Die offenen Fragen der Physik

[Agent Scullie]

Damit, dass die Maxwellgleichungen im mikroskopischen Bereich nicht in der gewohnten Form gelten, meine ich, dass man die Felder in der Quantenelektrodynamik quantisiert, oder wie siehst du das ?

Auf der Seite Quantenfeldtheorie ? Wikipedia wird das so ein bisschen angedeutet, dass man eine Lagrangedichte aufstellt, usw. Die Maxwellgleichungen alleine tun es nicht, aber man kriegt sie offenbar als Grenzfall wieder heraus.

eine Lagrange-Dichte gibt's auch klassisch schon, die Maxwell-Gleichungen lassen sich aus dieser ableiten. Zum Quantisieren muss man die dann nur geringfügig modifizieren, durch Fixierung der Lorentz-Eichung. Bei der Quantisierung werden aus den klassischen Feldern Feldoperatoren, wobei die Maxwell-Gleichungen AFAIK nicht zu Gleichungen für die Operatoren werden, sondern für die Erwartungswerte, was mit der Fixierung der Eichung zu tun hat (Stichwort: Gupta-Bleuler).

Wenn es dich interessiert, kannst du hier:

http://www.itp.uni-bremen.de/~noack/SS05/feldops.pdf (Abschnitt E)

http://itp.tugraz.at/LV/ewald/QFP/qft5.pdf

mehr nachlesen (ist allerdings viel Mathematik).

Klar sind virtuelle Photonen im Grunde nur mathematische Artefakte. Am Ende hat man sowieso nur noch mathematische Beschreibungen und kaum mehr etwas, das man sich wirklich noch klipp und klar vorstellen kann.

ganz so extrem ist es nun aber auch wieder nicht. Freie Felder lassen sich schon recht gut verstehen, und für wechselwirkende Felder gibt es auch nicht-störungstheoretische Methoden, wie die Gitter-Eichtheorie. In der sieht man nichts von virtuellen Teilchen.

[McWire]

Vielleicht sollte man auch mal über die Größenordnung der Variabilität reden. Offenbar ist sie noch messbar, aber sehr, sehr gering. Vermutlich könnte ein Theoretiker auch ausrechnen, wie groß die Abweichungen vom derzeit angenommenen Wert sein dürfen, ohne dass etwas "Seltsames" passiert, z.B. ein als eigentlich stabil anzusehendes Molekül auf rätselhafte Weise auseinanderfällt.

Es gab dazu mal eine nette Sendung bei Alpha Centauri, wo genau dieses Thema zur Sprache kam.

Die maximal mögliche Abweichung scheint irgendwo in der Größenordnung bei 0,01% zu sein, ab wann die Abweichungen signifikante Stabilitätsprobleme in der Materie auslöst.

Allerdings können solche Abweichungen durchaus schon makroskopische Auswirkungen haben, da sie Effekt wie Kernspaltung und Kernfusion beeinflussen.

Bei einer Abweichung von mehr als 1/1000 der aktuellen Werte von Elementarladung oder Gravitationskonstante könnte z.B. die Lebensdauer der Sonne schon um mehrere Millionen Jahre variieren.

Auch wenn die mathematischen Theorien der Physik noch nicht ausgereift sind, so sprechen die Beobachtungen doch Bände.
Man kann mit einer großen Sicherheit behaupten, dass die Naturkonstanten seit dem Urknall in der Größenordnung von 1/100.000 konstant geblieben sind, weil man ja Referenzmesswerte aus verschiedenen Epochen des Universums zum Vergleich hat, insbesondere spektroskopische Daten von verschieden weit entfernten Galaxien.

[irony]

Mir ist es immer noch nicht klar: Man hat ja Neutrinooszillationen beobachtet, was auch immer die bedeuten. Wie viel verschiedene Neutrinos gibt es denn nun?

Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos, Tau-Neutrinos, plus deren Anti-Teilchen, oder gibt es nur ein Neutrino in drei Zuständen, das zudem noch sein eigenes Antiteilchen ist, so wie das Photon?

Wie weist man experimentell ein Anti-Neutrino nach?

[McWire]

Mir ist es immer noch nicht klar: Man hat ja Neutrinooszillationen beobachtet, was auch immer die bedeuten.

Die spontane Umwandlung der Neutrinos untereinander, ohne offensichtliche Einwirkung von außen.

Wie viel verschiedene Neutrinos gibt es denn nun?

Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos, Tau-Neutrinos, plus deren Anti-Teilchen, oder gibt es nur ein Neutrino in drei Zuständen, das zudem noch sein eigenes Antiteilchen ist, so wie das Photon?

Ein Photon ist kein Neutrino, ansonsten stimmt deine Aufzählung. Es gibt zu jedem schweren Lepton (Elektron, Myon, Tauon) ein dazugehöriges Neutrino.

Wie weist man experimentell ein Anti-Neutrino nach?

Durch bloße Beobachtung der Erhaltungsgrößen:

Beispiel "Beta-"-Zerfall / Neutronzerfall

Wenn ein freies Neutron (Neutronen haben eine Halbwertszeit von 886 Sekunden ~ 14 Minuten) zerfällt, so entsteht ein Proton und ein Elektron.

Damit ist die elektrische Ladungszahl erhalten, da aus einem neutralen Teilchen ein positiv geladenes und ein negativ geladenes entsteht.

Auch die Nukleonzahl (Baryonzahl) bleibt erhalten, da aus einem Nukleon ein neues Nukleon entsteht.

Das Problem ist nun, dass ein Elektron entsteht, was ein Lepton mit einer Leptonenzahl darstellt, ohne das der Ausgangspartikel eine solche Leptonenzahl trägt.

Daraus wurde geschlussfolgert, dass ein weiteres Teilchen mit einer negativen Leptonenzahl, ein Antilepton entstehen muss. Dieses Antilepton muss zudem ziemlich leicht sein, was nur auf Neutrinos und Antineutrinos zutrifft.

Der Beta-Zerfall eines Neutrons ist also der tagtägliche indirekte Nachweis der Existenz von Antineutrinos.

[irony]

Die spontane Umwandlung der Neutrinos untereinander, ohne offensichtliche Einwirkung von außen.

Ja, und was bedeutet das? Offenbar doch, dass es nur ein Neutrino in drei Erscheinungsformen gibt.

Ein Photon ist kein Neutrino, ansonsten stimmt deine Aufzählung. Es gibt zu jedem schweren Lepton (Elektron, Myon, Tauon) ein dazugehöriges Neutrino.

Oszillieren diese Neutrinos auch, oder nur die von der Sonne?

Und dass ein Photon kein Neutrino ist, weiß ich. Es ist aber sein eigenes Antiteilchen:

Sind sämtliche additiven Quantenzahlen eines Teilchens Null, so ist das Teilchen sein eigenes Antiteilchen. Dies ist zum Beispiel beim Photon, beim Z0 und dem neutralen Pion π0 der Fall.

Das Problem ist nun, dass ein Elektron entsteht, was ein Lepton mit einer Leptonenzahl darstellt, ohne das der Ausgangspartikel eine solche Leptonenzahl trägt.

Daraus wurde geschlussfolgert, dass ein weiteres Teilchen mit einer negativen Leptonenzahl, ein Antilepton entstehen muss. Dieses Antilepton muss zudem ziemlich leicht sein, was nur auf Neutrinos und Antineutrinos zutrifft.

Der Beta-Zerfall eines Neutrons ist also der tagtägliche indirekte Nachweis der Existenz von Antineutrinos.

Also im Grunde gar kein Nachweis, sondern bloße Behauptung. Die Erhaltung der Leptonenzahl ist nur eine Annahme des Standardmodells, das offensichtlich falsch ist.

[McWire]

Ja, und was bedeutet das? Offenbar doch, dass es nur ein Neutrino in drei Erscheinungsformen gibt.

Es gibt drei verschiedene Neutrinos, nämlich zu jeder Lepton-Generation (Elektron, Myon, Tauon) eines. Diese können sich aber ineinander umwandeln, genauso wie man ein Elektron in ein Myon oder Tauon umwandeln kann. Nur bei den Neutrinos geschieht dies nach den aktuellen Theorien spontan. Und den Grund dafür kennt man nicht.

Oszillieren diese Neutrinos auch, oder nur die von der Sonne?

Alle Neutrinos oszillieren, wenn auch die von der Sonne oszillieren. Die Oszillation ist aber nicht bewiesen, sie wird nur vermutet, da die detektierte Neutrinozahl auf der Erde geringer ist als sie theoretisch sein sollte, was sich dadurch erklären ließe, dass sich die Elektron-Neutrinos in die anderen beiden Formen umwandeln und diese weniger stark mit Materie interagieren.

Und dass ein Photon kein Neutrino ist, weiß ich. Es ist aber sein eigenes Antiteilchen:

Was beim Neutrino nicht der Fall ist, da es eine Leptonenzahl trägt, die im Falle des Antiteilchen negativ ist.

Also im Grunde gar kein Nachweis, sondern bloße Behauptung. Die Erhaltung der Leptonenzahl ist nur eine Annahme des Standardmodells, das offensichtlich falsch ist.

Es wäre schön, wenn sich herausstellen würde, dass die Leptonenzahl keine Erhaltungsgröße ist, weil man dann ein Perpetum Mobile bauen könnte.

[irony]

Es gibt drei verschiedene Neutrinos, nämlich zu jeder Lepton-Generation (Elektron, Myon, Tauon) eines. Diese können sich aber ineinander umwandeln, genauso wie man ein Elektron in ein Myon oder Tauon umwandeln kann.

Ich glaube nicht, dass man ein Elektron in ein Myon umwandeln kann. Myonen können sich in Elektronen umwandeln, wobei auch zwei Neutrinos entstehen.

Dass es drei verschiedene Neutrinos gibt, die sich in einander umwandeln, was heißt das? Das heißt doch offenbar nur, dass ein und dasselbe Neutrino jeweils nur in einem anderen Anfangszustand erzeugt wird.

Es wäre schön, wenn sich herausstellen würde, dass die Leptonenzahl keine Erhaltungsgröße ist, weil man dann ein Perpetum Mobile bauen könnte.

Wie das denn?

Hier nochmal was aus Wikipedia:

Es gibt Hinweise auf einen neutrinolosen doppelten Betazerfall. Dies würde bedeuten, dass entweder die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt oder das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre.

Ich denke, dass das Neutrino so eine Art "fermionisches Photon" ist, auch wenn das eigentliche neutrale Austauschteilchen der schwachen WW das Z0-Boson ist. Aber das Neutrino übernimmt bei schwachen WW viele Aufgaben, die das Photon bei elektromagnetischen WW hat.

Offenbar ist es auch fast masselos und fast lichtschnell, wichtig für Impuls- und Energieerhaltung, trägt Spins weg, oszilliert mit einer Frequenz usw.

[McWire]

Ich glaube nicht, dass man ein Elektron in ein Myon umwandeln kann. Myonen können sich in Elektronen umwandeln, wobei auch zwei Neutrinos entstehen.

Beide Prozesse sind möglich, nur das ein Prozess (Elektron->Myon) endotherm und ein Prozess (Myon->Elektron) exotherm ist, weil ein Myon eine größere Masse und damit einen größeren Energieinhalt hat.

Man kann aber durch Energiezufuhr ein Elektron soweit anregen, dass es ein Myon bildet.

Dass es drei verschiedene Neutrinos gibt, die sich in einander umwandeln, was heißt das? Das heißt doch offenbar nur, dass ein und dasselbe Neutrino jeweils nur in einem anderen Anfangszustand erzeugt wird.

Das ist eine mögliche Interpretation.

Wie das denn?

Wenn die Leptonenzahl keine Erhaltungsgröße ist, kann man Masse und elektrische Ladung zwischen Hadronen und Leptonen verlustfrei transferieren und damit einen elektrischen Strom erzeugen.

Beispiel:
Anlage A: Neutron -> Proton + Elektron (+Antineutrino)

Elektron fließt von A nach B

Anlage B: Elektron + Proton -> Neutron (+ Neutrino)

Diese Rechnung funktioniert allerdings in der Realität nicht, weil durch Abspaltung eines Neutrinos ein Energieverlust entsteht.
d.h. um ein Proton und ein Elektron zu einem Neutron zu verschmelzen, muss man Energie aufwenden.

Würde kein Neutrino freigesetzt, würde dieser Prozess auch spontan erfolgen, ergo könnte man auf diese Art und Weise elektrische Energie abgreifen.

Es gibt Hinweise auf einen neutrinolosen doppelten Betazerfall. Dies würde bedeuten, dass entweder die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt oder das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre.

Da dürfte kein oder dazwischen stehen, sondern es müsste ein und stehen. Wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre, würde der Beta-Zerfall auf jeden Fall die Leptonenzahl verletzen.

[irony]

Ich frage mich, ob nicht auch Elektron und Neutrino im Grunde das selbe Teilchen in zwei verschiedenen Zuständen sind. Offenbar ist Ladung immer an Masse gekoppelt, und ein Neutrino hat somit beides gegenüber dem Elektron verloren.

Offenbar ist aber die Masse das eigentliche Asymmetrie erzeugende Element, das verhindert, Elektronen oszillieren, also Elektronen sich in Myonen und diese wieder zurückverwandeln usw.

Ladung hingegen ist etwas Hochsymmetrisches, da nicht nur Elektron und Myon exakt gleiche Ladung haben, sondern sogar das aus drei Teilchen zusammengesetzte Proton dem Betrag nach exakt die gleiche Ladung aufweist, aber eine völlig verschiedene Masse hat.

Möglicherweise gibt es überhaupt nur zwei echte fermionische Elementarteilchen in verschiedenen Zuständen: Das Quark, das Lepton (= Elektron/Myon/Neutrino, alles eins). Hinzu kommen noch Austauschteilchen wie das Photon und W+/W-/Z0, wobei interessanter Weise ein Photon auch in zwei Fermionen zerfallen kann, also z.B. Elektron-Positron-Paare (wo kommen die her?)

Irgendwo jenseits des Standardmodells liegt die Wahrheit. Wirklich elementar (fundamental verschieden, nicht ineinander umwandelbar) sind vermutlich weniger als fünf Teilchen.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
transportermalfunction schrieb nach 8 Minuten und 21 Sekunden:

Man kann aber durch Energiezufuhr ein Elektron soweit anregen, dass es ein Myon bildet.

Ich glaube, das war aber ein komplizierterer Vorgang als du ihn beschreibst. Also etwa in der Form, dass das Elektron ein W- abstrahlt, zu einem Neutrino wird, und das abgestrahlte W- dann in ein Myon und ein Neutrino zerfällt.

Dabei wandelt sich aber nicht das Elektron in ein Myon um, sondern das W- zerfällt entsprechend.

Hm. Man könnte aber auch argumentieren, dass ein Elektron (e-) in Wirklichkeit eine Art "W-" ist, das zwei Neutrinos enthält, und dieses "W-/e-" zuerst ein Neutrino abstrahlt und dann als instabiles Teilchen weiter zerfällt.

[McWire]

Ich glaube, das war aber ein komplizierterer Vorgang als du ihn beschreibst. Also etwa in der Form, dass das Elektron ein W- abstrahlt, zu einem Neutrino wird, und das abgestrahlte W- dann in ein Myon und ein Neutrino zerfällt.

Dabei wandelt sich aber nicht das Elektron in ein Myon um, sondern das W- zerfällt entsprechend.

Hm. Man könnte aber auch argumentieren, dass ein Elektron (e-) in Wirklichkeit eine Art "W-" ist, das zwei Neutrinos enthält, und dieses "W-/e-" zuerst ein Neutrino abstrahlt und dann als instabiles Teilchen weiter zerfällt.

Wobei deine Rechnung ein Fehler enthält:

Photon + Elektron -> Neutrino + W-
W- -> Myon + Antineutrino (Erhaltung der Leptonzahl)

[irony]

Wobei deine Rechnung ein Fehler enthält:

Photon + Elektron -> Neutrino + W-

Von einem Photon habe ich doch gar nichts geschrieben.

Elektron (L=1) --> Neutrino (L=1) + W- (L=0) --> Neutrino (L=1) + Myon (L=1) + Anti-Neutrino (L= -1)

Die Leptonzahl bleibt hier doch erhalten, das Anti-Neutrino hat L= -1.

[McWire]

Von einem Photon habe ich doch gar nichts geschrieben.

Elektron (L=1) --> Neutrino (L=1) + W- (L=0) --> Neutrino (L=1) + Myon (L=1) + Anti-Neutrino (L= -1)

Die Leptonzahl bleibt hier doch erhalten, das Anti-Neutrino hat L= -1.

Ein Elektron zerfällt nicht spontan auf diese Art und Weise, da es die Energie- und Masserhaltung verletzen würde.

Das Elektron muss vor einem solchen Zerfall also erst energetisch angeregt werden.

[irony]

So, und jetzt noch mal Provozierendes.

A) Ich sage mal, dass W+/W-/Z0 und das Photon ein und dasselbe Teilchen in vier verschiedenen Zuständen ist.

B) Ebenso sind Neutrino, Elektron, Myon usw. nur ein Teilchen in verschiedenen Zuständen.

Mit den Teilchen aus A) können die Teilchen in B) ineinander umgewandelt bzw. sogar aus ihnen erzeugt werden.

Etwas komplizierter ist es mit den Quarks und Gluonen, aber interessanter Weise gibt es keine freien Quarks, die aber dennoch der elektromagnetischen und schwachen WW unterliegen, also mit dem/den Teilchen aus A) verändert und sogar (zumindest paarweise) erzeugt werden können.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
transportermalfunction schrieb nach 6 Minuten und 38 Sekunden:

Das Elektron muss vor einem solchen Zerfall also erst energetisch angeregt werden.

Dazu reicht dann aber die kinetische Energie, die der Ruhemasse des W-, also etwa 80 Gev/c2 entspricht. Interessant ist dabei die Frage, ob man nicht durch eine Lorentztransformation immer ein Bezugssystem finden kann, in dem das Elektron diese kinetische Energie besitzt.

Wikipedia sagt

Beispielsweise kann sich das Elektron (ein negativ geladenes Lepton) durch Emission eines W--Bosons in das zugehörige, elektrisch neutrale Elektron-Neutrino umwandeln.

Mehr steht da zu leider nicht.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
transportermalfunction schrieb nach 2 Minuten und 19 Sekunden:

Ein bisschen muss man auch aufpassen, was die Unterscheidung in virtuelle und reale Teilchen angeht:

Da das W-Boson mit seiner rund 80-fachen Protonenmasse recht schwer ist, ist seine Reichweite und damit die der schwachen Wechselwirkung sehr kurz (zirka 10−18 m). Zu vielen Prozessen trägt es nur als virtuelles Teilchen bei, in Form von Schleifen in Feynmandiagrammen.

Als reales Teilchen kann das W-Boson an Teilchenbeschleunigern durch Paarbildung erzeugt werden, z. B. über die Reaktion e+ e− → W+ W−.

Das eine (Erzeugung von W als reales Teilchen) geht wohl nicht ohne sehr viel Energie, während das W als virtuelles Austauschteilchen schon leichter zustande kommt.

[McWire]

Dazu reicht dann aber die kinetische Energie, die der Ruhemasse des W-, also etwa 80 Gev/c2 entspricht. Interessant ist dabei die Frage, ob man nicht durch eine Lorentztransformation immer ein Bezugssystem finden kann, in dem das Elektron diese kinetische Energie besitzt.

Wikipedia sagt
Mehr steht da zu leider nicht.

Ein Elektron hat eine Ruhemasse von 0,51 MeV/c² .

Somit musst du das Elektron erst auf die 160.000-fache Ruheenergie anregen (beschleunigen, wie auch immer), bevor es ein (W-)-Boson freisetzen kann.

[irony]

Ein Elektron hat eine Ruhemasse von 0,51 MeV/c² .

Somit musst du das Elektron erst auf die 160.000-fache Ruheenergie anregen (beschleunigen, wie auch immer), bevor es ein (W-)-Boson freisetzen kann.

Ich glaube, die Energie allein reicht nicht. Z.B. zerfällt ein Photon mit einigen MeV Energie so weit ich weiß auch nicht völlig spontan in ein Elektron/Positron-Paar, sondern nur wenn es das elektrische Feld eines Atomkerns sieht, oder so ähnlich.

Wikipedia sagt dazu

Dass der Prozess nur in der Nähe eines Kerns erfolgen kann, kann man sich anhand folgenden Gedankenexperiments verdeutlichen. Transformiert man sich nach der Paarbildung in das Ruhesystem der zwei entstandenen Teilchen, so haben diese dort zusammengenommen einen Impuls von Null. Ein Photon hat in jedem Bezugssystem aber dieselbe Vakuumlichtgeschwindigkeit und somit auch in diesem System einen Impuls - dies widerspricht der Aussage, dass Positron und Elektron in diesem System keinen Impuls besitzen.

In der genauen Energiebilanz muss noch der Rückstoß des Atomkerns berücksichtigt werden, in dessen Feld die Paarbildung abläuft.

Das ist ja auch etwas Interessantes: Wie aus einem Photon plötzlich zwei Fermionen mit Masse und Ladung werden.