Was sagt die Quantenfeldtheorie aus (bitte keine fachspezifische Sprache, denn ich habe mich noch nicht so mit dem Thema auseinandergesetzt)?
In der Physik unterscheidet man grob zwischen Teilchen und Feldern. Ein Elektron besitzt z. B. eine elektrische Ladung und erzeugt deswegen ein elektromagnetisches Feld. Anfang des 20. Jahrhundert beschrieben Schrödinger und Heisenberg die Bewegung von einzelnen Teilchen im Mikrokosmos. Hier treten Welleneigenschaften und quantisierte Wirkungen in den Vordergrund. Man beschreibt hier quantenmechanisch einzelne Teilchen. Die Felder hingegen blieben erstmal noch klassisch.
Will man nun auch noch die Felder quantisieren (
→
Quantenfelder, Zweite Quantisierung
), benötigt man eine Methode, um Vielteilchensysteme beschreiben zu können. Ein Elektron sendet und absorbiert eigentlich ständig (virtuelle) Photonen, so dass man die Erzeugung und Vernichtung von Austauschteilchen
berücksichtigen muss. Während in der Quantenmechanik die zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion, also der Aufenthaltswahrscheinlichkeit einzelner Teilchen, direkt beschrieben wird, geht die Quantenfeldtheorie indirekter vor. Man betrachtet die Entwicklung von Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren, welche man dann erst auf den Vakuumgrundzustand anwendet. Ein Erzeugungsoperator auf das Vakuum angewandt erhöht die Teilchenzahl um eins (im Falle des elektromagnetischen Feldes entsteht also ein Photon), während ein Vernichtungsoperator die Teilchenzahl senkt.
Man kann sich die Quantenfelder wie eine Vielzahl an gekoppelten Federn im Raum vorstellen. Durch die elektrische Ladung ist ein Elektron z. B. an das elektromagnetische Feld gekoppelt. Sendet es ein Photon aus, gibt es einen Teil seiner Energie an das EM-Feld ab. Eine dieser Federn beginnt zu schwingen und da alle Federn im Raum gekoppelt sind, breitet sich diese Schwingung eben wellenförmig aus (wie sich auch eine Schwingung im Teich als Welle ausbreitet, wenn man an einer Stelle einen Stein reinwirft). Diese Schwingungen und Wellen sind nun allerdings quantisiert, so dass eine Mindestenergie benötigt wird, um sie anzuregen. Ein Photon ist z. B. eine quantisierte Anregung im elektromagnetischen Feld.
Die quantenphysikalische Beschreibung des elektromagnetischen Feldes bezeichnet man als Quantenelektrodynamik
(hier werden elektrische Ladungen und Photonen betrachtet) und die Quantenfeldtheorie ist die Verallgemeinerung auf andere Felder (die Quantenchromodynamik
betrachtet z. B. die starke Wechselwirkung und damit Farbladungen und Gluonen; auch die normalen Teilchen werden später als Felder betrachtet).
Die Kernaussage der Quantenfeldtheorie wäre, dass Felder aus gekoppelten Oszillatoren bestehen, deren Schwingungen allerdings quantisiert sind. Es treten hier explizit Erzeugungs- und Vernichtungsprozesse in Erscheinung und Anregungen breiten sich wellenförmig. Obwohl man sich die Ausbreitung zwar als Welle vorstellen sollte, führt ein Messprozess dazu, dass die gesamte Energie wieder an einer Stelle im Raum entnommen werden kann. Hier zeigt sich dann der Teilchencharakter des Feldes (ein Elektron erzeugt z. B. ein Photon, welches sich wellenförmig ausbreitet, aber später wieder mit seiner gesamten Energie an einem anderen Ort festgestellt werden kann).