Virtuelle Teilchen

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

[Abgespalten vom Thread zur Wirkung, Gruß, dermarkus]

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Deine Vorstellung von virtuellen Teilchen finde ich schon ziemlich gut.

Virtuelle Teilchen dienen als Austauschteilchen für Wechselwirkungen, und je schwerer sie sind, desto kürzer ist die Reichweite der zugehörigen Wechselwirkung.

Virtuelle Photonen sind die Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, weil sie keine Ruhemasse haben, ist die Reichweite dieser Wechselwirkung unendlich groß.

Die Austauschteilchen, die die starke Wechselwirkungskraft vermitteln, die die Atomkerne zusammenhält, sind sehr schwer, ihre Reichweite ist daher nur rund ein Femtometer.

Wenn man ein Elektron aus allernächster Nähe betrachtet, dann gibt es durch die Vakuumpolarisation eine Wolke aus virtuellen Teilchenpaaren um es herum.

Diese Wolke führt zu einer Verschiebung von Energieniveaus im Atom, der sogenannten Lamb-Shift, die man experimentell messen kann.

Noch viel netter und anschaulicher erklärt das ganze übrigens Harald Lesch in folgendem RealVideo:

http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=030302.rm

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

Hallo!

Danke für das Aufspalten des ursprünglischen Threads. Bleibt so wohl doch übersichtlicher.

Zu den virtuellen Teilchen:
Die Sendung vom Herrn Lesch habe ich mir nun zweimal angeschaut.

Mit der Erklärung aus Alpha Centauri, fasse ich das jetzt mal so auf:
Die virtuellen Teilchen sind eigentlich ein mathematisches Modell. Sie sind nicht wirklich existent und können direkt auch nicht nachgewiesen werden. Die (Kräfte)Wirkungen (zum Beispiel der elektromagnetischen Kraft), die in der Wirklichkeit wahrgenommen/gemessen werden können, sind aber dieselben Wirkungen, die von Teilchen bestimmter Masse, Ladung und Spin-Werte hervorgerufen werden würden, wenn diese Teilchen tatsächlich existieren würden.

Ähnlich also wie eine Fernsehübertragung eines Fußballspiels, von dem man als kleinen Kind dachte, das in dem Kasten tatsächlich kleine Männchen herumlaufen und man eben diese Fußballspielen sieht. Dabei ist das ganze eigentlich nur einer geschickten optische Täuschung und der Trägheit unseres Auges zu verdanken.

In der objektiven Wirklichkeit existieren diese Austauschteilchen also nicht, aber weil wir uns momentan den eigentlichen Grund der entstehenden Wechselwirkung nicht vorstellen können, aber die virtuellen Teilchen mathematisch gesehen die Felder erklären, tut die Physik so, als würde es die Teilchen geben.

So ungefähr? smile

Gruß
Christian

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ja, so ungefähr. Ich würde den virtuellen Teilchen aber deutlich mehr Wirklichkeit zusprechen wollen als wie es in deiner Beschreibung klingt:

Ich würde sagen, sie sind nicht nur ein mathematisches Modell, sondern unverzichtbarer Bestandteil von physikalischen Theorien. Ohne anzunehmen, dass diese virtuellen Teilchen wirklich (jeweils eine sehr kurze Zeit lang) existieren, können wir uns viele Beobachtungen nicht schlüssig erklären.

Sie sind zwar sehr schwer direkt nachzuweisen, aber z.B. als Lamb-Shift oder natürlich in Form der Wechselwirkungen, die sie bewirken, kann man die Auswirkungen ihrer Existenz durchaus messen.

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ganz genau smile

Genau das ist zum Beispiel auch die Grundlage einer Theorie von Stephen Hawking, die einen möglichen Mechanismus beschreibt, wie schwarze Löcher Masse verlieren könnten. Wenn ich die richtig verstanden habe, dann sagt sie aus, dass von den virtuellen Teilchenpaaren, die am Ereignishorizont des schwarzen Loches durch Quantenfluktuationen entstehen, das Antiteilchen ins schwarze Loch fällt und das zugehörige Teilchen entkommt. Während das Antiteilchen dann im schwarzen Loch ein Teilchen vernichtet und damit die Energie und die Masse des schwarzen Lochs verringert (oder so ähnlich, ich habe auch schon gelesen, dass genauer gesagt Energie aus dem schwarzen Loch "heraustunnelt" und an der Stelle, an der die Teilchen entstanden sind, die nun fehlende Energie "wieder auffüllt"), ist das zugehörige Teilchen quasi vom schwarzen Loch "ausgespuckt" worden.

Das Gravitationsfeld des schwarzen Lochs klaut also eines der beiden virtuellen Teilchen weg, bevor sie sich gegenseitig wieder vernichten können. Und das andere der beiden virtuellen Teilchen bleibt als dauerhaft existierendes ganz normales Photon übrig.

Diese Idee der Hawking-Strahlung schwarzer Löcher ist zwar ziemlich interessant, gilt aber glaube ich bis heute noch nicht als gesichert. Mehr dazu steht zum Beispiel dort:

http://de.wikipedia.org/wiki/Hawking-Strahlung

senscience · Anmeldungsdatum: 13.08.2006 Beiträge: 11 Wohnort: Nürnberg

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Die Wirkungsweise eines Austauschteilchens, das eine Wechselwirkung zwischen Teilchen T1 und Teilchen T2 vermittelt, würde ich allgemein versuchen, so zu umreißen: Es fliegt von T1 zu T2 und transportiert dabei Eigenschaften.

Für eine abstoßende Coulomb-Wechselwirkung kann ich mir das einigermaßen veranschaulichen: Das virtuelle Photon transportiert hier einen Impuls von T1 zu T2. Denn dabei zeigt der übertragene Impuls in die Flugrichtung des virtuellen Teilchens.

Für attraktive Wechselwirkungen tue ich mich schwerer, ein anschauliches Bild für die vom virtuellen Teilchen vermittelte Wechselwirkung zu finden. Denn da zeigt der übertragene Impuls in die Richtung, die der Flugrichtung des virtuellen Teilchens entgegen gerichtet ist. Ich vermute, das kann dann stimmig sein, wenn man sagt, dass das virtuelle Teilchen hier ein virtuelles Antiteilchen sein soll.

Schematische Bildlein, die so etwas veranschaulichen, sind übrigens die Feynman-Diagramme (hier das Feynman-Diagramm für die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen zwei Elektronen (

) über ein virtuelles Photon (

) ):

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/78/Feynmandiagramm.png/250px-Feynmandiagramm.png

senscience · Anmeldungsdatum: 13.08.2006 Beiträge: 11 Wohnort: Nürnberg

gut, also wenn man die Hawking-Strahlung verifizieren könnte, wäre es ein gutes Beispiel für einen richtig greifbaren Vertreter der virtuellen Teilchen.

Ich halte fest: Wir sind der Meinung(, wahrscheinlich entgegen Herrn Prof. Lesch) es handele sich nicht um ein matematisches Modell sondern um tatsächlich existente Teilchen/Wellen (Objekte), die unter Umständen auch greifbar seien können, ja?

^^---> "Mit gleichem Aspekt der Wirklichkeit" hab ich gemeint, ein identisch beschaffenes Teilchen, außer der Tatsache, dass es nicht(/,oder eben) virtuell ist. Was ja im Fall der Hawking Strahlung keinen Senf ausmacht, weil warum sollte man das Teilchen, was auf das schwarze Loch zu fliegt, nicht auch genauso real ansehen, wie seinen Teilchenpartner, der vor dem Ereignishorizont geblieben ist.

Was passiert eigentlich dann mit dem außerhalb, sobald die anhilieren, die das schwarze Loch nun bilden/auf es /in es Fliegen/weiß der Teufel was^^, weil wenn es vorher virtuell war, muss es ja dann in genau dem Moment sein Attribut der "Virtuallität" verlieren und real werden, wie alle anderen Teilchen, die nicht virtuell sind, wie geschieht das, wie geht das vorsich, wie hat man sich das vorzustellen? smile

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ich würde sagen, virtuell nennt man die Teilchen immer dann, wenn sie wieder verschwinden, bevor man sie "dingfest" gemacht hat, zum Beispiel indem man sie schnell genug voneinander trennt. Dann besitzen und behalten sie das Attribut der Virtualität.

In diesem Fall kann man sie also nur an den Auswirkungen dessen erkennen, was sie während ihrer kurzen Lebensspanne tun. Man kann also die Lamb-Shift messen, oder man kann in einer Nebelkammer feststellen, dass in einer Umwandlungsreaktion von Teilchen ein Zwischenprodukt auftritt, das keine Spur hinterlässt, so dass die Spur des Ausgangsteilchens irgendwo aufhört und die Spur des Reaktionsproduktes erst ein Stückchen entfernt davon anfängt.

Damit aus zwei virtuellen Teilchen zwei "reale", ganz normale, getrennt voneinander messbare Teilchen werden, muss man sie mit einer ausreichend großen Kraft ausreichend schnell auseinanderziehen, bevor sie sich gegenseitig wieder vernichtet haben. Also konkret:

Das Paar virtueller Photonen, das durch Quantenfluktuationen knapp außerhalb des Ereignishorizontes eines schwarzen Loches entsteht, habe einen kleinen Abstand voneinander, und zwar so, dass das eine Photon näher am schwarzen Loch ist als das andere. Dann erfährt das eine an seinem Ort einen stärkeren Gradienten des Gravitationsfeldes, also eine stärkere Gravitationskraft als das andere. Wenn die Differenz dieser Kräfte stärker ist als die Anziehung der beiden virtuellen Teilchen, die von dem "Energie-Loch im Vakuum" (Potentialminimum) ausgeht, das sie hinterlassen haben, dann schafft es das schwarze Loch, die beiden Teilchen voneinander zu trennen. Es hat dabei das Energie-Loch im Vakuum mit Energie aus seinem Gravitationsfeld aufgefüllt.

Schafft man es also, zwei virtuellen Teilchen die Energie zuzuführen, die sie sich aus dem Vakuumfeld geborgt haben, bevor sie wieder verschwinden, dann werden sie von virtuellen zu ganz normalen realen Teilchen.

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Damit widersprechen wir nicht dem, was Harald Lesch erklärt: Nachdem er den Zuschauer behutsam an den Begriff "virtuell" gewöhnt hat, sagt er (bei Minute 2:00 des Videos) "Virtuelle Teilchen, das sind Teilchen, die eigentlich gar nicht existieren, die es aber unbedingt geben muss". Und die Formulierung mit dem "mathematischen Modell" war von Christian, nicht von Harald Lesch.

//edit: Tippfehler korrigiert

senscience · Anmeldungsdatum: 13.08.2006 Beiträge: 11 Wohnort: Nürnberg

Das halte ich für richtig, ja.

Er sagt auch(Lesch): "Sie sind da und schwups wieder weg(und schnipst mit den Fingern)". (oder so)

Da macht er ja auch die Aussage damit, dass sie eigentlich schon real da sind nur so einen winzigen Moment und dann sind sie wieder weg, dass sie eigentlich nicht da waren und man nur ihre Wirkung messen kann.

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@ Prof. Lesch und Christian: Sorry, wegen der Verwechslung des Urhebers der Aussage mit dem math. Modell^^. smile

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

senscience · Anmeldungsdatum: 13.08.2006 Beiträge: 11 Wohnort: Nürnberg

-Christian- · Anmeldungsdatum: 08.07.2006 Beiträge: 199

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ein Antiteilchen kann man als Loch in einem See von Teilchen ansehen. Demnach entspricht ein Antiteilchen, das in die eine Richtung fliegt, dem zugehörigen Teilchen, das in die entgegengesetzte Richtung fliegt. Und damit überträgt ein Antiteilchen genau denselben Impuls wie das zugehörige Teilchen mit negativem Impuls.

Klar kann man die virtuellen Teilchen, die eine Wechselwirkung übertragen, nachweisen, ihre messbare Auswirkung ist eben die Wechselwirkung selbst. Für große Entfernungen wird diese Auswirkung sehr klein:
Je größer die Entfernung zwischen zwei wechselwirkenden Teilchen ist, desto kleiner ist die Energie E und damit auch die relativistische Masse E/c^2 des zugehörigen ausgetauschten virtuellen Teilchens.

Die Frage, ob virtuelle Teilchen nun eindeutig existieren oder eindeutig nicht existieren, würde ich am ehesten so beantworten: Sie sind eindeutig ein Mittelding dazwischen.

Sie sind sehr kurzlebig, sie können aus dem Nichts entstehen, und sie sind sehr schwer mit Messungen „dingfest“ zu machen. Daher nennt man sie „virtuell“ = „scheinbar“, „nicht wirklich existierend“. Wer das meint, wenn er sagt, virtuelle Teilchen existieren nicht wirklich, dem stimme ich zu.

Sie müssen sehr wohl existieren, damit wir mit physikalischen Theorien wie der Quantenelektrodynamik (d.h. auch mit Feynman-Diagrammen) beschreiben können, was wir messen und beobachten. Wir messen die Auswirkungen der virtuellen Teilchen in Form der Wechselwirkungen, die sie als Austauschteilchen vermitteln, als Zwischenprodukte von Teilchen-Umwandlungsprozessen, als Verschiebung der Energieniveaus in Atomen aufgrund der Vakuumpolarisation (Lamb-Shift). Wenn wir also sagen „Virtuelle Teilchen existieren wirklich“, dann können wir unsere Messungen mit unseren physikalischen Theorien stimmig erklären. Wer das meint, wenn er sagt, virtuelle Teilchen existieren wirklich, dem stimme ich zu.

Wichtiger, als sich auf eine Sprachregelung zu einigen, ob virtuelle Teilchen nun definitiv existieren oder nicht und in welchem Sinne das dann gemeint sein soll, finde ich, zu verstehen, wo man die Auswirkungen virtueller Teilchen experimentell misst, und wie die Theorien funktionieren, in denen virtuelle Teilchen benötigt werden.

nabla · Anmeldungsdatum: 08.09.2006 Beiträge: 4

Hallo Allerseits,

ich bin gerade über diese Diskussion gestolpert und mich gleich mal im Forum angemeldet.

Wenn nun ein virtuelles Teilchen-, Antiteilchenpaar entsteht, so hat ja
jedes Teilchen eine gewisse Energie und einen Impuls.
Wie soll man sich das ganze nun im Detail vorstellen, bleibt der Impuls erhalten?
Wenn er erhalten bleibt, dann fliegen die Teilchen ja auseinander, wie läuft nun die Paarvernichtung ab?
Irgendwie müßen die Dinger ja wieder zusammenfinden, was zieht sie an?

Und wie läuft die Paarvernichtung ab?
Bei realen Teilchen-, Antiteilchenpaaren wird die Energie in Form von Photonen oder was auch immer wieder freigesetzt, bei virtuellen Teilchenpaaren nicht.
Wie soll man sich so einen Vorgang vorstellen?
Beide Teilchen haben ja eine Energie, welche sie sich "vom Vakuum geliehen haben".

Ich stelle mir das folgendermassen vor:
Aus irgendwelchen Gründen hüpft ein Teilchen aus dem Dirac-See in den Bereich positiver Energie und hinterläßt ein Loch.
Nach einer gewissen Zeit fällt das Teilchen wieder hinein.

Und nun kommt der entscheidende Punkt den ich nicht so richtig verstehen kann:
Bei realen Teilchen wird die Energiedifferenz von min. 2 Ruhemassen abgestrahlt bei virtuellen Teilchen nicht.
Wie kommt dieses unterschiedliche Verhalten zustande?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

nabla · Anmeldungsdatum: 08.09.2006 Beiträge: 4

Hallo dermarkus,

Erstmal danke für deine schnelle Antwort.
Es werfen sich aber neue Fragen auf.

Gibt es einen Formalismus der das anziehende Potential dieses "Energielochs" beschreibt?

Wie läuft die "Energieabgabe an das Energieloch im Vakuum" ab?
Wobei ich denke mal, daß dies mit obiger Frage zusammenfällt.
Wo eine Anziehung ist, da ist eine Wechselwirkung, da muß ein Austauschboson im Spiel sein oder nicht?

Die ganze Angelegnheit mit diesen virtuellen Teilchen ist irgendwie
undurchdringlich.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Deine Fragen sind berechtigt, wenn man annimmt, dass es sich bei meinem anschaulichen Bild um eine handfeste Grundlage für die theoretische Beschreibung handeln könnte. Ich halte das Bild allerdings zunächst einmal eher für einen persönlichen anschaulichen Versuch der Annäherung an das, was da tatsächlich passieren könnte, unter anderem deshalb, weil ich mich sicher nicht als Experten in Quantenelektrodynamik bezeichnen würde.

Zum Beispiel weiß ich nicht, ob sich die beiden Teilchen wirklich erst auseinander und dann wieder zueinander hin bewegen müssen, um als virtuelle Teilchen kurz existieren zu können, und ich weiß auch nicht, ob die Theorie, mit der man virtuelle Teilchen beschreibt (das ist die Quantenelektrodynamik, abgekürzt QED), für solche virtuellen Teilchen überhaupt einen konkreten Weg beschreibt.

Ich habe den Eindruck, dass die Handhabung dieser Theorie komplex genug ist, dass man zwar ausrechnen kann, dass virtuelle Teilchen entstehen und wie oft sie erzeugt werden, dass man aber vielleicht gar nicht damit ausrechnet, auf welchen Wegen sich die beiden Teile des Paars virtueller Teilchen bewegen. Ich vermute auch, dass solche Voraussagen, soweit man sie berechnen kann, nur sehr schwer oder bisher gar nicht experimentell überprüfbar sein dürften.