Tauchen virtuelle Partikel wirklich ständig in und aus der Existenz auf? Oder sind sie nur ein mathematisches Buchhaltungsgerät für die Quantenmechanik?
Gordon Kane, Direktor des Michigan Center for Theoretical Physics an der University of Michigan in Ann Arbor, gibt diese Antwort.
Virtuelle Teilchen sind in der Tat reale Teilchen. Die Quantentheorie sagt voraus, dass jedes Teilchen auf alle möglichen Arten einige Zeit als Kombination anderer Teilchen verbringt. Diese Vorhersagen sind sehr gut verstanden und getestet.Die Quantenmechanik erlaubt und erfordert in der Tat vorübergehende Verletzungen der Energieerhaltung, so dass ein Teilchen zu einem Paar schwererer Teilchen (den sogenannten virtuellen Teilchen) werden kann, die sich schnell wieder in das ursprüngliche Teilchen vereinigen, als wären sie nie da gewesen. Wenn das alles wäre, wären wir immer noch zuversichtlich, dass es ein realer Effekt war, weil es ein intrinsischer Teil der Quantenmechanik ist, die extrem gut getestet ist und eine vollständige und eng verwobene Theorie ist – wenn irgendein Teil davon falsch wäre Die ganze Struktur würde zusammenbrechen.Aber während die virtuellen Teilchen kurzzeitig Teil unserer Welt sind, können sie mit anderen Teilchen interagieren, und das führt zu einer Reihe von Tests der quantenmechanischen Vorhersagen über virtuelle Teilchen. Der erste Test wurde in den späten 1940er Jahren verstanden. In einem Wasserstoffatom sind ein Elektron und ein Proton durch Photonen (die Quanten des elektromagnetischen Feldes) miteinander verbunden. Jedes Photon wird einige Zeit als virtuelles Elektron plus sein Antiteilchen, das virtuelle Positron, verbringen, da dies durch die Quantenmechanik wie oben beschrieben erlaubt ist. Das Wasserstoffatom hat zwei Energieniveaus, die zufällig die gleiche Energie zu haben scheinen. Aber wenn sich das Atom in einer dieser Ebenen befindet, interagiert es anders mit dem virtuellen Elektron und Positron als in der anderen, so dass sich ihre Energien aufgrund dieser Wechselwirkungen ein wenig verschieben. Diese Verschiebung wurde von Willis Lamb gemessen und die Lamb-Verschiebung wurde geboren, für die schließlich ein Nobelpreis verliehen wurde. Quarks sind Teilchen ähnlich wie Elektronen, unterscheiden sich aber darin, dass sie auch über die starke Kraft interagieren. Zwei der leichteren Quarks, die sogenannten „Up“ – und „Down“ -Quarks, binden sich zu Protonen und Neutronen zusammen. Das „Top“ -Quark ist das schwerste der sechs Quarktypen. In den frühen 1990er Jahren war es vorhergesagt worden, aber in keinem Experiment direkt gesehen worden. Am LEP-Collider am Europäischen Teilchenphysiklabor CERN wurden Millionen von Z-Bosonen – den Teilchen, die neutrale schwache Wechselwirkungen vermitteln – erzeugt und ihre Masse sehr genau gemessen. Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt die Masse des Z-Bosons voraus, aber der gemessene Wert unterschied sich ein wenig. Dieser kleine Unterschied könnte in Bezug auf die Zeit erklärt werden, die das Z als virtuelles Top-Quark verbrachte, wenn ein solches Top-Quark eine bestimmte Masse hatte. Als die Top-Quark-Masse einige Jahre später am Tevatron Collider am Fermi National Accelerator Laboratory in der Nähe von Chicago direkt gemessen wurde, stimmte der Wert mit dem aus der virtuellen Partikelanalyse erhaltenen überein und lieferte einen dramatischen Test für unser Verständnis virtueller Partikel.Ein weiterer sehr guter Test, den einige Leser vielleicht nachschlagen möchten, den wir hier nicht beschreiben können, ist der Casimir-Effekt, bei dem Kräfte zwischen Metallplatten im leeren Raum durch das Vorhandensein virtueller Partikel modifiziert werden.Virtuelle Teilchen sind also tatsächlich real und haben beobachtbare Effekte, die Physiker Messmethoden entwickelt haben. Ihre Eigenschaften und Konsequenzen sind gut etablierte und gut verstandene Konsequenzen der Quantenmechanik.