[TomS]

Felder sind gemäß der Quantenfeldtheorie die "Träger von Anregungen", die sich als Teilchen manifestieren können, jedoch nictn müssen. Ein Photon ist zum Beispiel der elementare Anregungszustand des elektromagnetischen Feldes (quantenfeldtheoretisch verstanden). Das klassische elektromagnetische Feld (wie zum Beispiel Sonnenlicht, Funkwellen) entspricht einem Zustand, der eine große Zahl von Anregungen enthält und sich damit in gewisser Weise klassisch verhält, also oft durch elektromagnetische Wellen beschrieben werden kann. Auch statische Felder wie zum Beispiel das elektrische Feld in einem Kondensator können als Anregungszustand des elektromagnetischen Feldes (quantenfeldtheoretisch verstanden) angesehen werden, auch wenn dieses statische Feld nicht auf Photonen im Sinne von Teilchen zurückgeführt werden kann. Das mathematische Konzept der Quantenfeldtheorie ist allgemeiner gehalten und bringt diese unterschiedlichen Erscheinungen unter einen Hut.

Ein wichtiger Begriff im Rahmen der Quantenfeldtheorie ist das sogenannte "Vakuum". Üblicherweise versteht man darunter die Abwesenheit von Anregungen und zugleich den niedrigsten Energiezustand. Dies trifft zum Beispiel auf das elektromagnetische Feld zu: im Vakuum existieren keine Photonen, keine elektromagnetische Wellen, auch keine statischen elektrischen oder magnetischen Felder; die Energie ist minimal (Null). Für andere Felder muss dies nicht gelten: Zum Beispiel enthält der energetisch niedrigste Zustand des Higgsfeldes zwar keine Higgsteilchen, jedoch ein konstantes Higgsfeld; eine Verringerung der Feldstärke würde zu einer Erhöhung der Energie führen (im Gegensatz zum elektrischen Feld hat dieses Higgsfeld keine Richtung und verursacht keine Kraft). Wenig bekannt ist, dass auch Quark- und Gluonfelder im Zustand niedrigster Energie einen von Null verschiedenen Wert aufweisen, jedoch ebenfalls keine teilchenartigen Anregungen aufweisen; dieser Zustand ist tatsächlich außerhalb von Hadronen realisiert. D.h. im Allgemeinen existieren zwei Definitionen von "Vakuum": i) vollständige Abwesenheit des Feldes sowie ii) Zustand niedrigster Energie. I.A. sind diese beiden Definitionen nicht mehr äquivalent; der Zustand niedrigster Energie, der im uns bekannten Vakuum realisiert ist, enthält zwar keine teilchenartigen Anregungen, jedoch im allgemeinen eine konstante Anregung des Feldes.

Noch eigenartig wird es, wenn man sich mit der mathematischen Beschreibung des Vakuums = des Zustandes niedrigster Energie befasst. Zwar enthält dieser Zustand keine teilchenartige Anregung, jedoch Paare teilchenartiger Anregungen, sogenannte Vakuumfluktuationen. D.h., zum Beispiel ist die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron jedoch kein Positron im Vakuum zu finden, exakt Null, jedoch die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron und ein entsprechendes Positron zu finden, ungleich Null. Dies gilt auch für andere Felder. Man darf diesen mathematischen Formalismus nicht zu sehr anschaulich interpretieren; zwar erhält man daraus die korrekte Vorhersage von Messergebnissen, jedoch ist ein anschauliches Bild oft nicht möglich.

Beobachtbare Konsequenzen: Der nicht-verschwindende Wert des Higgsfeldes verleiht bestimmten Elementarteilchen ihre Masse. Die nicht-verschwindenden Quark- und Gluonfelder sind ein Resultat der spontanen Brechung einer Symmetrie; in der Folge sind acht Mesonen (u.a. das Pionen) nahezu masselos (verglichen mit schweren Mesonen und Baryonen wie zum Beispiel Proton und Neutron). Vakuumfluktuationen im Rahmen der QED kennt man aus dem Casimir-Effekt und der Lamb-Shift. Auch der (nicht nachweisbare) Hawking-Effekt = die thermische Strahlung schwarzer Löcher wird mittels inäquivalenter Vakuumzustände und Vakuumfluktuationen berechnet.

Anmerkung - weil das oft verwechselt wird: "Vakuumfluktuationen" sind ein recht schwammiger Begriff. Der Begriff der "virtuellen Teilchen" wird damit oft in eine Topf geworfen, obwohl letzterer mathematisch präzise definiert ist; die Hawkingstrahlung hat nichts mit diesen virtuellen Teilchen zu tun, auch wenn das oft anders erzählt wird.