Ich habe mir den Thread mal etwas durchgelesen und hier leider viele "Halbwahrheiten" gefunden, die man leicht bekommt, wenn man nur populärwissenschaftliche Literatur zu diesen Themen liest.
Desweiteren sind viele Konzepte (z.B Austauschbosonen, Raumkrümmung, Renormierung, Antiteilchen, "Teilchen negativer Energie", Hawking Strahlung, etc) wesentlich komplizierter, als das man sie mit Anschauung erklären könnte.
Fangen wir einfach mal mit der Antimaterie an:
leider fast richtig, aber nur fast. Zu jeder Wechselwirkung (ab jetzt WW), die durch eine Quantenfeldtheorie, also die Elektrodynamik, die durch die Quantenelektrodynamik, die schwache WW und die starke Wechselwirkung, die durch die Quantenchromodynamik (noch nicht 100%tig, aber fast) haben erhaltene Ladungen. Diese Ladungen beruhen auf Symmetrien der der Theorie zugrunde liegenden Lagrange-Dichte (das ist ein Funktional, aus dem sich mittels der Euler-Lagrange-Gleichung die Bewegungsgleichungen für die Felder/Teilchen der Theorie ableiten lassen).
Die konventionelle Antimaterie beruht auf der e.m. WW.
Die Lagrange-Dichte ist invariant unter einer U(1) Transformation (z.B. sind dies die Abbildungen z-> Exp[i a] z, mit einem Parameter a, z: eine beliebige komplexe Zahl)
Aufgrund dieser Transformation ist die elektrische Ladung erhalten und wir können nicht zwischen der WW zweier positiv und zweier negativ geladener Teilchen unterscheiden, solange die Ladung nur gleich groß ist (z.B. die WW zweier Elektronen ist nicht von der zweier Positronen zu unterscheiden)
Aus der Struktur der QED (eine genaue Herleitung findet man z.B. im Buch von Peskin und Schroeder "An Introduction to Quantumfield Theorie") auch Prozesse ableiten, wie Elektron und Positron gehen in ein Photon über. Dies nennt man Annihilation. Analog kann man einen Prozess ableiten, in dem ein Photon in ein Elektron und ein Positron übergeht.
Nun kann man sich analog auch zu den anderen beiden Welchselwirkungen dieselbe Betrachtung machen und bekommt z.B in der QCD drei Ladungen und drei entsprechende Antiladungen heraus (die Farbladungen), aber auf einen weitere Erklärung möchte ich hier verzichten und verweise auf Spezialliteratur.
Nun zu den Teilchen negativer Energie:
Die Teilchen negativer Energie sind mögliche Lösungen der Dirac- oder der Klein-Gordon Gleichung. Diese beiden Gleichungen waren die ersten Versuche, eine relativistische Verallgemeinerung der Quantenmechanik zu formulieren. Die Lösung dieser Gleichungen beinhalten allerdings Lösungen mit negativer Energie hervor, die man als Antiteilchen interpretieren musste.
Dieses Problem wurde konsistent mittels QFT gelöst.
So nun kommen wir als letzten großen Punkt der QFT, die "Vakuumsfluktuationen:
Es gibt eine Nullpunktsenergie in allen, die mir bekannt sind (skalare Klein Gordon, Dirac Theorie, QED-Loop-Prozesse, QCD-Loop-Prozesse divergiert, also geht gegen unendlich geht. Dies war ein Problem der frühen QED, als man die sog. Loop-Feyman-Diagramme gerechnet hat. Daraus entwickelte sich der Formalismus der Renormierung. Dieses Problem ist nicht einfach zu verstehen, er ist sogar sehr schwer zu verstehen, da es nicht anschaulich ist. Inzwischen ist das Problem durch die Renormierung gelöst, die nun eine Grundlage aller QFT ist (d.h. jede QFT muss renormierbar sein)
Nun verlassen wir die Quantentheorie und betrachten ein paar grundlegende Klassifikationen von Materie:
ist richtig. Als normale Materie bezeichnen wir Physiker alle Materie, die durch alle vier WW wechselwirkt (vorallem e.m. wir können sie also sehen).
Hier ist leider nur der erste Teil richtig. Seltsame Materie oder "Strange Matter" (hier als Eigenname zu verstehen, wie also Fritz, Hans, etc) sind auch Hadronen, die halt aus einem oder mehreren S-Quarks bestehen.
Die Herstellung solcher Teilchen ist quasi "buiseness as usual" in HEP- Experimenten. Desweiteren gibt es Modelle mit S-Quarks für Neutronensterne (die aber nur als Appetitanreger für Spezialliteratur oder sich einfach mal in eine Vorlesung für Nukleare Astrophysik an der Uni reinsetzen und geniessen
)
Entartete Materie:
Diese Materie besteht aus Fermionen ist bezeichnend für Materie, die die Zustände bis zur Fermikante ausfüllt. (wg Pauli Prinzip). Diese Materie ist schwer zu erklären und noch schwerer vorzustellen, daher bitte ein gutes Buch über statistische Physik zu rate zu ziehen oder PN mit E-Mail Adresse an mich, dann schicke ich ein PDF mit einer Rechung zurück, in der es hoffentlich klarer wird. Wir Physiker haben für die Art von Argumenation eine inoffiziellen Namen: HMr-Methode (Halts Maul und rechne- Methode [bitte nicht, also auf keinen Fall persönlich nehmen])
siehe Antimaterie
wieder leider auch nur fast richtig.
Bisher betrachten wir "Dunkle Materie" oder "Dark Matter" als Materie, die nur graviativ und schwach wechselwirkt.
Wenn es sie gibt, wäre das toll, aber bisher hat sie noch keiner in einem Experiment gesehen.
Es gibt in der QFT allerdings eine WW, die sogenannte Phi^4 Theorie, die tatsächlich einen negativen Parameter m² hat. Diese Theorie ist allerdings keine fundamentale Feldtheorie sondern nur eine effektive (ist im Peskin Schroeder relativ gut erklärt)
fast richtig, sie ist einfach Materie, die man immer mal wieder postuliert, wenn ein Experiment nicht zur aktuellen Theorie passt.
Wie sagt man so schön: "Irgendwann finden wir (also die Experimentalphysiker) sie alle!"
Nun als Abschluss: Die Grundgedanken, die zu einer Beschreibung der Gravitation durch die ART geführt hat:
Nun bitte alle quantentheoretischen Phänomene vergessen. Die ART, die wir verwenden ist eine nicht quantisierte Theorie und bisher ist es auch nicht gelungen, sie konsistent und renormierbar zu quantisieren.
Diese Aussagen sind nicht anschaulich zu verstehen, einen Einblick in die Probleme findet man mal wieder im Peskin Schroeder oder aber auch im Bich von Fliessbach: "Einführung in die ART" (vorallem beim Fliiessbach sollte mach schon sehr fit in Differentialgeometrie sein; also wesentlich mehr als wikipedia liefern kann; ich empfehle mindestens Grundvorlesungen bis zum Vordiplom oder äquivalente Literatur verstanden zu haben)
Der Grundgedanke der ART beruht auf dem Äquivalenzprinzip:
"In jedem beliebigen Graviationsfeld ist es möglich, ein [B]lokales B] Inertialsystem zu finden, so dass in einer hinreichend kleinem Umgebung um dieses System, die Gesetze der SRT gelten.
Wir können also die Graviation daduch beschreiben, indem wir den Wechsel zwischen den lokalen IS beschreiben.
Wenn wir nun an jedem Raum-Zeitpunkt ein lokales IS finden können, so finden wir an verschiedenen Raum-Zeit-Punkten verschiedene lokale IS, je nachdem, wie das lokale Graviationsfeld aussieht. Wenn wir nun diese lokalen IS zu einem kontinuierlichen Koordinatensystem zusammenfassen wollen, brauchen eine koordinatenabhängige Metrik, also einen "gekrümmten Raum".
Dies hört sich einfach an, ist aber mathematisch sehr schwierig darzustellen.
Damit ist für heute mal Schluss.
Sollte es Fragen geben, bitte entweder hier posten und ich versuche sie anschaulich zu erklären (liegt daran, dass ich nicht weiss, wie man hier Formeln posten kann; also falls das jemand weiss mir bitte sagen, dann werden die Worte auch mit Herleitungen gefüllt) oder mir einfach eine PN mit Ihrer E-Mail Adresse schicken, dann versuche ich möglichts zeitnah ein pdf mit einer Herleitung zu schicken.
Desweiteren sind viele Konzepte (z.B Austauschbosonen, Raumkrümmung, Renormierung, Antiteilchen, "Teilchen negativer Energie", Hawking Strahlung, etc) wesentlich komplizierter, als das man sie mit Anschauung erklären könnte.
Fangen wir einfach mal mit der Antimaterie an:
Wir definieren Antimaterie ja so, dass sie sich wie "normale" Materie verhält, nur das ihre Quantenladungszahlen im Vorzeichen umgekehrt sind und sie sich beim Kontakt mit Materie in reine Energie in Form von EM-Strahlung umwandelt.
leider fast richtig, aber nur fast. Zu jeder Wechselwirkung (ab jetzt WW), die durch eine Quantenfeldtheorie, also die Elektrodynamik, die durch die Quantenelektrodynamik, die schwache WW und die starke Wechselwirkung, die durch die Quantenchromodynamik (noch nicht 100%tig, aber fast) haben erhaltene Ladungen. Diese Ladungen beruhen auf Symmetrien der der Theorie zugrunde liegenden Lagrange-Dichte (das ist ein Funktional, aus dem sich mittels der Euler-Lagrange-Gleichung die Bewegungsgleichungen für die Felder/Teilchen der Theorie ableiten lassen).
Die konventionelle Antimaterie beruht auf der e.m. WW.
Die Lagrange-Dichte ist invariant unter einer U(1) Transformation (z.B. sind dies die Abbildungen z-> Exp[i a] z, mit einem Parameter a, z: eine beliebige komplexe Zahl)
Aufgrund dieser Transformation ist die elektrische Ladung erhalten und wir können nicht zwischen der WW zweier positiv und zweier negativ geladener Teilchen unterscheiden, solange die Ladung nur gleich groß ist (z.B. die WW zweier Elektronen ist nicht von der zweier Positronen zu unterscheiden)
Aus der Struktur der QED (eine genaue Herleitung findet man z.B. im Buch von Peskin und Schroeder "An Introduction to Quantumfield Theorie") auch Prozesse ableiten, wie Elektron und Positron gehen in ein Photon über. Dies nennt man Annihilation. Analog kann man einen Prozess ableiten, in dem ein Photon in ein Elektron und ein Positron übergeht.
Nun kann man sich analog auch zu den anderen beiden Welchselwirkungen dieselbe Betrachtung machen und bekommt z.B in der QCD drei Ladungen und drei entsprechende Antiladungen heraus (die Farbladungen), aber auf einen weitere Erklärung möchte ich hier verzichten und verweise auf Spezialliteratur.
Nun zu den Teilchen negativer Energie:
Die Teilchen negativer Energie sind mögliche Lösungen der Dirac- oder der Klein-Gordon Gleichung. Diese beiden Gleichungen waren die ersten Versuche, eine relativistische Verallgemeinerung der Quantenmechanik zu formulieren. Die Lösung dieser Gleichungen beinhalten allerdings Lösungen mit negativer Energie hervor, die man als Antiteilchen interpretieren musste.
Dieses Problem wurde konsistent mittels QFT gelöst.
So nun kommen wir als letzten großen Punkt der QFT, die "Vakuumsfluktuationen:
Es gibt eine Nullpunktsenergie in allen, die mir bekannt sind (skalare Klein Gordon, Dirac Theorie, QED-Loop-Prozesse, QCD-Loop-Prozesse divergiert, also geht gegen unendlich geht. Dies war ein Problem der frühen QED, als man die sog. Loop-Feyman-Diagramme gerechnet hat. Daraus entwickelte sich der Formalismus der Renormierung. Dieses Problem ist nicht einfach zu verstehen, er ist sogar sehr schwer zu verstehen, da es nicht anschaulich ist. Inzwischen ist das Problem durch die Renormierung gelöst, die nun eine Grundlage aller QFT ist (d.h. jede QFT muss renormierbar sein)
Nun verlassen wir die Quantentheorie und betrachten ein paar grundlegende Klassifikationen von Materie:
"normale/konventionelle" Materie (postiver Energieinhalt, beibehaltene Quantenladungszahlen; baryonische Materie aus der wahrscheinlich alle sichtbaren Körper im Universum bestehen)
"seltsame" Materie (gleiche Eigenschaften wie konventionelle Materie, besitzt aber Quantenladungszahl "Strangness" in postivier oder negativer Ausprägung, enthält also als Teilzustand /Bestandteil ein Strange-Quark, Sonderform auch bekannt als "Strangelet")
Die Herstellung solcher Teilchen ist quasi "buiseness as usual" in HEP- Experimenten. Desweiteren gibt es Modelle mit S-Quarks für Neutronensterne (die aber nur als Appetitanreger für Spezialliteratur oder sich einfach mal in eine Vorlesung für Nukleare Astrophysik an der Uni reinsetzen und geniessen
)
Entartete Materie:
Diese Materie besteht aus Fermionen ist bezeichnend für Materie, die die Zustände bis zur Fermikante ausfüllt. (wg Pauli Prinzip). Diese Materie ist schwer zu erklären und noch schwerer vorzustellen, daher bitte ein gutes Buch über statistische Physik zu rate zu ziehen oder PN mit E-Mail Adresse an mich, dann schicke ich ein PDF mit einer Rechung zurück, in der es hoffentlich klarer wird. Wir Physiker haben für die Art von Argumenation eine inoffiziellen Namen: HMr-Methode (Halts Maul und rechne- Methode [bitte nicht, also auf keinen Fall persönlich nehmen])
Antimaterie (postiver Energieinhalt/positive Masse, umgekehrte Quantenladungszahlen; zerstrahlt/annihiliert bei Kontakt mit dem gleichnamigen Gegenstück aus Materie in Photonen (elektromagnetische Energie))
"dunkle" Materie (postiver Energieinhalt/postiive Masse, unbekannte bzw möglichweise keine Quantenladungszahlen (weil nichtbaryonisch); unterliegt nicht dem Elektromagnetismus und nicht den 2 Kernkräften, unterliegt jedoch der Gravitationswechselwirkung)
Bisher betrachten wir "Dunkle Materie" oder "Dark Matter" als Materie, die nur graviativ und schwach wechselwirkt.
"imaginäre" Materie (imaginäre Masse/ imaginärer Energieinhalt, imaginäre oder keine Quantenladungszahlen; auch bekannt als "Tachyon", kann sich theoretisch schneller als das Licht bewegen, keine oder unbekannte Wechselwirkungen wie den vorhergehenden Materieformen)
Es gibt in der QFT allerdings eine WW, die sogenannte Phi^4 Theorie, die tatsächlich einen negativen Parameter m² hat. Diese Theorie ist allerdings keine fundamentale Feldtheorie sondern nur eine effektive (ist im Peskin Schroeder relativ gut erklärt)
"exotische" Materie (negative Masse/negativer Energieinhalt, beibehaltene Quantenladungszahlen; vernichte bei Kontakt mit dem gleichnamigen Gegenstück aus Materie diese, wobei keinerlei Energie freigesetzt wird)
Wie sagt man so schön: "Irgendwann finden wir (also die Experimentalphysiker) sie alle!"
Nun als Abschluss: Die Grundgedanken, die zu einer Beschreibung der Gravitation durch die ART geführt hat:
Nun bitte alle quantentheoretischen Phänomene vergessen. Die ART, die wir verwenden ist eine nicht quantisierte Theorie und bisher ist es auch nicht gelungen, sie konsistent und renormierbar zu quantisieren.
Diese Aussagen sind nicht anschaulich zu verstehen, einen Einblick in die Probleme findet man mal wieder im Peskin Schroeder oder aber auch im Bich von Fliessbach: "Einführung in die ART" (vorallem beim Fliiessbach sollte mach schon sehr fit in Differentialgeometrie sein; also wesentlich mehr als wikipedia liefern kann; ich empfehle mindestens Grundvorlesungen bis zum Vordiplom oder äquivalente Literatur verstanden zu haben)
Der Grundgedanke der ART beruht auf dem Äquivalenzprinzip:
"In jedem beliebigen Graviationsfeld ist es möglich, ein [B]lokales B] Inertialsystem zu finden, so dass in einer hinreichend kleinem Umgebung um dieses System, die Gesetze der SRT gelten.
Wir können also die Graviation daduch beschreiben, indem wir den Wechsel zwischen den lokalen IS beschreiben.
Wenn wir nun an jedem Raum-Zeitpunkt ein lokales IS finden können, so finden wir an verschiedenen Raum-Zeit-Punkten verschiedene lokale IS, je nachdem, wie das lokale Graviationsfeld aussieht. Wenn wir nun diese lokalen IS zu einem kontinuierlichen Koordinatensystem zusammenfassen wollen, brauchen eine koordinatenabhängige Metrik, also einen "gekrümmten Raum".
Dies hört sich einfach an, ist aber mathematisch sehr schwierig darzustellen.
Damit ist für heute mal Schluss.
Sollte es Fragen geben, bitte entweder hier posten und ich versuche sie anschaulich zu erklären (liegt daran, dass ich nicht weiss, wie man hier Formeln posten kann; also falls das jemand weiss mir bitte sagen, dann werden die Worte auch mit Herleitungen gefüllt) oder mir einfach eine PN mit Ihrer E-Mail Adresse schicken, dann versuche ich möglichts zeitnah ein pdf mit einer Herleitung zu schicken.
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