P 106: Von nackten und nassen Hunden oder Zurück in die Zukunft IV

 Wir haben in E1 mit den über 400 Jahre alten Vorstellungen von Galilei und Newton begonnen. Jetzt sind wir bei der besten und genauesten Theorie der Pyhsik angekommen, der QED. Die Erweiterung zu einer allgemeinen QFT ist noch nicht abgeschlossen...da könnt ihr euch noch austoben.

18.4 Quantenelektrodynamik

Die ersten Versuche, Felder durch Quanten zu beschreiben, sind schon 1927 von Dirac, Pauli und Jordan unternommen worden. Sie scheiterten daran, dass in ihren Formeln unendlich große Summanden auftraten.

Nach 1945 hatten Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger und S. Tomonaga eine bahnbrechende Idee:

Man lässt einfach die unendlich großen Summanden weg und rechnet mit dem Rest weiter.

Ich gebe zu, das ist etwas respektlos formuliert, aber letztlich ist es das, auch wenn sehr viel mehr Mathematik und Theorie dahintersteht und die Bezeichnung "Renormierung" etwas professioneller klingt.

 

1965 erhielten Feynman, Schwinger und Tomonaga dafür den Nobelpreis für Physik. Dyson ging leer aus. Er starb im März 2020 im Alter von 96 Jahren.

 Wer sich mehr mit der QED beschäftigen will: Richard Feynman hat ein sagenhaftes Taschenbuch ohne jegliche Formeln dazu geschrieben:

 

 

 

 

 

Wir wollen einige Ergebnisse festhalten:

1) Feld einer elektrischen Ladung

Das elektrische Feld einer elektrischen Ladung besteht aus Photonen. Diese tauchen unter Verletzung des Energieerhaltungssatzes, erlaubt durch die Unbestimmtheitsbeziehung von Energie und Zeit  in chaotischer Folge aus dem Vakuum heraus auf (Vakuumfluktuation). Was das eigentliche Elektron ist, wissen wir nicht. Es ist nicht nur von dieser ständig wechselnden Wolke aus Photonen umgeben. Auch Paare aus Elektronen und Positronen können kurzzeitig auftauchen. Sie sorgen dafür dass das Vakuum um das "nackte" Elektron herum elektrische und magnetische Eigenschaften bekommt, man sagt, es sei polarisierbar So entstehen die Feldkonstanten.

2) Kraftvermittlung

Wenn eines dieser Photonen während seiner Existenz zu einer anderen Ladung gelangt, verschwindet Energie aus dem Vakuum der ersten Ladung und taucht im Vakuum der zweiten Ladung auf. das nennen wir eine Kraftwirkung.

3) Coulombsches Gesetz

Die elektrische Kraft nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab:

Riedgymnasium

 

Das kann man mit der Unbestimmtheitsbeziehung erklären: 

 ΔE * Δt = h

Für eine starke Kraft braucht man energiereiche Photonen. Die können aber nur kurze Zeit   Δ t existieren. In dieser Zeit kommen sie nur die Strecke s = c * Δ t weit.

Energiearme Photonen (für schwache Kräfte) können länger existieren, die kommen weiter.

Das kann man mit einfacher Mathematik durchrechnen und kommt zum Coulombschen Gesetz.

4)  Dipole strahlen EMW ab:

Beschleunigte elektrische Ladungen strahlen EMW ab.

Wir kennen das vom Dipol. Im Dipol schwingen Elektronen hin- und her. Dabei schütteln sie ständig ihre Photonenwolke ab:

 

Physik Uni München

Die Photonenwolke eines Elektrons ist träge (Photonen haben ja eine Masse). Wird das mitten in ihr stehende Elektron beschleunigt, so bleibt die Photonenwolke zurück und fliegt als EMW weiter. Das Elektron verliert Energie. Deshalb ist ja die Schwingung eines Dipols gedämpft und wir müssen durch die Meißnersche Rückkopplungsschaltung im richtigen Moment wieder Energie zuführen.

Ihr könnt das im Sommer ausprobieren: Schmiert euch mit Honig ein und wartet neben einem Bienenstock. Die Bienen werden euch umschwärmen wie die Photonen ihr Elektron.

 Was müsst ihr machen, wenn ihr die Bienen loswerden wollt?

Im Zick-Zack weglaufen... 

 

 

 

Auch in Magnetfeldern kreisende (das sind ja beschleunigte) Elektronen strahlen eine EMW ab. Das nennt man Synchrotronstrahlung. Sie verläuft logischerweise tangential zur Kreisbahn der Elektronen.

wikipedia

Das Entstehen einer EMW durch eine Bescheunigung der Ladung und der Trägheit der Photonenwolke kann man sehr schön durch dieses Bild veranschaulichen:

 

Erklärt mal an diesem Bild die Analogie...

Und wenn ihr wissen wollt, wie ein "nacktes" Elektron aussieht:

5) Die berühmten Feynman-Diagramme

Zum Abschluss noch ein Blick auf eines der Feynman-Diagramme. Richard Feynman ist es gelungen seitenlange Rechnungen der QED durch Diagramme zu veranschaulichen, mit denen man Vorgänge in   der Natur rekosntruieren kann. Die Zeit wird nach rechts, der Ort nach oben aufgetragen.

Hier sehen wir:

Ein Elektron trifft mit seinem Antiteilchen Positron zusammen. Beide vernichten sich zu einem Photon. Das Photon wandelt sich in ein Paar aus Müon und Antimüon um.

 

 Feynman hat diese Interpretation bevorzugt:

Ein Elektron sendet ein Photon aus und fliegt in die Vergangenheit zurück. Das Photon  trifft auf ein aus der Zukunft kommendes Müon und schleudert es in die Zukunft zurück.

Wem hier jetzt nicht das Herz klopft, der hat nicht begriffen, was Feynman hier sagt...