Was sind virtuelle Teilchen?

Video
Harald Lesch erklärt virtuelle Teilchen
Plattform	youtube.com
Kanal	Space Night
URL	youtube.com/watch?v=9eFh1K5VHrc
Datum	02.03.2003
Länge	14 Minuten, 56 Sekunden

Beschreibung

Virtuelle Teilchen sind flüchtige Zustände in der Quantenfeldtheorie, die im Vakuum spontan entstehen und verschwinden. Sie sind nicht direkt beobachtbar und sie können die klassischen Erhaltungssätze wie etwa die Energieerhaltung, die Impulserhaltung, die Drehimpulserhaltung und die Ladungserhaltung aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation kurzfristig scheinbar verletzen. Ihre Rolle besteht darin, Wechselwirkungen zwischen realen Teilchen zu vermitteln, wie beispielsweise bei der elektromagnetischen Kraftübertragung durch virtuelle Photonen in der Quantenelektrodynamik. Ein physikalisches Beispiel für ihre Wirkung ist der Casimir-Effekt, bei dem Quantenfluktuationen eine Anziehungskraft zwischen nahegelegenen Platten erzeugen. Virtuelle Teilchen verdeutlichen, dass das Vakuum in der Quantenmechanik dynamische Eigenschaften besitzt.

Videoskript

Herzlich willkommen bei alpha-Centauri.

Douglas Adams, ein Science-Fiction-Autor, hat einmal gesagt, es gibt eine Theorie, nach der sich das Universum, wenn es von jemandem in voller Gänze erkannt worden ist, und wenn man genau weiß, was es ist, sich in etwas völlig Unkalkulierbares und völlig Unberechenbares entwickeln wird. Es gebe eine andere Theorie, die besagt, dass das schon geschehen sei.

Also heute, Herrschaften, geht es um das Nichts. Es gibt nichts Spannenderes als das Nichts.

Und es geht letztlich dabei um den Urgrund allen Seienden, allen Seiendes, an den Urgrund allen Seienden – genau. Es geht um die Wirklichkeit. Es geht um ...

Ja, was ist also Wirklichkeit?

Also Wirklichkeit: Wirklichkeit ist die Wirklichkeit, die da ist – also die, die wirklich ist – das, was tatsächlich ist.

Und dann gibt es eine andere Wirklichkeit, nämlich die sogenannte scheinbare Wirklichkeit. Das ist nicht die, die bar allen Scheines ist, sondern die eben nur scheinbar ist – die es zwar gibt, aber die nicht existiert.

Das ist die so genannte virtuelle Wirklichkeit.

Die kennen sie alle, nicht wahr, wenn sie vorm Fernseher sitzen zum Beispiel. Das ist ja keine Wirklichkeit, sondern da wird dann nur etwas transportiert, was möglicherweise Wirklichkeit sein könnte und bei Ihnen möglicherweise in der einen oder anderen Art und Weise physiologische Reaktionen auslöst.

Wenn Sie zum Beispiel vor dem Computer sitzen. Das ist eine virtuelle Wirklichkeit, eine sogenannte scheinbare Wirklichkeit. Und so etwas, so etwas Scheinbares – also etwas, was es zwar gibt, aber was nicht existiert – das gibt es auch bei den Teilchen.

Nämlich – es gibt sogenannte virtuelle Teilchen.

Und diese virtuellen Teilchen, das sind – tja, das ist der Hammer.

Fragen wir: Was sind virtuelle Teilchen?

Virtuelle Teilchen, das sind Teilchen, die es eigentlich gar nicht gibt, nein – die eigentlich gar nicht existieren, die es aber geben muss. Denn virtuelle Teilchen, das sind Teilchen, die wir dringend brauchen, um überhaupt etwas in dieser Welt zu verstehen.

Ja, ist ein bisschen chaotisch die Sendung. Ist nicht so einfach.

Also virtuelle Teilchen gehören zu dem Heiligsten in der Physik.

Also ich habe ja schon ein paar Mal von dem Gral der Physik gesprochen.

Da war die Heisenbergsche Unschärferelation drin, da ist die Allgemeine Relativitätstheorie drin, und die virtuellen Teilchen gehören dazu.

Weil – die virtuellen Teilchen, die gibt es eigentlich nur deswegen, weil es diese beiden Theorien gibt.

Und beide Theorien, nämlich die Quantenmechanik einerseits, die Relativitätstheorie andererseits, sind ja durch zahllose Experimente unglaublich gut bestätigt, wie ich immer sage. Wenn die falsch sind, sind sie verdammt gut falsch.

Also fangen wir mal an.

Virtuelle Teilchen, die entstehen offenbar deshalb, weil in der Relativitätstheorie gesagt wird, Energie ist Masse mal c² – c ist die Lichtgeschwindigkeit, und das zum Quadrat.

Also Energie ist dasselbe wie Masse.

In der Quantenmechanik stellt sich nun heraus, dass wir Geschwindigkeiten und Orte nicht genau messen können. Das war die Geschichte mit der Heisenbergschen Unschärferelation.

Offenbar ist die Quantenwelt eine außerordentlich schwankende Angelegenheit. Also bis zu einer bestimmten Länge und Geschwindigkeit können wir es genau messen, aber danach ist Feierabend. Denn dann fängt die Wellennatur der Welt an durchzuschlagen.

Das gleiche kann man auch sagen nicht nur für Geschwindigkeit und Ort, sondern für Energie und Zeit. Das Produkt aus Energieunschärfe mal Zeitunschärfe ist höchstens so groß wie h durch zwei Pi.

Also eine mathematische Sendung heute Morgen, Sie merken schon. Es tauchen viele Formeln auf.

Wichtig ist nun Folgendes: Der Zusammenhang zwischen dieser Energieunschärfe in der Quantenmechanik und der Aussage aus der Relativitätstheorie, dass Energie und Masse dasselbe sind, bis auf eine Proportionalitätskonstante c².

Das hat nun folgende Konsequenz: Sollte etwas, irgendetwas, eine Energie haben, die gerade der Masse von einem Teilchen und einem Antiteilchen entspricht. Nehmen wir zum Beispiel mal ein Gammaphoton, hoch energetisch. Sagen wir mal, das hat so ungefähr eine Energie von einem MeV. Das entspricht einer Temperatur von grob zehn Millionen Grad.

Aus so einem Gammaphoton wird ein Elektron-Positron-Paar, also ein Teilchen, ein Elektron, und sein Antiteilchen. Und die beiden vernichten sich wieder und werden wieder zu Energie.

Aus der Heisenbergschen Unschärferelation lässt sich jetzt ausrechnen, wie lange können diese Teilchen existieren. Je größer ihre Masse ist, also die Größe ihrer Energie damit ist, umso kürzer können sie nur existieren.

Das ist zunächst einmal der Zusammenhang zwischen der Tatsache, dass Energie und Masse dasselbe sind, und auf der anderen Seite Energie aber nicht beliebig gut genau messbar ist. Sondern der Raum, beziehungsweise die Energie und die Zeit, fangen an zu schwanken.

So, jetzt machen wir erst mal eine kurze Pause, denn jetzt wird es ...

Was bedeutet das?

Das bedeutet, nehmen wir an, wir haben einen Raum voller Nichts, also gar nichts, da ist nichts drin. Also nehmen wir an, wir haben hier diesen Raum – da wäre jetzt auch nichts drin, meine Hände wären nicht da, es wäre überhaupt nichts da, also gar nichts. Nichts, also Vakuum – ich habe es im Kopf, aber ich komme nicht drauf.

Also es ist überhaupt nichts da, nichts.

Stimmt nicht.

Nach der Quantenmechanik würde man sagen: Das kann überhaupt nicht sein, denn es gibt überall Energieschwankungen, die dazu führen können, dass virtuelle Teilchen entstehen. Ist doch klar.

Also nach der Quantenmechanik ist das Nichts ein ständiges Werden und Vergehen von Teilchen.

Nur, ich kann sie gar nicht messen. Nach der Heisenbergschen Unschärferelation tauchen diese Teilchen ja nur für eine winzig kurze Zeit auf, für also quasi überhaupt nichts.

Warum erzähle ich Ihnen überhaupt so etwas, was man nicht messen kann?

Das ist ganz einfach.

Ohne diese virtuellen Teilchen würden wir überhaupt nicht mehr die Welt verstehen können. Denn nach der klassischen Theorie, also in einer Welt ohne Quantenmechanik und ohne Relativitätstheorie, also ohne relativistische Effekte und ohne Quanteneffekte, da ist es ja so:

Wenn man da zum Beispiel mal ein Teilchen hat – nehmen wir an, wir haben hier ein Elektron. Dieses Elektron erzeugt ein Feld, bisher negativ geladen. Dieses Feld breitet sich aus.

Nehmen wir an, hier liegt ein Proton. Also hier ist ein Elektron, da ist ein Proton. Dieses Feld breitet sich aus und teilt dem Proton mit, hier ist das Elektron.

Also in gewisser Weise würde man zum Beispiel auf diese Art und Weise ein Elektron von irgendwo am Rande des Universums mit einem Proton bei uns direkt über ein Feld verbinden müssen, durch unglaublich lange Feldlinien miteinander verbunden sein.

Das kann offenbar nicht sein.

Also nach der Quantenmechanik ist es nämlich so, dass eine Wechselwirkung, also eine Kraft, in diesem Fall wäre es die elektromagnetische Kraft zwischen diesen beiden Teilchen – negativ geladen, positiv geladen.

Zwischen diesen beiden Teilchen muss nach der Quantenmechanik etwas ausgetauscht werden, ein sogenanntes Austauschteilchen.

Was soll das sein, was ist das?

Nach der Quantenelektrodynamik – ja, sie merken schon, das ist wirklich eine anspruchsvolle Sendung heute – nach der Quantenelektrodynamik wird zwischen Elektron und Proton ein Photon ausgetauscht.

Jetzt wissen wir aus der klassischen Theorie, dass die elektromagnetische Wechselwirkung, eine der vier Grundkräfte nämlich – Sie wissen ja: Elektromagnetismus, Gravitation, also Schwerkraft, starke Wechselwirkung, hält die Kerne zusammen, schwache Wechselwirkung, sorgt für radioaktiven Zerfall. Diese vier Wechselwirkungen – also bei der elektromagnetische Wechselwirkung, ist eine von diesen vieren, muss also etwas ausgetauscht werden.

Nur, die Wirkung elektromagnetische Wechselwirkung ist ja unendlich.

Das Kraftgesetz geht mit 1 durch r zum Quadrat. Also wenn der Abstand größer wird, wird die Kraft immer schwächer. Aber sie verschwindet nie.

Damit also ein solches virtuelles Teilchen fast immer existieren kann – Sie erinnern sich, hatte Ihnen ja gerade gesagt, wenn ein virtuelles Teilchen eine bestimmte Masse hat, kann es nach der Heisenbergschen Unschärferelation ja nur für eine gewisse Zeit existieren.

Wenn also das Teilchen, das Photon, eine Ruhemasse hätte, dann wäre die elektromagnetische Wechselwirkung nur auf eine bestimmte Länge beschränkt. Die könnte gar nicht unendlich reichweitig sein.

Deswegen hat das Photon eine Ruhemasse null. Die elektromagnetische Wechselwirkung wird durch ein Austauschteilchen verursacht, das die Ruhemasse null hat.

Ein Photon hat zwar Energie, aber es hat keine Ruhemasse. Es kriegt Masse dadurch, dass es eine gewisse Energie hat. Aber es hat keine Ruhemasse. Man kann ein Photon nicht zum Stillstand bringen.

Jetzt ist das mit dem Nichts, also mit diesem Nichts, was ich vorhin besprochen habe, dieses Nichts ist etwas, was, wie wir Physiker glauben, überall im Universum existiert – also wirklich überall: am Rand des Universums, irgendwo jwd, also janz weit draußen, aber auch im Raum innerhalb eines Atoms.

Das Nichts, das Vakuum ist überall. Und in diesem Vakuum entstehen ständig Teilchen und Teilchen und Teilchen – das ist die Vorstellung.

Warum muss das so sein?

Na ja, das muss so sein, weil wir sonst in die dicksten Schwierigkeiten kommen. Ach, das ist eine Geschichte jetzt also. Das ist nicht einfach.

Es ist so, dass man eines gerne wissen möchte: Was passiert eigentlich, wenn ich bei einer Situation von zwei Teilchen, nehmen wir wieder das Elektron, nehmen wir das Elektron - Proton, jetzt nehmen wir das Proton weg, gucken wir nur das Elektron an.

Jetzt haben wir das Elektron hier und jetzt gehen wir ganz langsam auf dieses Elektron zu. Das heißt, der Radius wird immer kleiner und kleiner und kleiner.

Jetzt nehmen wir mal an, wir können mathematisch, also mathematisch, nur mathematisch können wir auf den Radius null gehen. Was würde das heißen?

Beim Radius null würde die elektromagnetische Kraft gegen unendlich gehen. Wir hätten eine Singularität.

Ganz großes Problem.

Singularitäten sind immer ein Zeichen davon, dass man irgendetwas nicht verstanden hat.

Klassisch würden wir also am Punkte des Elektrons eine Singularität haben. Wie kann man das lösen? Durch virtuelle Teilchen.

Ein Elektron. Wenn man zu nahe an ein Elektron herankommt, dann wird die Energie, die dieses Elektron hat, aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation – Sie wissen ja, wenn ich sehr genau messen will, dann wird die Energie immer größer und größer – dann wird die Energie, die dieses Elektron hat, die wird auf einmal so groß, dass es um sich herum lauter virtuelle Teilchenpaare erzeugt, nämlich Elektron-Positron-Paare.

Das nennt man Vakuumpolarisation.

Das heißt also, ich komme gar nicht bis zu dem Punkt r gleich null heran, sondern es entstehen ab einem bestimmten Abstand aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation, aufgrund der Relativitätstheorie, da und da, entstehen um das Elektron herum virtuelle Paare, und die schirmen das Elektron in gewisser Weise ab.

Das Elektron zieht die Positronen zu sich, sie sind ja positiv geladen, sind ja die Antiteilchen der Elektronen.

Auf der anderen Seite stößt es die virtuellen Elektronen ab. Es entsteht also ein physikalisches Elektron, was aus diesem Punkt besteht, woran wir nicht kommen, und diese Wolke drum herum.

Das ist nicht alles, sondern virtuelle Teilchen erklären auch, weshalb überhaupt einen Atomkern zusammenhalten kann.

Die starke Kernkraft, die starke Wechselwirkung. Die starke Wechselwirkung wirkt ja offenbar im Kern so, dass Teilchen, obwohl sie die gleiche Ladung haben, zwei Protonen zum Beispiel – zwei Protonen und zwei Neutronen geben den Heliumkern, also die Neutronen sind ja neutral, aber die Protonen sind ja positiv geladen – wieso können die überhaupt im Kern zusammengehalten werden?

Durch die starke Kraft.

Die starke Kraft muss nach der Quantenmechanik ebenfalls mit dem Austauschteilchen zusammenhängen. Nur muss dieses Austauschteilchen sehr schwer sein, denn diese beiden Protonen sind schwer – die müssen zusammengehalten werden.

Ein schweres Teilchen heißt aber nach der Heisenbergschen Unschärferelation, dass dieses schwere Teilchen nur für ganz kurze Zeit existieren kann. Deswegen hat die starke Wechselwirkung nur eine ganz kurze Reichweite. Weil, bevor diese virtuellen Teilchen entstehen, sind sie schon wieder weg.

Deswegen hat die starke Kraft also eine ganz, ganz kurze Reichweite, und zwar eine Reichweite von einem Millionstel eines Milliardstel Meter, also ganz wenig.

Die Wechselwirkungszeiten sind zehn hoch minus 23 Sekunden, also quasi gar nichts.

Also mithilfe der Quantenmechanik einerseits und der Relativitätstheorie andererseits, also einer relativistischen Quantenfeldtheorie – mein Gott, ist das eine tolle Sendung – also einer relativistischen Quantenfeldtheorie, verstehen wir, warum die Dinge so sind, wie sie sind.

Jetzt haben ja die ganze Zeit über Theorie gesprochen.

Jetzt will ich Ihnen was sagen. Man kann die Teilchen auch tatsächlich messen, diese virtuellen, diese scheinbaren Teilchen zum Beispiel.

Jeder Elektroingenieur weiß, es gibt so ein Grundrauschen, das kriegt man nie raus aus dem elektronischen Schaltkreis, nie im Leben. Wodurch entsteht das? Das entsteht dadurch, dass, wenn die Schaltkreise so klein werden, also wenn die Dinge so nah beieinander kommen, also zum Beispiel ein Elektron kommt zu nahe an den Kern heran, dann entsteht um das Elektron herum ein Bad von virtuellen Teilchen.

Und diese virtuellen Teilchen verschieben nun die Strahlung, lassen die Strahlung des Elektrons, das sich da um den Atomkern herum bewegt, immer ein bisschen schwanken.

Und das ist die sogenannte Lamb-Shift, die Lamb-Verschiebung der Emission der klaren Emissionslinie dieses Teilchens, dieses Elektrons.

Und das ist ein Dauerrauschen, das kriegt man nicht weg. Das ist unmöglich wegzukriegen, weil, das ist ein Quanteneffekt, das ist ein Effekt des Urgrunds allen Seienden, nämlich dieses Vakuums, der wiederum nur ein Bad aus virtuellen Teilchen ist, ständig entstehender Teilchen und Vergehen.

Die existieren zwar, sind aber nicht wirklich.

Also die Wirklichkeit, die physikalische Wirklichkeit in diesem Universum besteht aus einem brodelnden Quantenschaum. Und dieser Quantenschaum entsteht nur, weil es eine Verbindung gibt zwischen Relativitätstheorie und Quantenmechanik.

Da werden Teilchen ausgetauscht, die auftauchen und wieder verschwinden. Es ist also ein ständiges Kommen und Gehen, ein absoluter Wahnsinn.

Und wenn man sich das alles so zusammenstellt und mal so zusammenschreibt, dann hat man schon das Gefühl, meine Güte, also dieses Universum ist schon einigermaßen merkwürdig.

Ich habe die Vermutung, wenn man bei der Schöpfung des Universums einen Arbeitskreis eingesetzt hätte, dann wäre es heute noch nicht fertig.