Licht: Welle oder Teilchen?

[Querkopf]

Ich denke, so etwas gibt es schon. Denk dir das untenstehende Feynmandiagramm für die Delbrück-Streuung in der Senkrechten halbiert sodass das e- e+ Paar reell wird und ausläuft.
Ich wüsste nichts, was kinematisch gegen so einen Prozess spricht, wenn denn die beiden Photonen die entsprechende Schwellenergie zur Paarerzeugung überschreiten.
Gruß,
Uli

Du hast schon recht, ich war etwas zu sehr auf den effektiven Fall niedriger Energien fixiert. Wobei das beste Argument wäre das es ja Paarvernichtung gibt und bei genügend Energie der umgekehrte Prozess immer möglich sein sollte.

Die folgende Graphik zeigt Feynman-Diagramm von Bildung und Zerfall eines Photons!

Es zeigt die Streuung eines Elektron - Positron Paares in erster Ordnung Störungstheorie (Coulombwechselwirkung). Das Photon ist Einwechselwirkungsteilchen, dient also der Mathematischen Beschreibung des Prozesses.

Feynmandiagramme sind graphische Darstellungen der störungstheoretischen Behandlung von QFTheorien (nicht bloss relativistischer, sondern es gibt sie z.B. auch in der Statistischen Physik die im Gleichgewichtsfall auch eine QFT ist). Sie folgen aus dem Mathematischen Apparat dieser Theorien (es ist sehr viel Mathematik notwendig um zu beweisen, dass ich das machen kann: Stichwort wäre z.B. Wick’s Theorem). Eine Interpretation außerhalb des Apparates der QFT ist daher sinnlos.

Ich kann nicht erst 150 Seiten aus einem Buch nehmen, dann mit diesem Wissen einen Prozess über virtuelle Photonen beschreiben und dann sagen: Ätschibätsch, das interessiert mich alles nicht mehr, ich sage jetzt, das meine Photonen real sind und sowieso was ganz anderes als das was ich benutzt habe um sie herzuleiten. Das geht nicht. Wer A sagt muss auch B sagen. Wenn ich A sage das am Fundament z.B. der QED etwas falsch ist, kann ich bei B keine Feynman Diagramme aus der QED benutzen, denn dann bin ich im Widerspruch zu A.

Hallo Querkopf,
"Die Teilchenzahl muss nicht erhalten bleiben!"
Diese Aussage widerspricht meinem Verständnis der "Naturtheorie".
Gibt es für die Aussage experimentelle Beweise? Nämlich, dass sich die Teilchenzahl (=Zahl der Teilchen) ändert? Für mich gibt es nur Umwandlung.

Es gibt viele Theorien in denen die Teilchenzahl nicht erhalten bleib. Typischerweise z.B. in der Thermodynamik oder statistischen Physik.
Wenn ich ein Gasgemisch auf Molekülebene betrachte (also eine effektive Theorie) kann ich neben Energieaustausch oder Volumenänderung auch chemische Prozesse haben, die die Zahl meiner Moleküle ändern. Natürlich habe ich da den Fall, das ich wenn ich all die Elektronen und Quarks der Moleküle zahlen würde wieder Teilchenzahlerhaltung hätte.
Ähnliches habe ich bei anderen effektiven Theorien, z.B. in einem Supraleiter ist die Zahl der Cooperpaare keine Erhaltungsgröße (die der Elektronen allerdings schon), ich muss nur ein bisschen Wärme zuführen.

In der QFT aber auch in der Vielteilchenquantenmechanik beschreibe Wechselwirkungen über Teilchenerzeugung und Vernichtung. Das ist mein mathematischer Apparat. Ich kann mir in diesem Apparat einfach einen Operator definieren, der meine Teilchenzahl misst. Dann kann ich untersuchen ob diese erhalten bleibt (das kann ich alles mathematisch zeigen). Das ist für viele Systeme nicht der Fall.
Man darf sich unter einem Teilchen halt kein kleines Kügelchen vorstellen, sondern es ist in diesem Theoriegebäude ein Anregungszustand vermittelt durch einen Erzeugungsoperator.
Dieses Theoriegebäude beschreibt die Experimente. In der klassischen Mechanik kann ich z.B. die Streuung zweier Massepunkte aneinander beschreiben. Diese ändern ihre Energie und ihren Impuls. Wenn ich aber Beschleunigerexperimente mache und zwei Teilchen aufeinander schieße, dann habe ich bei höheren Energien nicht mehr nur eine Streunung, sondern meine Teilchen können in einem Feuerwerk in einen ganzen Haufen völlig anderer Teilchen mit anderen Eigenschaften und anderen Wechselwirkungen. Das bedeutet ich brauche eine Theorie die mir aus 2 Teilchen 25 machen kann und dabei auch noch sagt, wie lange die Lebensdauer ist, welche Energien die Teilchen haben und in welchem Winkel sie auseinanderfliegen. Das ist das was QFT leisten kann, Systeme mit vielen Freiheitsgraden und veränderlicher Teilchenzahl (und Art) qualitativ aber eben auch quantitativ zu beschreiben.

Ich treffe aber immer nur Aussagen innerhalb eines Theoriegebäudes. Ich kann z.B. die Starke Kernkraft auf der Ebene von Nukleonen als QFT beschreiben. Meine Nukleonen haben natürlich einen Substruktur, aber diese ist auf bestimmten Energieskalen nicht relevant (durch fleißiges Quak zählen ist also möglicherweise die ein oder andere Verletzung der Teilchenzahl zu verhindern).

Deine Idee ist ungefähr die, das es ganz kleine Subbausteine gibt und wenn ich Teilchen vernichte und neue erzeuge werden nur die Grundbausteine neu zusammengesetzt. Das ist die alte griechische Idee de unteilbaren Atomos, die sich aber in der Entwicklung der modernen Physik als nicht sehr nützlich herausgestellt hat.

Es gibt eine schone Schilderung von Feynman wie er vergeblich versucht seinem Vater Emissions – Absorptions Prozesse im Wasserstoffatom zu erklären. Nicht nur in er klassischen Theorie, sondern auch in der QM ist das äußerst mysteriös.
Man muss sich das mal vorstellen. Ich habe ein Elektron mit einer gewissen Energie irgendwo und überall um mein Proton. Nun kommt plötzlich ein Photon daher und trifft auf mein Elektron und das befindet sich plötzlich (tatsächlich Oszilliert es erst ein bisschen zwischen zwei Niveaus) auf einem Energieniveau. Frage: Wo ist mein Photon geblieben? Schlimmer noch. Nach geraumer Zeit Emittiert das Elektron wieder ein Photon und fällt auf das ursprüngliche Niveau zurück. Wo kommt plötzlich ein Photon her? Hat das Elektron einen Photonensack in dem es die Photonen einsammelt und nach geraumer Zeit wieder freilässt? Es gibt keine Mechanismus in der klassischen Physik oder der QM der dieses verschwinden und wiederauftauchen des Photons erklärt.
Man kann sich folgendes Paradoxes Experiment vorstellen.
Man nehme ein Positronium, also ein Wasserstoffähnliches Atom aus einem Elektron und einem Positron. Diese Atom hat eine begrenzte Lebensdauer, aber diese ist lang genug um Spektroskopie an ihm zu betreiben. Es gibt Universitäten, in denen Studenten das im Fortgeschrittenen Praktikum machen, es handelt sich also um keinen ganz Exotischen Versuchsaufbau.
Nun regen wir das Atom folgendermaßen an (wenn man genügend versuche macht, wird es irgendwann klappen). Wir regen es durch Absorption von Photonen zunächst in den ersten, dann in den zweiten, dann in den dritten und am ende in den vierten angeregten Zustand. Da stecken jetzt vier Photonen drin. Dann warten wir, bis es spontan unter Emission eines Photons in den Grundzustand zurückfällt. Wir haben also nur noch drei Photonen gespeichert. Das Spielchen machen wir so lange, bis unser Positronium in einem Blitz zu zwei Photonen zerstrahlt. Frage: Wo sind unsere gespeicherten Photonen geblieben????? Sind Photonen aus Photonen aufgebaut?
Das kann nicht sein, den Photonen scheinen praktisch nicht miteinander Wechselzuwirken. Licht unterschiedlicher Frequenz lässt sich durch Filter immer wieder trennen und üblicherweise gilt das Superpositionsprinzip.

Wenn ich jetzt wie jemand hier annehme, meine Photonen wären Elektron -Positron Paare, ist mein Problem noch gravierender. Mein Photon kann plötzlich aus einem Kollektiv von beliebig vielen Elektronen und Positronen bestehen, die zu allem Unglück geladen und recht massiv sind.
Der Mechanismus der QED sieht das Erzeugen und Vernichten von Teilchen als wesentlicher Teil seines Mathematischen Apparates vor und umgeht damit (unbeabsichtigt und völlig gratis) solcherlei Probleme.