Fluktuationen in Vakuum - Ursache

Leonard · Gast

Meine Frage:
Ich lese gerade das Buch "String Theory for Dummies". Ich finde, dass es ganz anschaulich gemacht ist und es kommt vor allem ohne Mathematik aus, was das ganze doch sehr vereinfacht. Ich bin gerade an der Stelle: Space time under a Quantum microscope. Dort wird gesagt, dass John Wheeler 1955 den Quantum foam, den Quantenschaum posuliert hat. Meine Frage nun: Was ist dieser Quantum foam? Dieser Quantenschaum oder Fluktuationen, wie sie auch dort genannt werden, würden verursacht durch das Unschärfeprinzip. Ist das richtig? Was verursacht diese Quanten-Fluktuationen im Quanten-Schaum? Und woraus besteht dieser Schaum?

Meine Ideen:
Steht alles oben.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Lenonard · Gast

Danke für deine Antwort. Was ich gerne erfahren würde wäre, wie man sich dieses Etwas, dass du beschreibst vorstellen kann. Wenn die Raumzeit quantisiert vorliegt, heißt das doch nichts anderes, als das diskrete Einheiten vorliegen. Sprünge also wie in der Quantenmechanik. Das heißt, der Satz natura non facit saltum, gilt nicht mehr. Das heißt selbst die Raumzeit liegt quantisiert vor. Als quantenschaum. Ist denn dieser quantenschaum dasselbe wie die sogenannten Quantenfluktuationen? Ich werde aus dem Buch diesbezüglich nicht schlau. Einmal wird von quantenschaum gesprochen, einmal von virtuellen Teilchen, und ein anderes Mal von Fluktuationen im Vakuum. Analog dazu ist ein Bild gemalt, auf der eine glatte Raumzeit brodelnd aussieht. Alles brodelt. Das sollen wahrscheinlich die Fluktuationen oder die quantisierte Raumzeit sein. Aber selbst wenn man sich dieses etwas, was fluktuiert, nicht vorstellen kann, kann man sich stehen irgendwie approximativ nähern? Oder ist die Vorstellung vom quantenschaum/ Fluktuationen im Vakuum so abstrakt, dass kein Mensch, weiß was das ist?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Ich kenne das Buch übrigens nicht, aber nach dem, was ich teilweise an Rezensionen lese, bin ich doch recht skeptisch, dass es was taugt.

Ich würde die ersten zwei Bücher von Greene empfehlen - zusammen mit der Warnung, dass heute niemand auch nur im entferntesten sagen kann, ob Stringtheorie in irgendeiner Form irgendetwas mit der Natur zu tun hat und jemals haben wird.

Leonard · Gast

Gibt es denn auch Fluktuationen des Vakuums, sind das diese Vakuumfluktuationen? Du sagst, Quantenschaum ist die Quantisierung der Raumzeit. Sind dann Vakuumfluktuationen die Quantisierung und Anregung des Vakuums, dar Zustand mit minimaler Energie. Aber nicht genau null. Das Bild mit virtuellen Teilchen scheint nicht zu stimmen. Auxh, wenn das sehr snschaulich ist. Kann du mir das mit Quantenfluktuationen näher erklären?

Meine Idee dazu: Diese Anregungen müssen materiell sein. Da sie indirekt wirken. Casimir-Effekt usw

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Leonard · Gast

Das Vakuum ist per defintionem der Zustand niedrigster Energie. Dazu kommt noch, dass keine Teilchen mehr vohanden sind. Und trotzdem ist es so, dass (scheinbar) Teilchen und Antiteilchen im leeren Raum=Vakuum aufzutreten scheinen. Mit scheinbar meine ich, dass man es berechnen kann, diese Teilchen-Antiteilchen Zustände aber nicht direkt messbar sind. Dazu kommt noch, dass man sie aufgrund präziser Mathematik nicht als physikalisch real bzeichnen kann. Also liegt der Grund, warum es keine virtuelle Teilchen sein können ganz einfach daran, dass virtuelle Teilchen anders definiert sind. Aber wenn man im Vakuum mittels eines Operators misst, wie du sagst, und dann Teilchen-Antiteilchen auftauchen, muss man denen ja auch ein Begriff geben. Wahrscheinlich haben sich Physiker einfach entschieden, den Begriff "virtuelles Teilchen" zweifach zu vergeben. Als Propagator und im hier beschriebenen Sinne (als Teilchen-Antiteilchen-Paar im Vakuum).
Ich habe hier im Forum gelesen, dass der Lamb-Shift KEIN Beweis für diese Teilchen-Antiteilchen Zustände im Vakuum sei, da er auch anderes berechenbar ist. Was sagt das jetzt aber? Gibt es im Vakuum Effekte, die zu realen physikalischen Effekten beitragen, wie der Masse eines Nukleons (Quarks und Gluonen und weiteres)? Und was ist mit Casimir und Lamb-Shift? Denn laut dem Lamb-Shift müsste ja wirklich etwas materielles existieren - oder nicht?

willyengland · Anmeldungsdatum: 01.05.2016 Beiträge: 676

In populärwissenschaftlichen Darstellungen gibt es ja das extrem eingängige Bild, dass am schwarzen Loch ein Teilchen der Teilchen-Antiteilchen-Fluktuation ins Loch fällt und das andere entkommt und so die Hawkingstrahlung erzeugt.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Leonard · Gast

TomS. Du hast meine Frage/Antwort übersehen.

Das Vakuum ist per defintionem der Zustand niedrigster Energie. Dazu kommt noch, dass keine Teilchen mehr vohanden sind. Und trotzdem ist es so, dass (scheinbar) Teilchen und Antiteilchen im leeren Raum=Vakuum aufzutreten scheinen. Mit scheinbar meine ich, dass man es berechnen kann, diese Teilchen-Antiteilchen Zustände aber nicht direkt messbar sind. Dazu kommt noch, dass man sie aufgrund präziser Mathematik nicht als physikalisch real bzeichnen kann. Also liegt der Grund, warum es keine virtuelle Teilchen sein können ganz einfach daran, dass virtuelle Teilchen anders definiert sind. Aber wenn man im Vakuum mittels eines Operators misst, wie du sagst, und dann Teilchen-Antiteilchen auftauchen, muss man denen ja auch ein Begriff geben. Wahrscheinlich haben sich Physiker einfach entschieden, den Begriff "virtuelles Teilchen" zweifach zu vergeben. Als Propagator und im hier beschriebenen Sinne (als Teilchen-Antiteilchen-Paar im Vakuum).
Ich habe hier im Forum gelesen, dass der Lamb-Shift KEIN Beweis für diese Teilchen-Antiteilchen Zustände im Vakuum sei, da er auch anderes berechenbar ist. Was sagt das jetzt aber? Gibt es im Vakuum Effekte, die zu realen physikalischen Effekten beitragen, wie der Masse eines Nukleons (Quarks und Gluonen und weiteres)? Und was ist mit Casimir und Lamb-Shift? Denn laut dem Lamb-Shift müsste ja wirklich etwas materielles existieren - oder nicht?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Leonard · Gast

Ich habe mir kürzlich von Brian Greene ein Buch besorgt und darin erklärt er die Quantenfluktuationen, wonach ich ja auch gesucht habe.
Die Erklärung ist folgende: Im Vakuum, dem Zustand niedrigster Energie, sind alle möglichen Felder vorhanden, die das Universum durchziehen. Aber jetzt kommt das wichtigste Prinzip der Quantenmechanik. Die Heisenbergsche Unschärferelation: Diese besagt hier ganz genau, dass der Wert eines Feldes, also seine Stärke und - ganz wichtig - seine Änderungsrate nicht exakt beide bestimmt sein können. Das bedeutet also, dass alle möglichen Felder schwanken und fluktuieren müssen. Wenn ein Feld exakt den Wert Null hat, dann ist seine Änderungsrate äußerst unbestimmt. Und das sind sogenannte Quantenfuktuationen.

Meine Frage an die Physiker hier im Board: Was haltet ihr von meiner kurzen Zusammenfassung. Trifft es im wesentlichen den Kern?

Und wenn die Unschärferelation dafür verantwortlich ist, warum bemühen dann Physiker immer wieder diese virtuellen Teilchen? Das verwirrt nur.

Aber man kann doch sagen, dass alle Felder im Vakuum fluktuieren und verschiedene Werte annehmen, weil gerade das die Unbestimmtheitsrelation verbietet. Das kommt der Wahrheit doch näher, denke ich.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Leonard · Gast

Kann man also sagen: Der physikalische Grund für die Quantenfluktuationen ist einzig allein die Heisenbergsche Unschärferelation. Oder noch etwas anderes?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Der mathematische Grund ist, dass sich diese Kondensate aus der Lösung (oder Näherungslösung) der Theorie ergeben.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Ich habe mal kurz diverse, teilweise sehr mathematische Artikel zur Hawkingstrahlung nach dem Begriff virtual durchsucht (Page, Jacobson, 't Hooft, ... ). Kein Treffer! 't Hooft hat seinen Nobelpreis übrigens für mathematische Methoden zur Renormierung von Eichtheorien erhalten, in denen er von virtuellen Teilchen gebrauch macht.

Dann habe ich Hawking's Originalarbeit durchsucht:

One might picture this negative energy flux in the following way. Just outside the event horizon there will be virtual pairs of particles, one with negative energy and one with positive energy.

Keine Ahnung, warum er das schreibt; das, was er verwendet, sind jedenfalls keine virtuellen Teilchen im Sinne der Quantenfeldtheorie; und dass das just outside letztlich falsch ist, ergibt sich direkt aus seiner Herleitung :-(

Leonard · Gast

Dann bringt Hawking die Leute quasi absichtlich durcheinander. Er verwendet eine andere Sprache, als es seine Mathematik wiedergibt. Übrigens an der Stelle ein Lob an dich, Tom. Du verwendest eine sehr mathematische Sprache, was Nicht-Physikern nicht immer gefällt, aber dennoch immer dadurch sehr exakt und genau bleibt. Und auch näher an der Wahrheit. Man kann sich noch so sehr versuchen, mir polulärwissenschaftlichen Näherungen herumzuschlagen, aber im Endeffekt wird man um die exakte Mathematik nicht herumkommen.
Ich habe mal einen Beitrag von dem Physiker Alex Vilenkin gesehen, in der er sagte, er könne berechnen, wie das Universum aus dem Nichts entsteht. Das heißt aber, - und das betonte er sehr - dass er versuchen muss, eine unglaublich komplexe Mathematik in die englische Sprache zu übersetzen. In der Mathematik gibt es keine Gleichung, die wortwörtlich sagt, etwas entstehe ohne Raum und Zeit etc.

Aber nochmal kurz zu dem Quark Kondensat: Aus der Theorie der Quantenfeldtheorie folgt, dass ein Vakuum, der ja per definitionem der Zustand niedrigster Energie ist, immer durchdrungen wird von allen Feldern.

Also erster wichtiger Punkt: Im Vakuum existieren alle Felder z.B. Higgs, Elekronfeld, Quarkfeld usw.

Und dann folgt weiter aus genauen mathematischen Gründen, dass z.B. ein sogenanntes Gluon-Kondensat existiert, d.h. der Vakuumerwartungswert eines bilinearen Ausdrucks ist ungleich Null.

Vakuumerwartungswert heißt hier der Wert des Feld im Vakuum, seine Stärke ist ungleich null. Er fluktuiert also und nimmet unterschiedliche Werte an.

Warum aber ist einmal der Ausdruck für das Kondensat genau Null und einmal ungleich Null? Und was ist mit unserem echten Vakuum? Wenn ich dieses beschreibe, ist dann der Erwartunsgwert auch ungleich null, was bedeutet, dass verschiedene Felder diverse Werte annehmen und dadruch zu realen messbaren Effekten führen?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051