Fragen Sie Ethan: Sind Quantenfelder real?

als bestehend aus Quantenschaum, wobei Quantenfluktuationen auf kleinsten Skalen groß, vielfältig und wichtig sind. Die Quantenfelder, die ein wesentlicher Bestandteil der Natur sind, sind gut definiert, entsprechen jedoch nicht unseren intuitiven Vorstellungen davon, wie sich Teilchen oder Wellen verhalten sollen. NASA / CXC / M.Weiss

Das Universum, das wir um uns herum wahrnehmen und sehen, ist nicht repräsentativ für das, was tatsächlich auf einer fundamentalen Ebene existiert. Anstelle von kontinuierlichen, festen Objekten besteht Materie aus unteilbaren Quantenteilchen, die durch unsichtbare Kräfte zusammengehalten werden, die über den leeren Raum wirken. Sowohl die Teilchen selbst als auch die Kräfte können durch eine zugrunde liegende Struktur beschrieben werden: quantenfelder, die alles beschreiben, was wir über alle Teilchen und Antiteilchen des Standardmodells wissen. Aber sind diese Quantenfelder real? Und was sagen sie uns? Das will Patreon-Unterstützer Aaron Weiss wissen, wie er fragt:

Ich würde mich sehr für einen Beitrag über Quantenfelder interessieren. Werden sie allgemein / allgemein als real und der grundlegendste Aspekt unseres Universums oder nur als mathematisches Konstrukt angesehen? Ich habe gelesen, dass es 24 fundamentale Quantenfelder gibt: 12 Felder für Fermionen und 12 für Bosonen. Aber ich habe auch über Quantenfelder für Atome, Moleküle usw. gelesen. Wie funktioniert das? Entsteht alles aus diesen 24 Feldern und ihren Wechselwirkungen?

Beginnen wir mit dem, was ein Quantenfeld eigentlich ist.

Quantenfelder zeigen, dass es, obwohl es aus punktartigen Quarks und Gluonen besteht, eine endliche, substantielle Größe hat, die sich aus dem Zusammenspiel der Quantenkräfte und -felder in ihm ergibt. Das Proton selbst ist ein zusammengesetztes, nicht fundamentales Quantenteilchen. Brookhaven National Laboratory

In der Physik beschreibt ein Feld im Allgemeinen, was eine Eigenschaft des Universums überall im Weltraum ist. Es muss eine Größe haben: eine Menge, die das Feld vorhanden ist. Es kann eine Richtung haben oder nicht; einige Felder tun es, wie elektrische Felder, andere nicht, wie Spannungsfelder. Als alles, was wir hatten, klassische Felder waren, sagten wir, dass die Felder eine Art Quelle haben müssen, wie Teilchen, was dazu führt, dass die Felder im ganzen Raum existieren.

In der Quantenphysik ist diese scheinbar selbstverständliche Tatsache jedoch nicht mehr wahr. Während die klassische Physik Größen wie Position und Impuls als Eigenschaften eines Teilchens definiert und diese Eigenschaften ein entsprechendes Feld erzeugen würden, behandelt die Quantenphysik sie anders. Anstelle von Größen werden nun Position und Impuls (neben anderen Größen) zu Operatoren, die es uns ermöglichen, all die Quanten-Verrücktheit abzuleiten, von der Sie so viel gehört haben.

Theoretische Physiker, das myonenmagnetische Moment wurde bis zur Fünf-Schleifen-Ordnung berechnet. Die theoretischen Unsicherheiten liegen jetzt nur noch bei einem Teil von zwei Milliarden. Dies ist eine enorme Leistung, die nur im Kontext der Quantenfeldtheorie erzielt werden kann. 2012 American Physical Society

Eine Größe wie ein Elektron hat keine genau definierte Position oder Impuls mehr, sondern eine Wellenfunktion, die die Wahrscheinlichkeitsverteilung aller möglichen Positionen und Momente beschreibt.

Sie haben diese Worte vielleicht schon einmal gehört, aber haben Sie jemals darüber nachgedacht, was das eigentlich bedeutet?

Es bedeutet, dass das Elektron überhaupt kein Teilchen ist. Es ist nicht etwas, auf das du deinen Finger legen und erklären kannst: „Das Elektron ist hier und bewegt sich mit dieser bestimmten Geschwindigkeit in diese bestimmte Richtung.“ Man kann nur sagen, was die Gesamteigenschaften im Durchschnitt des Raumes sind, in dem das Elektron existiert.

Beziehung zwischen Position und Impuls. Wenn einer genauer bekannt ist, ist der andere inhärent weniger in der Lage, genau bekannt zu sein. Wikimedia Commons Benutzer Maschen

Das klingt nicht sehr partikelartig, oder? In der Tat klingt das eher feldartig: eine Eigenschaft des Universums überall im Weltraum. Das liegt daran, dass in der Quantenfeldtheorie (QFT) Quantenfelder nicht von Materie erzeugt werden. Stattdessen ist das, was wir als „Materie“ interpretieren, selbst ein Quantenfeld.

Und diese Quantenfelder selbst bestehen aus Teilchen.

• Das elektromagnetische Feld? Aus Teilchen, die Photonen genannt werden.
• Das starke Kernfeld, das Protonen und Neutronen zusammenhält? Bestehend aus Partikeln, die Gluonen genannt werden.
• Das schwache Kernfeld, verantwortlich für radioaktive Zerfälle? Hergestellt aus Teilchen, die als W- und-Z-Bosonen bezeichnet werden.
• Sogar das Gravitationsfeld, wenn wir versuchen, eine Quantenversion der Schwerkraft zu formulieren? Aus Teilchen, die Gravitonen genannt werden.

Ja, selbst die Gravitationswellen, die LIGO entdeckte, so glatt und kontinuierlich sie auch erschienen, sollten aus einzelnen Quantenteilchen bestehen.

abwechselnd den Raum in zueinander senkrechten Richtungen ausdehnen und komprimieren, definiert durch die Polarisation der Gravitationswelle. Gravitationswellen selbst sollten in einer Quantentheorie der Schwerkraft aus einzelnen Quanten des Gravitationsfeldes bestehen: Gravitonen. M. Pössel / Einstein Online

Der Grund, warum wir diese Begriffe von Teilchen und Feldern in QFT austauschbar verwenden können, ist, dass die Quantenfelder selbst alle Informationen für alles kodieren. Haben ein Teilchen und Antiteilchen vernichtend? Das wird durch gleiche und entgegengesetzte Anregungen eines Quantenfeldes beschrieben. Möchten Sie die spontane Erzeugung von Teilchen-Antiteilchen-Partikelpaaren beschreiben? Das liegt auch an Anregungen eines Quantenfeldes.

Teilchen / Antiteilchenpaare tauchen als Folge der Heisenberg-Unsicherheit für sehr kurze Zeit aus dem Quantenvakuum auf. Derek B. Leinweber

Selbst Teilchen selbst sind wie Elektronen nur angeregte Zustände eines Quantenfeldes. Jedes Teilchen im Universum, wie wir es verstehen, ist eine Welligkeit oder Anregung oder Energiebündel des zugrunde liegenden Quantenfeldes. Dies gilt für die Quarks, die Gluonen, das Higgs-Boson und für alle anderen Teilchen des Standardmodells.

für drei der vier Kräfte (mit Ausnahme der Schwerkraft), die gesamte Suite der entdeckten Teilchen und alle ihre Wechselwirkungen. Ob es zusätzliche Teilchen und / oder Wechselwirkungen gibt, die mit Kollidern entdeckt werden können, die wir auf der Erde bauen können, ist umstritten, aber wir werden die Antwort nur kennen, wenn wir die bekannte Energiegrenze überschreiten. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL

Wie viele fundamentale Quantenfelder gibt es? Nun, das hängt davon ab, wie Sie die Theorie betrachten. In der einfachsten QFT, die unsere Realität beschreibt, der Quantenelektrodynamik von Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga und Richard Feynman, gibt es nur zwei Quantenfelder: das elektromagnetische Feld und das Elektronenfeld. Sie interagieren; Sie übertragen Energie und Impuls und Drehimpuls; Anregungen werden erzeugt und zerstört. Jede Anregung, die möglich ist, hat eine umgekehrte Anregung, die auch möglich ist, weshalb diese Theorie die Existenz von Positronen (Antimaterie-Gegenstücke von Elektronen) impliziert. Darüber hinaus existieren Photonen auch als Teilchenäquivalente des elektromagnetischen Feldes.

Wenn wir alle Kräfte, die wir verstehen, d. H. Ohne Schwerkraft, nehmen und die QFT-Version davon aufschreiben, gelangen wir zu den Vorhersagen des Standardmodells.

Sie wurden nun alle direkt entdeckt, wobei der letzte Holdout, das Higgs-Boson, Anfang dieses Jahrzehnts am LHC fiel. Alle diese Teilchen können bei LHC-Energien erzeugt werden, und die Massen der Teilchen führen zu fundamentalen Konstanten, die absolut notwendig sind, um sie vollständig zu beschreiben. Diese Teilchen können durch die Physik der Quantenfeldtheorien, die dem Standardmodell zugrunde liegen, gut beschrieben werden. E. Siegel / Jenseits der Galaxie

Hier kommt die Idee von 12 Fermionenfeldern und 12 Bosonenfeldern her. Diese Felder sind Anregungen der zugrunde liegenden Theorien (das Standardmodell), die das bekannte Universum in seiner Gesamtheit beschreiben, und umfassen:

• Die sechs (oben, unten, seltsam, Charme, unten, oben) Quarks und ihre Antiquark-Gegenstücke,
• Die drei geladenen (Elektron, Myon, Tau) und drei neutralen (Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino, Tau-Neutrino) Leptonen und ihre Antimaterie-Gegenstücke,
• Die acht Gluonen (wegen der acht möglichen Farbkombinationen),
• Die zwei schwachen (W-und-Z) Bosonen,
• Das eine elektromagnetische (Photonen-)Boson,
• Und das Higgs-Boson.

Die Quarks und Leptonen sind Fermionen, weshalb sie Antimaterie-Gegenstücke haben, und das W-Boson kommt in zwei gleichen und entgegengesetzten Varianten (positiv und negativ geladen), aber alles in allem gibt es 24 einzigartige, fundamentale Anregungen von Quantenfeldern möglich. Genau hier setzt die Idee der „24 Felder“ an.

Vielzahl von Quantenzuständen. Während drei Quantenzahlen viel erklären könnten, muss ‚Spin‘ hinzugefügt werden, um das Periodensystem und die Anzahl der Elektronen in Orbitalen für jedes Atom zu erklären. PoorLeno / Wikimedia Commons

Was ist dann mit komplexen Systemen wie Protonen, Atomen, Molekülen und mehr? Sie müssen verstehen, dass genau wie die 24 Felder tatsächlich Anregungen der zugrunde liegenden QFT sind, die unsere physische Realität beschreibt, diese komplexen Systeme mehr sind als nur Kombinationen dieser Felder, die zu einem stabilen oder quasi stabilen gebundenen Zustand zusammengefügt werden.

Stattdessen ist es genauer, das gesamte Universum als ein kompliziertes Quantenfeld zu betrachten, das selbst die gesamte Physik enthält. Quantenfelder können eine beliebig große Anzahl von Teilchen beschreiben, die auf jede erdenkliche Weise interagieren, die unsere Theorien zulassen. Und sie tun dies nicht in einem Vakuum des leeren Raums, sondern inmitten eines Hintergrunds von nicht so leerem Raum, der auch nach den Regeln von QFT spielt.

Berechnung virtueller Teilchen im Quantenvakuum. (Speziell für die starken Wechselwirkungen.) Selbst im leeren Raum ist diese Vakuumenergie ungleich Null. Derek Leinweber

Partikel, Antiteilchen und alle möglichen Anregungen der Felder werden ständig erzeugt und zerstört. Die Realität unterscheidet sich grundlegend von unserem klassischen Bild eines glatten, kontinuierlichen, klar definierten Universums. Obwohl es wahr ist, dass diese Quantenfelder als mathematisches Konstrukt begannen, beschreiben sie unsere physikalische, beobachtbare Realität genauer als jede andere Theorie, die wir uns ausgedacht haben. Sie ermöglichen es uns, unglaublich präzise Vorhersagen darüber zu treffen, was die Ergebnisse eines Experiments mit den Quanten des Standardmodells ergeben werden: Vorhersagen, die von jedem Experiment bestätigt wurden, das empfindlich genug ist, um sie zu testen.

Das Universum mag kein intuitiver Ort sein, aber soweit sich eine physikalische Theorie als Reflexion der Realität bezeichnen kann, ist QFT in Bezug auf seine Kraft nicht gleich. Solange die Physik eine experimentelle Wissenschaft bleibt, wird dies der Standard sein, den jede Kandidatentheorie ersetzen muss.

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