Quantenmechanische Gedanken zum Urknall

[Halman]

Agent Scullie negiert die populärwissenschaftliche Darstellung "mit den virtuellen Teilchen bei Vakuumflukatuationen", nicht das Quantenvakuum und auch keinesfalls die Vakuumflukatuationen selbst. Er erklärt sie nur nicht mit Hilfe von virtuellen Teilchen, sondern über die Unschärfe der Quantenfelder - hier des EM-Feldes - über Feldmoden.

Da aber so viele Physiker von virtuellen Telche reden, frage ich mich ob selbst diese Position aufrecht zu erhalten ist. Bis Quantenfelder und Moden empirisch nachweisbar sind, kann man eigentlich nur von gleichberechtigten Hypothesen reden.

Die Physiker, die von Teilchen reden, negieren doch nicht die Quantenfelder der Quantenfeldtheorie.

Wie wäre es mit einen Einblick in ein Buch von Lisa Randall?: Bei diesen Objekten handelt es sich um »Felder« der Quantenfeldtheorie. Wie die klassischen elektromagnetischen Felder, die zu ihrer Namensgebung inspirierten, sind Quantenfelder Objekte, die die Raumzeit durchdringen

[ThomasM]

Agent Scullie negiert die populärwissenschaftliche Darstellung "mit den virtuellen Teilchen bei Vakuumflukatuationen", nicht das Quantenvakuum und auch keinesfalls die Vakuumflukatuationen selbst. Er erklärt sie nur nicht mit Hilfe von virtuellen Teilchen, sondern über die Unschärfe der Quantenfelder - hier des EM-Feldes - über Feldmoden.

Da aber so viele Physiker von virtuellen Telche reden, frage ich mich ob selbst diese Position aufrecht zu erhalten ist.

Im Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Juli 2014 hat der Philosoph und Physiker Meinhardt Kuhlmann diese Frage diskutiert
Hier der Artikel (ich weiß nicht, ob er für nicht-Abonennten komplett zugänglich ist:
http://www.spektrum.de/magazin/was-ist-real/1286309

Die Quintessenz ist in den folgenden 3 Aussagen zu finden:

WEDER TEILCHEN NOCH FELDER
1 Die Teilchenphysik handelt von Teilchen – sollte man meinen. Üblicherweise stellt man sich dabei kleine Kugeln vor, die im
Raum umherschwirren. Doch bei genauer Betrachtung erweist sich der Teilchenbegriff als nicht sinnvoll anwendbar.

2 Für viele Physiker sind Teilchen keine Dinge, sondern Anregungen eines Quantenfelds – des modernen Gegenstücks zu
klassischen Feldern wie dem Magnetfeld. Doch auch Felder haben paradoxe Eigenschaften.

3 Manche Forscher meinen daher, die Grundbestandteile der Welt seien weder Teilchen noch Felder, sondern bestimmte Strukturen oder Bündel von Eigenschaften.

[NIS]

Informationen brauchen Informationsträger.

Ein Teilchen ist Energie!

[Agent Scullie]

Nein, weil die Schrödinger-Gleichung zur QM gehört und nicht zur QFT. Da werden Teilchen durch Wellenfunktionen beschrieben, nicht durch Felder.

Erinnerungen an meine Studentenzeit: mein Aufsatz über die Schrödinger-Gleichung hat mir seinerzeit (an der ETH, Zürich) die zweitbeste Note in der Physik Prüfung eingebracht.

Fein. Dann solltest du dich ja mit der Schrödinger-Gleichung auskennen, und als Chemiker dann auch gleich mit deren Lösungen für das Wasserstoff-Atom. Also die 1s-Wellenfunktion, 2s-Wellenfunktion, 3s-Wellenfunktion usw. Halten wir das mal fest...

Was ist dann an der Teilch-Erklärung falsch?

An der populärwissenschaftlichen Darstellung mit virtuellen Teilchenpaaren im Vakuumzustand ist falsch, dass im Vakuumzustand keine Teilchen vorhanden sind, weil die Quantenfelder alle im Grundzustand sind. Im Grundzustand ist ein Quantenfeld nicht angeregt, und deswegen sind keine Anregungen (=Teilchen) des Feldes vorhanden.

Verstehe ich nicht.
Wenn die Felder im Vakuum im Grundzustand sind, was verbietet eine Fluktaution dieser Felder um den Nullpunkt? Und wenn es Fluktationen um diesen Grundzustand geben kann, warum können dann keine Teilchen entstehen?

Stell dir die 1s-Wellenfunktion im Wasserstoff-Atom vor. Die beschreibt ein 1s-Orbital um den Atomkern herum. Innerhalb dieses Orbitals fluktuiert die Position des Elektrons um die Position des Atomkern herum. Diese Fluktuationen der Position des Elektrons führen nun aber nicht dazu, dass das Elektron auf ein höheres Niveau wechselt, wie z.B. das 2s- oder 3s-Niveau. Das Elektron bleibt, solange es nicht durch eine Energiezufuhr von außen auf ein höheres Niveau gehoben wird, immer im 1s-Niveau, egal wie sehr seine Position im 1s-Orbital fluktuiert.

Ganz ähnlich ist es bei einem Quantenfeld. An die Stelle einer Wellenfunktion im Ortsraum, die ein Elektron im Wasserstoff-Atom beschreibt, tritt allerdings eine Wellenfunktion auf dem abstrakten Raum der Feldveränderlichen q_r, ansonsten ist aber alles ganz ähnlich. Ähnlich wie es im Wasserstoff-Atom den 1s-Zustand gibt, gibt es bei einer Mode des elektromagnetischen Feldes den Vakuumzustand. Und so wie im 1s-Zustand die Position des Elektrons fluktuiert, fluktuiert im Vakuumzustand die elektrische Feldstärke. Und genauso wie es für das Elektron im Wasserstoff-Atom nicht nur den 1s-Zustand gibt, sondern auch den 2s- oder 3s-Zustand und noch allerlei weitere Zustände, gibt es für die Mode des elektromagnetischen Feldes neben dem Vakuumzustand noch weitere Zustände. Diese sind durch eine Quantenzahl n_r nummeriert, ähnlich der Hauptquantenzahl n=1,2,3,... im Wasserstoff-Atom. n_r = 0 ist der Vakuumzustand, so wie der 1s-Zustand im Wasserstoff-Atom die Hauptquantenzahl 1 hat.

Und so wie der 2s-Zustand die Hauptquantenzahl 2 hat und der 3s-Zustand die Hauptquantenzahl 3 usw., gibt es für die Feldmode die Zustände n_r = 2, n_r = 3 usw. Während die Zustände im Wasserstoff-Atom jedoch alles Einteilchenzustände sind, also Zustände mit genau einem einzigen Elektron, und sich hauptsächlich nur durch die Energie und die Größe des zugehörigen Orbitals unterscheiden (das 2s-Orbital ist etwas größer als das 1s-Orbital, die Elektronenposition fluktuiert da somit etwas stärker), ist bei den Zuständen der Feldmode die Teilchenzahl (= die Zahl der Feldquanten) von der Quantenzahl n_r abhängig. Für n_r = 0 sind keine Teilche vorhanden, für n_r = 1 ein Teilchen, für n_r = 2 zwei Teilchen, usw.

Man könnte es so ausdrücken: damit Teilchen entstehen, reicht es nicht, dass die Feldstärke fluktuiert, die Amplitude der Fluktuation muss vielmehr einen gewissen Schwellenwert überschreiten, damit ein Teilchen entstehen, und einen weiteren Schwellenwert, damit ein zweites Teilchen entsteht, usw., ähnlich wie im Wasserstoff-Atom die Fluktuation der Elektronenposition einen Schwellenwert überschreiten muss, damit das Elektron aus dem 1s-Niveau ins 2s-Niveau wechselt.

Also das allererste Mal wäre das sicherlich nicht, da gibt es schon noch andere Beispiele für. Nimm z.B. den kleinen Bruder der QFT, die QM. In "Eine kurze Geschichte der Zeit" geht Hawking zwar auf die QM ein, schreibt aber nichts von der Wellenfunktion.

Hawking hat die Wellenfunktion einfach nicht erwähnt, vielleicht weil er sie nicht brauchte.

Es beschreibt in seinem Buch die QM und die Unschärferelation, er widmet der Unschärferelation sogar eine Kapitelüberschrift. Ohne auf die Wellenfunktion einzugehen, kann man aber weder die QM noch die Unschärferelation einigermaßen korrekt beschreiben. Hawking begründet in seinem Buch die Unschärferelation mit dem Compton-Effekt: um die Position eines Elektrons möglichst genau zu messen, braucht man möglichst kurzwellige Strahlung, und desto höher ist folglich die Energie eines Strahlungsquants, und desto stärker wird die Position durch die Interaktion mit dem Strahungsquant folglich verändert. Dass die Unschärferelation eine Eigenschaft des Elektrons selbst ist, weil eine hohe Ortsunschärfe bedeutet, dass seine Wellenfunktion über einen entsprechend großen Raumbereich delokalisiert ist (z.B. über ein 1s-Orbital im Wasserstoff-Atom), wird durch so eine Darstellung überhaupt nicht deutlich. Man gewinnt vielmehr leicht den Eindruck, das Elektron an sich habe durchaus immer eine scharfe Position, die man nur halt nicht messen könne.

Für einen Positivisten wie Hawking mag das keinen nennenswerten Unterschied machen, für einen Nicht-Positivisten schon.

Das ist nicht dasselbe, wie dem Publikum bewusst eine Unwahrheit aufzutischen

Hawking lässt in seinem Buch ja bewusst die Wellenfunktion weg und erklärt die Unschärferelation bewusst über den Compton-Effekt.

Überall dort wo es elektromagnetische Felder gibt.

Nein, nur da, wo diese an Wechselwirkungsprozessen beteiligt sind. Und man diese mit der Störungsrechnung behandelt.

Schon klar. Es braucht natürlich ein bewegtes EM-Feld.

Und im Vakuumzustand ist es eben nicht "bewegt".

Die Stringtheorien bauen ebenso wie die LQG auf der QFT auf, dass also Teilchen von Feldern abgeleitet sind. Nur sind die Teilchen in den Stringtheorien fadenförmig, nicht punktförmig, wie in vorherigen QFT-Varianten.

Das es sich bei den Stringtheorien um Fäden handelt ist mir klar, aber sind das nicht trotzdem Teilchen?

Na sicher sind das Teilchen. Zu denen es ganz im Geiste der QFT Stringfelder gibt. Und von denen im Vakuumzustand keine da sind.

PS: Hier ein Zitat eines Wissenschaftlers (Joseph Silk) der die QFT besser versteht als ich. Er ist der Meinung, das Quantenvakuum sei zu jedem beliebigen Zeitpunkt (at any given instant) voller virtueller Teilchenpaare:

Das ist nur eine weitere populärwissenschaftliche Darstellung.

[Agent Scullie]

Primärer Gegenstand der gegenwärtigen Diskussion hier ist die Quantenfeldtheorie und in dieser wird auch ein echtes Vakuum, dessen Teilchenzahl 0 ist, beschrieben.

Wieso ist die Teilchenzahl null? Das widerspricht der Unschärferelation.

Nein, das widerspricht ebensowenig der Unschärferelation wie es der Unschärferelation widerspricht, wenn sich ein Elektron in einem Wasserstoff-Atom im 1s-Zustand befindet.

sebst wenn sich die Quantenfelder in ihrem Grundzustand befinden, können sie um diesen Zustand fluktuieren; so entstehen dann virtuelle Teilchen.

Die Position eines Elektrons in einem 1s-Orbital im Wasserstoff-Atom fluktuiert um die Position des Atomkerns, nicht um den 1s-Zustand. Ebenso fluktuiert ein Quantenfeld im Grundzustand nicht um den Grundzustand, sondern um den Feldstärkewert E_r = 0. Virtuelle Teilchen entstehen da ebensowenig wie im Wasserstoff-Atom virtuelle 2s-Niveaus. Es gibt Wasserstoff-Atom ein 2s-Niveau, jedoch muss, damit das Elektron auf dieses gelangt, Energie von außen zugeführt werden, sonst bleibt das Elektron auf dem 1s-Niveau. Analog muss einem Quantenfeld Energie zugeführt werden, damit es in einen Zustand mit n_r > 0 übergeht, sonst bleibt es im Zustand n_r = 0.

[Agent Scullie]

Teilchen und Felder sind unterschiedliche Darstellungen der (skurrilen) Wirklichkeit der Quantenwelt

Nicht Teilchen und Felder, sondern Teilchen und Wellen. Jedenfalls wenn man, wie du es hier offenbar tust, unbedingt am Welle-Teilchen-Dualismus, demzufolge in manchen Fällen das Teilchenbild, in anderen dagegen das Wellenbild anzuwenden ist, festhalten will, und die einheitliche Beschreibung, die durch die QM und die QFT geliefert wird, unbedingt ablehnen will.

die wir ohnehin nicht verstehen, weshalb alle unsere Darstellungen (um es vorsichtig auszudrücken) nicht ganz richtig sind.

Die durch die QM und QFT gelieferte einheitliche Beschreibung bietet auf jeden Fall ein sehr viel besseres Verständnis der Quantenwelt, als es der überholte Welle-Teilchen-Dualismus tat. Oder immer noch tut, wenn man ihn denn unbedingt verwenden will.

Allerdings gibt es aus meiner Sicht keinen Grund die eine oder die andere Darstellung zu bevorzugen.

Innerhalb des Welle-Teilchen-Dualismus gibt es keinen Grund, das Wellen- oder das Teilchenbild vorzuziehen, das mag sein. Sehr wohl gibt es aber gute Gründe, die einheitliche Beschreibung, wie sie von der QM und der QFT geboten wird, dem Welle-Teilchen-Dualismus vorzuziehen.

Deshalb verwenden sehr viele Physiker die Teilchen-Erklärung

Da liegst du aber total daneben. Das, was du hier "Teilchen-Erklärung" nennst, also die populärwissenschaftliche Darstellung des Vakuumzustand mit virtuellen Teilchenpaaren, hat mit dem Teilchenbild aus dem Welle-Teilchen-Dualismus rein gar nichts zu tun. Kein Physiker, der in einer populärwissenschaftlichen Quelle von virtuellen Teilchen beim Vakuumzustand redet, hat dabei im Sinn, den Welle-Teilchen-Dualismus wiederzubeleben und das Teilchenbild aus diesem zu benutzen.

Ob der gemessene Druck zwischen den Platten im Casimir-Experiment, eine Folge von Teilchen oder Feldern ist, können wir nur postulieren (vermuten).

Die von Feynman beschriebene wissenschaftliche Methode, bestehend aus drei Schritten, lässt sich hervorragend auf die QFT anwenden, nicht jedoch auf die populärwissenschaftliche Darstellung mit den virtuellen Teilchen im Vakuumzustand, bei der kommt man nichtmal über den ersten Schritt hinaus, weil die nicht zu quantitativen Aussagen imstande ist.

Felder sind ein mathematisches Modell; Teilchen ein physikalisches Modell.

Falsch, beides sind gleichermaßen mathematische und physikalische Modelle. Felder mögen dem Laien unanschaulicher vorkommen, das macht sie aber nicht unphysikalischer.

Welches objektiv besser ist, kann man nicht sagen

Nach Feynmans Beschreibung ist die QFT dem populärwissenschaftlichen Bild mit den virtuellen Teilchen im Vakuumzustand vorzuziehen, weil sie viel besser mit der wissenschaftlichen Methode zusammenpasst.

Man kann nur sagen, dass die Erklärung über Felder mathematisch korrekt ist.

Wenn sie mathematisch korrekt ist, dann ist jede ihr widersprechende nicht-mathematisierte Darstellung falsch. Wenn eine nicht-mathematisierte Darstellung korrekt sein soll, dann muss sie mit der mathematisch korrekten Darstellung verträglich sein.

Ich lese jede Menge Aussagen in der Fachpresse, wie z.B. diese hier im "New Scientist":

Physicists have now confirmed that the apparently substantial stuff is actually no more than fluctuations in the quantum vacuum.

Da steht aber überhaupt nichts von virtuellen Teilchen. An Fluktuationen im Quantenvakuum ist ja gar nichts falsch.

Deshalb meine Frage: Ist die Erklärung über Teilchen falsch?

Die populärwissenschaftliche Darstellung mit den virtuellen Teilchen im Quantenvakuum ist falsdch, ja. Jedenfalls solange wir nach der QFT gehen. Wenn es mal eine Alternativtheorie zur QFT geben sollte, kann die ggf. etwas anderes dazu sagen. Übrigens sind, wenn man sich dann entschließen sollte, die QFT zugunsten dieser Alternativtheorie zu verwerfen, die Darstellungen der QFT dann auch mathematisch falsch.

[Agent Scullie]

Für mich ist die Beschreibung von Agent Scullie über die Feldkonfigurationen und Feldmoden überzeugener.

Wie du meinst...
Aber für ihn gibt es keine Quantenfluktuationen...

Nicht??? Es gibt die für mich nicht??? Aha. Wusste ich gar nicht... Erzähl, was gibt es sonst, was du über mich viel besser weißt als ich selbst?

bzw es handelt sich "nur" um eine populärwissenschaftliche Darstellung.

Äh, nöö. Virtuelle Teilchen bei Quantenfluktuationen sind eine populärwissenschaftliche Darstellung, Quantenfluktuationen selbst nicht.

[Agent Scullie]

Agent Scullie negiert die populärwissenschaftliche Darstellung "mit den virtuellen Teilchen bei Vakuumflukatuationen", nicht das Quantenvakuum und auch keinesfalls die Vakuumflukatuationen selbst. Er erklärt sie nur nicht mit Hilfe von virtuellen Teilchen, sondern über die Unschärfe der Quantenfelder - hier des EM-Feldes - über Feldmoden.

Da aber so viele Physiker von virtuellen Telche reden, frage ich mich ob selbst diese Position aufrecht zu erhalten ist. Bis Quantenfelder und Moden empirisch nachweisbar sind, kann man eigentlich nur von gleichberechtigten Hypothesen reden.

Guck dir nochmal das Feynman-Video an, das du selbst verlinkt hast. Da betont Feynman, dass die wissenschaftliche Methode aus drei Schritten besteht. Eine QFT, mit der man alle drei Schritte machen kann, ist demnach einer Darstellung, mit der man nicht mal bis zum zweiten Schritt kommt, eindeutig vorzuziehen.

[Pluto]

Stell dir die 1s-Wellenfunktion im Wasserstoff-Atom vor. Die beschreibt ein 1s-Orbital um den Atomkern herum. Innerhalb dieses Orbitals fluktuiert die Position des Elektrons um die Position des Atomkern herum. Diese Fluktuationen der Position des Elektrons führen nun aber nicht dazu, dass das Elektron auf ein höheres Niveau wechselt, wie z.B. das 2s- oder 3s-Niveau. Das Elektron bleibt, solange es nicht durch eine Energiezufuhr von außen auf ein höheres Niveau gehoben wird, immer im 1s-Niveau, egal wie sehr seine Position im 1s-Orbital fluktuiert.

Wir haben gelernt, dass es diese Position gar nicht gibt, sondern nur durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben werden kann.

Man könnte es so ausdrücken: damit Teilchen entstehen, reicht es nicht, dass die Feldstärke fluktuiert, die Amplitude der Fluktuation muss vielmehr einen gewissen Schwellenwert überschreiten, damit ein Teilchen entstehen, und einen weiteren Schwellenwert, damit ein zweites Teilchen entsteht, usw., ähnlich wie im Wasserstoff-Atom die Fluktuation der Elektronenposition einen Schwellenwert überschreiten muss, damit das Elektron aus dem 1s-Niveau ins 2s-Niveau wechselt.

Nehmen wir an, du hättest recht. Wie ist dann die Umwelt, die wir wahrnehmen, entstanden?

Schon klar. Es braucht natürlich ein bewegtes EM-Feld.

Und im Vakuumzustand ist es eben nicht "bewegt".

Das wissen wir Beide nicht.
Die Tatsache, dass wir hier sind um solche Fragen zu stellen, lässt eine solche Schlussfolgerung nicht zu (Anthropisches Prinzip).

PS: Hier ein Zitat eines Wissenschaftlers (Joseph Silk) der die QFT besser versteht als ich. Er ist der Meinung, das Quantenvakuum sei zu jedem beliebigen Zeitpunkt (at any given instant) voller virtueller Teilchenpaare:

Das ist nur eine weitere populärwissenschaftliche Darstellung.

Sorry, Aber in dem du die Teilche-Erklärung ständig als populärwissenschaftliche Darstellung versuchst abzutun, wird deine Behauptung nicht wahrer, denn damit strafst du eine Vielzahl großer Physiker wie Joseph Silk, Lügen. Und das kann ich nicht glauben.

[Pluto]

Guck dir nochmal das Feynman-Video an, das du selbst verlinkt hast. Da betont Feynman, dass die wissenschaftliche Methode aus drei Schritten besteht. Eine QFT, mit der man alle drei Schritte machen kann, ist demnach einer Darstellung, mit der man nicht mal bis zum zweiten Schritt kommt, eindeutig vorzuziehen.

Das ist richtig.
Man berechnet die Vorhersage und prüft sie im Experiment oder durch Beobachtung. Ob sie berechnet oder geschätzt wird, ist dabei aber nebensächlich. Wichtiger ist ob die Vorhersage mit der Beobachtung übereinstimmt.

Und genau hier hapert es mit der QFT: man kann die berechneten Felder nicht beobachten.
Am Beispiel des Casimir-Experiments wird das deutlich: man misst den Druck an den Platten, aber ob diese mit Teilchen oder mit Felder besser erklärt werden können, bleibt offen. Du bevorzugst die QFT, ich die Entstehung von virtuellen Teilchen.

Bei der Entstehung des Universums ist diese Frage ohnehin belanglos, denn da geht es darum, zu zeigen, wieso die Materie (gegenüber Antimaterie) überwiegte. Und hier hat weder die QFT noch die "Teilchen-Theorie" eine Antwort. — Andere Baustelle.