Sonnenuntergang in Kassel (Lara Bendig)

Donnerstag, 5. März 2020

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, Teil 9: Sein oder Nichtsein, das ist hier die Frage

Wie kann man sich die Vorstellungen der Quantenelektrodynamik über ein elektrisches Feld bildlich vorstellen?

Um eine Ladung herum bilden sich ständige Fluktuationen aus Photonen (und anderen Quanten), die auftauchen und wieder verschwinden. Sie verletzen dabei den Energieerhaltungssatz, genügen aber der Unbestimmtheitsbeziehung für Energie und Zeit:

Für eine Zeit t kann eine Energie E aus dem Nichts entstehen (d.h. den Energieerhaltungssatz verletzen), wenn das Produkt aus t und E nicht größer als die Plancksche Konstante h ist (und die ist sehr sehr klein...Drei Dutzend Nullen hinter dem Komma...)).

Je höher die entstandene Energie ist, desto schneller muss sie wieder verschwinden.
Da h sehr klein ist, können in wahrnehmbaren Zeiten (über Mikrosekunden) nur nicht wahrnehmbare Energien entstehen. Deswegen spieltdies in usnerem Alltag keine Rolle.

Aber in den sehr kurzen Zeiträumen der ET-Wechselwirkungen entstehen nenneswerte Energiebeträge und die müssen berücksichtigt werden.

Diese, nur unter Verletzung des Energieerhaltungssatzes entstehenden, Photonen nennt man virtuell.

Sie sind aber genau so real wie alle anderen Photonen. Sein oder Nichtsein....das ist hier die falsche Frage!

Eine elektrische Ladung ist also von einer Wolke aus virtuellen Photonen umgeben. Diese Wolke nennen wir das elektrische Feld der Ladung.

Also: Elektrische Felder sind keine Denkhilfen, keine Konstruktionsvorschriften, sondern Substanzen aus Zeugs, das es überall im Kosmos gibt: Photonenzeugs!

Energiereiche virtuelle Photonen sind immer in der Nähe der Ladung, die energiearmen virtuellen Photonen können auf Grund ihrer längeren Lebensdauer auch weiter entfernt angetroffen werden.
Daraus ergibt sich das Kraftgesetz für elektrische Ladungen (Coulombsches Gesetz), es ist eine Folge der Unbestimmtheit von Energie und Zeit!

Sind nun zwei elektrische Ladungen nahe beieinander, so können sie virtuelle Photonen austauschen. Dabei geht die "geborgte" Energie von einer Ladung auf die andere über. Diese Wirkung nennen wir elektrische Kraft.

Virtuelle Photonen gehören zu den Vakuumfluktuationen. Ihre Auswirkungen spürt man in der Nanotechnologie. Sie lässt sich dort sowohl vorhersagen als auch richtig als Kraft zwischen Nanobauteilen messen (Casimir-Effekt).
Das zu diskutieren würde jetzt aber den Rahmen sprengen.

Bild: Teilchenwelt.de
Zwei Bootsfahrer können Kräfte durch Austausch von Bällen aufeinander ausüben. Das machen auch Ladungen, wenn sie virtuelle Photonen austauschen.



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