An welchem Punkt verwandelt sich die von einem Atom emittierte Energie in ein Photon um, das sich dann mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt? Wie nimmt das Photon seine Geschwindigkeit auf?
Ein Atom emittiert selbst überhaupt keine Energie. In der Quantenfeldtheorie
(QFT) gibt es nur noch (quantisierte) Feld
er, so dass jedem Raumpunkt ein Skalar, ein Vektor oder Tensor
/ Spinor
zugeordnet wird (die Temperaturverteilung im Raum wäre ein Beispiel für ein skalares Feld, die Geschwindigkeitsverteilung in einer Flüssigkeit wäre ein Vektorfeld und in der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Krümmung der Raumzeit durch ein noch höherdimensionales Tensorfeld dargestellt). Die Größen an jedem dieser Raumpunkte entsprechen nun Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren, d. h. die Anwendung eines solchen Operator
s auf den Vakuumzustand
führt zur Bildung eines Teilchens bzw. seines Antiteilchens.
Man unterscheidet zusätzlich zwischen Bosonenfeldern für Teilchen mit ganzzahligem Spin
wie dem Photon, dem Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, und den Fermionenfeldern für Teilchen mit halbzahligem Spin wie dem Elektron, einem Träger der elektrischen Ladung.
Ein Elektron ist nun lediglich eine quantisierte Anregung des Elektronenfelds (bzw. die Anregung des Elektronenfelds führt erst zur Bildung eines Elektrons an einem bestimmten Ort). Das (fermionische) Elektronenfeld koppelt an das der elektrischen Ladung zugehörige Bosonenfeld, nämlich das elektromagnetische (die Stärke dieser Kopplung wird in der Physik durch die Feinstrukturkonstante
~1/137 bestimmt). Durch diese Kopplung können Anregungen von einem Feld auf das andere überspringen. Man kann sich das wie bei Musikinstrumenten vorstellen. Wenn ich auf einem Klavier exakt die Note spiele, welche auch der Frequenz einer Gitarrensaite entspricht, so beginnt diese in Resonanz zu schwingen. Energie ist also von der Klaviersaite auf die Gitarrensaite übergegangen (in der Quantentheorie sind die Anregungen und damit die Energieübertragungen der Saiten aber nicht beliebig, sondern treten nur quantisiert auf).
(Quelle: A Children’s Picture-book Introduction to Quantum Field Theory[1] )
Die Quantenfelder selbst hingegen kann man als gekoppelte Federn im 3-dimensionalen Raum auffassen. Durch diese Kopplung breitet sich eine Anregung im elektromagnetischen Feld sofort in alle Richtungen aus (lokalisierte Teilchen entstehen erst durch die konstruktive Überlagerung vieler solcher Anregungen, so dass sie an einem bestimmten Ort eben nur noch erzeugt und nicht mehr zerstört werden). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im elektromagnetischen Feld ist immer die Lichtgeschwindigkeit (sie kann aber durch zeitintensive Erzeugungs- und Vernichtungsprozesse von Photonen bzw. durch Streuung usw. in Medien geringer erscheinen). Hier muss also keine Geschwindigkeit aufgenommen werden und die Energie des angeregten Elektrons bewegt sich in Form eines Photons mit eben jener Geschwindigkeit, sobald die Anregung in das elektromagnetische Feld vollständig übertragen worden ist. Der Grund, dass sich Photonen überhaupt mit Lichtgeschwindigkeit bewegen können bzw. sogar müssen, liegt darin, dass Photonen nicht vollständig mit dem Higgs-Feld
in Wechselwirkung treten und so keinen Masseterm verliehen bekommen[2] .
(Durch die Heisenbergsche Unschärferelation
besitzt selbst das Vakuum, und damit jedes darin enthaltene Feld, einen minimalen Energiezustand. Aus dieser Energie werden ständig (virtuelle) Teilchen-Antiteilchen-Paare durch die bereits erwähnten Feldoperatoren
erzeugt und vernichtet. Erst wenn man es schafft diese Erzeugungsprozesse von den Vernichtungsprozessen durch Interferenz räumlich zu trennen enstehen die für uns realen Teilchen, wobei man sagen muss, dass selbst die Existenz von diesen vom Beobachter abhängig sein kann[3] . Die Paarerzeugung
von Elektron und Positron stellt eine solche Trennung von Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren dar. Bringe ich beide Operatoren wieder zusammen, so neutralisieren sie sich gegenseitig und die freiwerdende Energie kann auf andere Felder wie das elektromagnetische in Form von Photonen übergehen.)
Eine leicht verständliche Einführung in die Welt der Quantenfeldtheorie findet man in dem Buch Brooks, Fields of Color oder speziell für Quantenelektrodynamik bei Feynman, The Strange Theory of Light and Matter.
Anspruchsvollere Literatur hingegen wäre:
Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model
Peskin, An Introduction to Quantum Field Theory
Klauber, Student Friendly Quantum Field Theory
Dyson, Quantenfeldtheorie (deutschsprachig)
Cohen-Tannoudji et al., Photons and Atoms - Introduction to Quantum Electrodynamics
Zee, Quantum Field Theory in a Nutshell
Fußnoten
[1] A Children’s Picture-book Introduction to Quantum Field Theory
[2] Why don’t photons interact with the Higgs field?
[3] Probing the Unruh effect with an accelerated extended system