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Sternengeschichten Folge 247: Die fundamentalen Felder

In der heutigen Folge der Sternengeschichten geht es um Felder. Die haben allerdings nichts mit Landwirtschaft zu tun – obwohl es da auch durchaus einige Verbindungen zur Astronomie geben würde. Aber heute möchte ich von den Feldern der Physik erzählen. Und die sind wichtiger als man vielleicht zuerst denken möchte.

Wenn wir an die fundamentalen Eigenschaften des Universums denken, dann denken wir meistens an Moleküle und Atome. An Elementarteilchen und physikalische Grundkräfte. Denn die werden ja nicht umsonst “elementar” genannt. Es geht um die Grundbausteine der Materie und um die Kräfte die zwischen diesen Bausteinen wirken. Und zwangsläufig stellen wir uns diese Objekte eben als Bausteine vor, als kleine Einheiten von Materie; vielleicht sogar als kleine Kügelchen so wie man sie in den populären Darstellungen sehen kann. Diese Vorstellung ist zwar manchmal durchaus nützlich – aber nicht immer frei von Problemen.

Das Standardmodell der Teilchenphysik - beschreibt eigentlich keine Teilchen...

Das Standardmodell der Teilchenphysik – beschreibt eigentlich keine Teilchen…

Zum Beispiel wenn es um eine alte und klassische Frage in der Physik geht: Ist Licht ein Strom aus Teilchen? Oder ist Licht eine Welle? Darüber haben die Physiker Jahrhunderte lang gestritten. Isaac Newton war zum Beispiel fest davon überzeugt, dass man Licht nur verstehen kann, wenn man es sich als Strom von kleinen “Lichtteilchen” vorstellt. Sein Zeitgenosse, der niederländische Physiker Christiaan Huygens dagegen war der Meinung man kann Licht nur als Welle verstehen und nur so Phänomene wie die Lichtbeugung erklären, bei der Licht auch Bereiche des Raums erreichen an die es eigentlich auf geradem Weg nicht gelangen könnte.

Newton war wesentlich berühmter als Huygens und deswegen setzte sich vorerst seine Ansicht durch. Aber im 19. Jahrhundert gab es weitere Experimente; zum Beispiel die von Thomas Young der demonstrierte das Licht durch Interferenz ausgelöscht werden kann wenn man es durch zwei dicht nebeneinander liegende Spalten fallen lässt. Das lässt sich nur dann erklären, wenn man davon ausgeht, dass Licht eine Welle ist und sich dort auslöscht, wo hinter den Spalten ein Wellenberg auf ein Wellental trifft.

Albert Einstein dagegen erklärte im 20. Jahrhundert den sogenannten photoelektrischen Effekt, also die Freisetzung von Elektronen bei der Bestrahlung bestimmter Materialien von Licht, durch die Existenz von Lichtteilchen und zeigte, dass man dieses Phänomen nicht verstehen kann wenn man Licht als reine Welle betrachtet.

Eine Zeit lang begnügte man sich damit diesen Widerpruch einfach “Welle-Teilchen-Dualismus” zu nennen und von der Annahme auszugehen, dass Licht eben manchmal wie ein Teilchen erscheint und manchmal wie eine Welle, je nachdem wie und mit welchen Methoden man es untersucht. Aber das war natürlich nicht sonderlich befriedigend. Und zum Glück hat die Wissenschaft heute eine Lösung für dieses Problem gefunden und die führt uns direkt zu den Feldern.

Ein physikalisches Feld ist eigentlich nicht schwer zu verstehen. Es beschreibt nichts anderes als die räumliche Verteilung einer physikalischen Größe. Wenn ich zum Beispiel mit einem Thermometer überall in meinem Arbeitszimmer die Temperatur messe und die verschiedenen Messwerte in ein Diagramm einzeichne, dann ist das eine Darstellung eines Temperaturfeldes. Ich könnte genau so gut den Luftdruck messen oder die Menge an Feinstaub, und so weiter.

In diesen Fällen ist das Feld vor allem eine mathematische Methode; ein Hilfsmittel um besser zu verstehen was vor sich geht. Wenn ich in einer Ecke meines Zimmers zum Beispiel immer wieder deutlich geringere Temperaturen als anderswo messe, dann ist dort vielleicht eine schlecht isolierte Stelle in der Wand um die ich mich kümmern sollte. Felder können aber viel mehr sein als nur ein Hilfsmittel. Ein Feld kann auch ein eigenständiges physikalisches Ding sein.

Im 19. Jahrhundert beschrieb der schottische Physiker James Clerk Maxwell, über den ich in Folge 125 der Sternengeschichten schon mehr erzählt habe, elektrische und magnetische Felder. Er stellte fest, dass man beide zu einem elektromagnetischen Feld kombinieren kann. Richtig interessant wird es aber erst dann, wenn wir uns die Veränderung eines Feldes ansehen. Denn ein Feld muss natürlich nicht statisch sein. Das ist ganz besonders bei elektromagnetischen Felder so: Ein bewegter Magnet kann elektrischen Strom erzeugen; elektrischer Strom kann Magnetismus hervorrufen. Beide beeinflussen sich gegenseitig und Maxwell stellte fest, dass Licht nichts anderes ist als eine elektromagnetische Welle, also eine Abfolge von sich durch den Raum ausbreitenden und sich gegenseitig beeinflussenden elektrischen und magnetischen Wellen.

Das klingt ein wenig verwirrend, weil wir jetzt schon wieder bei den Wellen sind. Aber das wichtige hier ist, dass diese elektromagnetische Welle eben nichts braucht worin sie sich ausbreiten kann. Früher dachte man ja, man braucht irgendeinen Äther der das Universum durchdringt und dessen Schwingung wir als Lichtwelle sehen – genau so wie Schall eine Schwingung der Luft um uns herum ist. Aber Maxwell zeigte, dass das nicht nötig ist. Das elektromagnetische Feld und seine Veränderung – eben das was wir als Lichtwelle bezeichnen – ist ein eigenständiges Ding und nicht nur eine Eigenschaft irgend eines andern Mediums.

Diese Erkenntnis ist wichtig, löst aber immer noch nicht den Konflikt zwischen Welle und Teilchen. Das tut erst die moderne Quantenfeldtheorie. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Quantenmechanik mit der man bis dahin die Eigenschaften der Elementarteilchen beschrieben hat. Die Quantenfeldtheorie kurz und anschaulich zu erklären ist quasi unmöglich; es ist eine zutiefst mathematische und sehr komplexe Disziplin. Aber vereinfacht ausgedrückt löst sie den Widerspruch zwischen Welle und Teilchen auf in dem sie Licht – beziehungsweise den Elektromagnetismus – als Quantenfeld betrachtet. Ein Quantenfeld ist eine Verbindung der klassischen physikalischen Felder mit der Quantenmechanik. Und es ist dieses Quantenfeld, dass das fundamentale Ding ist, nicht irgendein Teilchen, irgendeine Welle oder irgendeine Kraft. Man kann so ein Quantenfeld anregen – zum Beispiel in dem man ihm Energie zuführt. Und wenn man es mit genau der richtigen Menge an Energie anregt, dann entstehen Feldquanten.

Oder anders und etwas stärker vereinfacht gesagt: Das was wir “Teilchen” nennen ist quasi nur eine Art lokalisierter “Klumpen” des Felds und ein Feld ist eine kontinuierliche Mischung nichtlokalisierter Teilchen.

Im Falle des elektromagnetischen Feldes nennt man dieses Feldquant auch “Photon”. Die Quantenmechanik basiert nun ja gerade darauf, dass physikalische Größen nicht beliebige Werte haben können sondern eben nur ganz bestimmte Werte annehmen können; sie müssen “quantifiziert” sein. Diesen Unterschied kann man sich als den Unterschied zwischen einem kontinuierlichen Wasserstrahl und einer Abfolge einzelner Wassertropfen vorstellen. Genau so lässt sich das elektromagnetische Feld nur mit ganz bestimmten Energiemengen anregen und es entstehen dann auch nur Photonen mit ganz bestimmten Energien. Bei solchen physikalischen Vorgängen erscheint uns das Licht dann wie ein Lichtteilchen. Bei anderen können wir aber nur beobachten wie sich die gesamte Stärke des Feldes verändert und das erscheint uns dann – wieder sehr vereinfacht – als Lichtwelle.

Das Konzept der Quantenfelder geht aber noch viel weiter. Denn in der modernen Physik wird alles als Feld betrachtet! Nehmen wir das Elektron, ein Elementarteilchen das wir uns so gut wie immer auch ganz konkret als Teilchen vorstellen. In der Quantenfeldtheorie gibt es aber keine kleinen Elektronen-Kügelchen. Dort gibt es nur ein Elektronenfeld und wenn man das auf die richtige Weise anregt entsteht als Feldquant dieses Feldes ein Elektron. Und das gilt auch für den Rest der “Bausteine” der Materie.

In Folge 46 der Sternengeschichten habe ich über das Standardmodell der Teilchenphysik gesprochen, also die fundamentale Theorie mit der in der modernen Physik die Bausteine der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte erklärt werden. Dieses Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie! Das, was dort mathematisch beschrieben wird sind keine “Kügelchen” sondern Felder. Es gibt ein Elektronenfeld, es gibt ein Neutrinofeld, ein Feld für die Quarks, und so weiter. Und es gibt Felder für die Kräfte: ein elektromagnetisches Feld, ein Feld für die starke Kernkraft, und so weiter. All diese Felder können sich gegenseitig beeinflussen und verändern und genau das ist es was vom Standardmodell mathematisch und physikalisch beschrieben wird.

Auch das vor einigen Jahren entdeckte Higgs-Teilchen von dem ich in Folge 47 gesprochen habe, ist nichts anderes als das Feldquant eines Higgs-Feldes. Bei der Suche nach diesem Teilchen im Teilchenbeschleuniger hat man, ein weiteres Mal sehr vereinfacht gesagt, probiert durch die dort stattfindenden Kollisionen genug Energie in das Higgs-Feld zu pumpen damit ein paar Feldquanten entstehen die man dann nachweisen kann.

Die Felder sind das, was fundamental ist. Die Felder sind überall – und das bedeutet auch, dass es ein Vakuum im klassischen Sinn eigentlich gar nicht gibt. Wenn wir an den leeren Weltraum denken, dann ist dort nicht einfach nichts. Denn dort sind immer noch die Felder – es ist nur gerade nichts da, dass diese Felder ausreichend stark anregt so dass wir etwas davon mitbekommen. Aber sie sind da – und alles was wir sehen; alles was wir selbst sind ist eigentlich nichts anderes als die sichtbare Auswirkung miteinander wechselwirkender Felder.

Kommentare (20)

  1. #1 tomtoo
    18. August 2017

    Für Nichtwissenschaftler wie mich, imho ganz spannend und unterhaltsam zu dem Thema.

    https://m.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg

  2. #2 Mitch Toss
    18. August 2017

    Ob die Vorstellung, alles müsse aus Teilchen oder Kügelchen bestehen, daher kommt, dass wir mit dem menschlichen Auge nichts anderes sehen können als Materie- “Kügelchen”? Wenn wir räumliche EM-Felder sehen könnten, dann hätten wir wahrscheinlich eher ein Standardmodell der Feldphysik.

  3. #3 Artur57
    18. August 2017

    Wie unterscheiden sich denn die elementaren Felder, das elektrische, das magnetische und das gravitative von allem anderen? Wenn ich das richtig zusammen gelesen haben, durch das Fehlen der Aberration. Das ist der Effekt, der auftritt, wenn ich mit dem Fahrrad durch den Regen fahre und dann meine, der Regen käme schräg von vorn. Licht hat eine Aberration, was jeder Astronom weiß. Die Gravitation aber nicht, was bewirkt, dass die Anziehung der Sonne nicht genau dort herkommt, wo wir sie sehen. Beide, Licht und Gravitation benötigen 8 Minuten, bis sie bei uns sind. Die Gravitation aber kommt genau da her, wo die Sonne vor 8 Minuten war, beim Licht kommt nochmal die Aberration hinzu. Was bei den 30 km/s mit der sich die Erde tangential zur Sonne bewegt, 1/10000 eines Vollkreises ausmacht.

    Ja Frage: ist das richtig: Felder haben keine Aberration, Teilchen hingegen immer?

  4. #4 SonnenKlar
    18. August 2017

    Wieder was dazugelernt. Danke!

  5. #5 Jürgen A.
    Berlin
    18. August 2017

    @ Artur57

    Selbstverständlich haben Felder eine Aberration. Die heißt nur nicht Aberration sondern (relativistische) Raumverzerrung. Der Unterschied zwischen Feldern und Teilchen (mit Ruhemasse) liegt im eingeschlossenen Drehimpuls (Spin). Alle Teilchen mit Ruhemasse haben eingeschlossenen Drehimpuls. Eine elektromagnetische Welle kann auch einen Drehimpuls transportieren z.B. bei zirkular polarisierten Wellen. Solche Wellen haben aber schraubenförmige Feldlinien, und keinen eingeschlossenen Drehimpuls. Bei einem eingeschlossenen Drehimpuls ist eine Feldlinie in sich geschlossen, Anfang und Ende sind miteinander verbunden. Eine magnetische Feldline breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, sie ist Bestandteil eines Feldes. Der Magnet selbst hat den Charakter eines Teilchens. Er hat einen eingeschlossenen Drehimpuls und läßt sich daher auch nicht mehr mit Lichtgeschwindigkeit bewegen

  6. #6 MartinB
    18. August 2017

    @Artur57
    Die Situatuion ist in der ART ähnliche wie in der Elektrodynamik. Siehe dazu z.B. hier:
    http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/GR/grav_speed.html

  7. #7 Jürgen A.
    Berlin
    18. August 2017

    @ Artur57

    Der Lense-Thirring-Effekt aus der ART ist ein hervorragendes Beispiel, für das, was man als Aberration von (Gravitations-)Feldern bezeichnen könnte.

  8. #8 JoJO
    18. August 2017

    Gibt es eigentlich eine Vereinigung von klassischer Elektrodynamik und Allgemeiner Relativitätstheorie?

  9. #9 Artur57
    18. August 2017

    Mal anschaulich gesprochen: die Gravitation kann keine Aberration haben, denn dann bekäme die Anziehungskraft eine Komponente in Flugrichtung des Planeten und würde ihn somit beschleunigen. Wobei gleichzeitig die Anziehung zur Sonne hin abnähme. Da wurde schon Anfang des 19. Jahrhunderts festgestellt, dass dann das Sonnensystem auseinander fliegen würde. Gleiches hat Pierre-Simon Laplace für eine nur endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation bewiesen. Im Newtonschen Universum ist das so. Das mathematische Gerüst, um beides unter einen Hut zu bringen, nämlich endliche Ausbreitung der Gravitation und Fehlen der Aberration, ist erst mit der Relativitätstheorie geschaffen worden. Siehe Martins Artikel (danke auch).

    Na ja, am Ende dann doch nicht ganz. Die Erde wird durch die Sonne auf eine Ellipse gezwungen und das ist in diesem Sinne eine Beschleunigung, die bewirkt, dass das System Gravitationswellen abstrahlt, wie dieses Pulsarsystem PSR B1534+12. Der Effekt ist aber so gering, dass er auch in Milliarden Jahren keinerlei Auswirkung haben wird, bezogen auf das Erde-Sonne-System. Sicher hat auch die Sonne einen gewissen Lense-Thirring-Effekt, aber der bewegt sich in gleicher Größenordnung. Formal gesehen könnte man ihn als Aberration sehen, das ist zutreffend.

  10. #10 little sister
    18. August 2017

    Im Artikel heißt es:

    Wenn wir an den leeren Weltraum denken, dann ist dort nicht einfach nichts. Denn dort sind immer noch die Felder – es ist nur gerade nichts da, dass diese Felder ausreichend stark anregt so dass wir etwas davon mitbekommen. Aber sie sind da – und alles was wir sehen; alles was wir selbst sind ist eigentlich nichts anderes als die sichtbare Auswirkung miteinander wechselwirkender Felder.

    Was ich nie ganz verstanden habe: Was ist denn da genau der Unterschied zum Äther?

    Im klassischen Elektromagnetismus heißt es “Nein, Licht braucht kein Medium. Licht breitet sich im Vakuum aus.” In der Quantenfeldtheorie ist das Vakuum aber nicht leer, denn die Quantenfelder sind überall.

    Warum “zählt” das nicht als Medium bzw. was ist der Unterschied zum Äther der Elektrodynamik vor Einstein?

  11. #11 Braunschweiger
    19. August 2017

    @little sister:
    Schau doch einfach mal in den Wikipedia-Artikel Äther (Physik): simpel zusammengefasst hatte der “Äther” wohl auf der Mechanik basierende Vorstellungen von Eigenschaften, was zu Widersprüchen führte und sich nicht halten ließ.
    Der Begriff “Medium” ist an sich gar nicht falsch, solange er weit ausgelegt werden kann, nur “mechanisches Medium” stimmt nicht. Man brauchte eine ganz neue Formulierung eines Mediums, dass auch durch die Dualität von Welle und Teilchen nicht zu Widersprüchen führt. “Felder” sind ein Konzept, für das die Gesetze der Mechnik nicht anwendbar sind, und noch günstiger ist, wenn das modellierte Medium noch weniger “eigene” Eigenschaften hat, wie eben der Raum selbst.

  12. #12 pederm
    19. August 2017

    Da bin ich zwar garantiert nicht der Erste auf scienceblogs, trotzdem will ich dazu Brian Greens “Der Stoff aus dem der Kosmos ist” empfehlen. Nicht ganz leichte Kost, aber sehr instruktiv. Und Green kann schreiben!

  13. #13 Rubberduck
    19. August 2017

    Wenn es alles Felder sind, muss es doch auch Feldlinien geben. Oder nicht?

    Beim Magnetismus gibt es ein schönes Experiment mit Eisenspäne im Magnetfeld. Es gibt Zonen wo sich mehr Späne zusammenfinden als an anderer Stelle.

    Wie ist es bei dem Gravitationsfeld oder beim Quanterfeld?

  14. #15 Bjoern
    19. August 2017

    @JoJO: Kommt darauf an, was du mit “Vereinigung” meinst. Man kann zum Beispiel prinzipiell ausrechnen, welche Raumzeitkrümmung (also welche Gravitation) durch elektromagnetische Felder erzeugt wird. Ein direkt lösbarer Speziallfall ist z. B. ein schwarzes Loch, das eine elektrische Ladung trägt. (Reissner-Nordström-Metrik).

    @Rubberduck: Auch beim Gravitationsfeld gibt es Feldlinien. Bei Quantenfelder nicht direkt – das ist ja kein klassisches Feld mehr, sondern man kann an jedem Ort nur eine Wahrscheinlichkeitsamplitude für die Feldstärke dort angeben. In gewissem Sinne gibt es dort also durch jeden Raumpunkt unendlich viele Feldlinien gleichzeitig, alle mit jeweils einer eigenen Wahrscheinlichkeit(samplitude).

  15. #16 pederm
    19. August 2017

    @FF

    Ah, jetzt weiß ich auch wieder, wann und warum ich mir den Greene gekauft hatte. Merci!

  16. #17 PDP10
    19. August 2017

    Und zwangsläufig stellen wir uns diese Objekte eben als Bausteine vor, als kleine Einheiten von Materie; vielleicht sogar als kleine Kügelchen [..]

    Der theoretische Physiker Chris Quigg hat mal auf die Frage ob er sich Elektronen eher als Teilchen oder als Felder vorstellt, geantwortet “weder noch. Sondern als kleine gelbe Kugeln.” :-).

    BTW: (Das wollte ich schon länger fragen) Weiß jemand, wo man das T-Shirt kriegt?

  17. #18 Jolly
    19. August 2017

    @ PDP10

    Das Internet weiß alles:

    “No online orders. Objects displayed are only available at CERN shop.”

  18. #19 PDP10
    19. August 2017

    @Jolly:

    D’oh!

  19. #20 JoJo
    21. August 2017

    @Bjoern

    Kommt darauf an, was du mit “Vereinigung” meinst. Man kann zum Beispiel prinzipiell ausrechnen, welche Raumzeitkrümmung (also welche Gravitation) durch elektromagnetische Felder erzeugt wird. Ein direkt lösbarer Speziallfall ist z. B. ein schwarzes Loch, das eine elektrische Ladung trägt. (Reissner-Nordström-Metrik).

    Mit “Vereinigung” meinte ich eine klassiche (nicht-Quanten) Theorie, die Klassische Elektrodynamik und Allgemeine Relativitätstheorie vereinigt.

    Klar, man kann Elektrodynamik (und sogar QFT) in einer — etwa durch die ART vorgegebenen — gekrümmten Hintergrund-Raumzeit betreiben, eine Vereinigung der Theorien ist dies jedoch nicht.

    Aus der ART kann man z.B. nicht die Maxwell’schen Gleichungen für den Grenzfall einer flachen Raumzeit erhalten, und in den Feldgleichungen der ART tauchen auch keine Strom- und Ladungsdichten auf.

    Wenn ich Wikipedia recht verstehe, dann stellt die Kaluza-Klein Theorie eine solche Vereinigung dar:

    The resulting field equations provide both the equations of general relativity and of electrodynamics; the equations of motion provide the four-dimensional geodesic equation and the Lorentz force law, and one finds that electric charge is identified with motion in the fifth dimension.

    Womit meine Frage beantwortet wäre…