlauben, Eigenschaften "A", "B", ... des Vakuums zu berechnen.
| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Eigentlich kann man doch aus der Unschärferelation per se sagen, dass es im Vakuum etwas geben muss! |
Ja. Für einen spezifischen Operator A finde ich eine Eigenschaft "A" mit einem Wert <A>. Nur, der Witz ist ja, dass man normalerweise erwarten würde, dass dieser Wert <A> Null ist!
Schauen wir uns mal einige Operatoren und ihre Vakuumerwartungswerte, d.h. die "Eigenschaften" des Vakuums an:
Impuls <P> = 0
Drehimpuls <L> = 0
Spin <S> = 0
elektrisches Feld = 0
magnetisches Feld = 0
elektrische Ladung <Q> = 0
...
chromo-elektrisches Feld = 0
chromo-magnetisches Feld = 0
Farbladung = 0
...
Isospin <T³> = 0
...
Quark-Kondsensat ungleich Null
Higgsfeld ungleich Null
...
Es gibt also in diversen Feldtheorien Eigenschaften, bzgl. derer das physikalische Vakuum = der Zustand niedrigster Energie nicht "leer" ist.
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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago.
Zuletzt bearbeitet von TomS am 16. Sep 2015 06:50, insgesamt einmal bearbeitet |
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Harald_
Gast
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| Harald_ Verfasst am: 16. Sep 2015 06:07 Titel: |
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Ich glaube, dein letzter Satz hört einfach auf. Wolltest du sagen: ... der Zustand niedrigster Energie nicht Null ist.
Aber gut.
Ein Quark-Kondensat ist doch ein gebundener Zustand aus 3 Quarks. Also wären ja doch mit Teilchen assoziierte Eigenschaften im Vakuum vertreten, oder?
Und dass das Higgs Feld nicht Null ist, liegt doch an der Form des Mexican Hat Potentials. Es fand ein spontaner Symmetriebruch statt, der das Feld in den Zustand niedrigster Energie zwingt, jedoch bei einem Wert phi. Ich meine, das ist der Vakuumerwartungswert v. Er liegt in einer Rinne um das falsche Vakuum. Kannst du mir da nochmal auf die Sprünge helfen? |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18088
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| TomS Verfasst am: 16. Sep 2015 06:54 Titel: |
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| Harald_ hat Folgendes geschrieben: | | Ein Quark-Kondensat ist doch ein gebundener Zustand aus 3 Quarks. Also wären ja doch mit Teilchen assoziierte Eigenschaften im Vakuum vertreten, oder? |
Nein.
Ein Zustand aus drei Quarks würde deren Eigenschaften tragen, also Spin = 1/2, entspr. Isospin 1/2 o. 3/2. Das Vakuum hat aber Spin und Isospin 0.
[quote="Harald_]Und dass das Higgs Feld nicht Null ist, liegt doch an der Form des Mexican Hat Potentials. Es fand ein spontaner Symmetriebruch statt, der das Feld in den Zustand niedrigster Energie zwingt, jedoch bei einem Wert phi. Ich meine, das ist der Vakuumerwartungswert v. [/quote]
Ja.
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