Wenn es um Quantenmechanik geht, fällt früher oder später der Begriff “Spin”. Was genau dieser “Spin” eigentlich ist, bleibt dabei leider oft unklar – denn es gibt in unserer klassischen, alltäglichen Welt nichts dergleichen.

(Dieser Text ist zwar Bestandteil meiner kleinen QFT-für-alle-Serie, er kann aber unabhängig davon gelesen werden.)

Das Stern-Gerlach-Experiment

Experimentell wurde der Spin zuerst mit dem so genannten Stern-Gerlach-Experiment nachgewiesen – allerdings ohne dass Stern und Gerlach das bemerkt hätten. Wie das?

Anfang der Zwanziger Jahre gab es noch keine echte Quantenmechanik – es gab die Bohr-Sommerfeld-Theorie, die zum Beispiel für das Wasserstoffatom einigermaßen funktionierte – dabei wurde angenommen, dass das Elektron auf bestimmten Bahnen um den Atomkern läuft, aber es gab keine Erklärung dafür, warum nur bestimmte Bahnen erlaubt sein sollten. Das Elektron konnte von einer Bahn zur anderen springen und dabei seine Energie ändern – so ließ sich das Emissionsspektrum des Wasserstoffs beschreiben, was für die Theorie sprach.

Ein um den Atomkern laufendes Elektron hat (in der klassischen Physik) einen bestimmten Impuls und auch einen Drehimpuls. (Den habe ich vor längerer Zeit mal in diesem Text erklärt, falls ihr eine Auffrischung braucht.) Nach der klassischen Physik könnte dieser Drehimpuls beliebige Werte annehmen, aber wenn das Elektron nur bestimmte Bahnen haben konnte, dann dürfte es auch nur bestimmte Werte des Drehimpulses (der dann naheliegenderweise Bahndrehimpuls heißt) geben.

Ein Elektron ist ja – wie der Name schon sagt – elektrisch geladen. Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen auf einer Kreisbahn läuft, dann haben wir damit einen kreisförmig fließenden Strom. Und ein solcher Strom sollte ein Magnetfeld hervorrufen. Wenn also die Elektronbahnen quantisiert sind, dann sollte auch dieses Magnetfeld (oder physikalisch etwas präziser: das magnetische Moment) quantisiert sein und nicht beliebige Werte annehmen können.

Otto Stern hatte die Idee, das experimentell zu überprüfen. Sein Chef, Max Born, war von der Idee zwar wenig begeistert, aber Stern blieb hartnäckig und holte sich Hilfe von Walther Gerlach. Gemeinsam bastelten sie ein Jahr lang, bis das Experiment funktionierte.

Hier der experimentelle Aufbau:

Stern-Gerlach Experiment de.png
By Theresa Knott – aus dem Englischen ins Deutsche übersetzt, CC BY-SA 3.0, Link

Ein Strahl aus Silberatomen fliegt in ein inhomogenes Magnetfeld (also eins, das nicht überall gleich stark ist, sondern oben im Bild stärker als unten). Wegen der Magnetwirkung der Atome übt das inhomogene Magnetfeld auf sie eine Kraft aus. Laut klassischer Physik müssten die Atome, deren Elektronen ja beliebig Magnetisierungen haben könnten, einen kontinuierlichen Streifen auf dem Detektor bilden – je nachdem, wie ihr magnetisches Moment am Anfang orientiert war.Die Logik von Stern und Gerlach war nun die, anzunehmen, dass das bei der Quantentheorie anders sein müsste und man – für den Fall des Silberatoms – zwei deutlich getrennte Messflecken sehen würde.

Hier das offizielle Versuchsergebnis – links ohne, rechts mit eingeschaltetem Magnetfeld:

i-9128ff88c7c6efcc8689c7fed450d3d0-figure13-thumb-500x260.jpg

Gerlach, W. and O. Stern, 1922. “Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung”, Zeitschrift fur Physik, 9: 349–352.

Man erkennt deutlich, dass rechts im Bild der Strahl (also der dunkel gefärbte Bereich) aufgespalten ist. Mit verfeinerter Messtechnik konnte sogar gezeigt werden, dass das magnetische Moment des Atoms genau so groß ist, wie die Bohr-Theorie es vorhersagte.

Dieses Experiment sorgte für großes Aufsehen und wurde als eine wichtige experimentelle Bestätigung der Quantentheorie gefeiert. Stern bekam 1943 auch den Nobelpreis dafür – sicherlich vollkommen zu recht.

Nur… es gibt da eine kleine Schwierigkeit: Das Experiment zeigte nicht das, was Stern und Gerlach dachten.

Die beiden verwendeten Silberatome – und zwar deswegen, weil Silber ein einzelnes ungepaartes Elektron auf seiner äußersten Elektronenschale hat, dessen gequantelten Bahndrehimpuls man deswegen gut messen können sollte. Heute allerdings wissen wir, dass dieses Elektron (für die Expertinnen: ein 5s-Elektron) auf einer Schale sitzt, die überhaupt keinen Bahndrehimpuls hat. Das Experiment hätte also eigentlich gar nicht funktionieren können.

Auch Einstein hatte so seine Probleme beim Verständnis: Wenn die Atome vollkommen zufällig orientiert in das Magnetfeld einlaufen, warum sollte man dann nicht auch ein entsprechend verteiltes kontinuierliches Spektrum sehen, selbst wenn der Drehimpuls quantisierte Werte annimmt?

(Einen ausführlichen Artikel zur Geschichte des Experiments findet ihr übrigens bei Physics Today.)

Was Stern und Gerlach tatsächlich beobachtet hatten, wurde erst ein paar Jahre später klar: Es war der Elektronenspin. Nicht der Bahndrehimpuls des Elektrons auf seiner “Kreisbahn” um den Kern war verantwortlich für das magnetische Moment – das Elektron selbst, das um den Atomkern kreist, hat ein magnetisches Moment. 1

1Falls jetzt jemand auf die Idee kommt, das nachzuweisen, indem man Elektronen durch einen Stern-Gerlach-Apparat schickt – das funktioniert leider nicht, denn Elektronen sind elektrisch geladen und würden durch das Magnetfeld eine starke Lorentz-Kraft erfahren, die den viel schwächeren magnetischen Effekt vollkommen verdecken würde.)

Einzelne Elektronen verhalten sich also wie kleine Magnete. Wenn man sich das Elektron naiv und klassisch als kleine, elektrisch geladene Kugel vorstellt, dann könnte das Magnetfeld des Elektrons dadurch hervorgerufen werden, dass es sich um seine Achse dreht – die Ladungsverteilung würde rotieren, sich also auf einer Kreisbahn um das Zentrum des Elektrons bewegen, und würde so ein Magnetfeld erzeugen. Es wäre also nicht der Bahndrehimpuls des Elektrons auf seiner Kreisbahn, sondern der Eigendrehimpuls des Elektron-Kreisels, der verantwortlich wäre für das magnetische Moment.

Elektronen drehen sich

Also müssten Elektronen sich irgendwie um sich selbst drehen. Da der Drehimpuls eine Erhaltungsgröße ist (die Summe aller Drehimpulse in einem abgeschlossenen System ist konstant) müsste sich das auch messen lassen, wenn man es schafft, Elektronen dazu zu bringen, ihren Drehsinn zu ändern.

Ein klassisches (in jedem Sinne) Experiment dazu ist das folgende (Bilder dazu an der Uni Göttingen): Eine Person sitzt auf einem Drehstuhl und bekommt ein schnell um eine waagerechte Achse rotierendes Rad gereicht. Wenn die Person das Rad dreht, dann dreht sich der Drehstuhl in die Gegenrichtung, weil der Drehimpuls erhalten ist. (Die Person dreht sich allerdings nicht auch um eine waagerechte Achse, denn in der Richtung kann Drehimpuls auf den Boden und damit übertragen werden.)

So ähnlich müsste das doch auch mit Elektronen klappen, oder? Die Elektronen sind wie das Rad in diesem Experiment – wenn wir Elektronen auf einen Drehstuhl setzen und sie dann dazu bekommen, ihre Drehachse zu ändern, dann müsste der Stuhl sich drehen.

Da Elektronen ein magnetisches Moment besitzen (das haben wir ja gerade aus dem Stern-Gerlach-Versuch gelernt), sollten sie ihre Drehachse (wenn sie denn eine haben) in einem Magnetfeld entsprechend ändern. Und wenn sie einen Drehimpuls tragen, dann sollten sie dabei den Drehstuhl, auf dem sie sitzen, dazu bringen, sich in die Gegenrichtung zu drehen.

Statt eines Drehstuhls nehmen wir allerdings besser einen Metallklotz, und zwar einen magnetischen. Den hängen wir an einen dünnen Draht, so dass er sich leicht drehen kann. Wir umwickeln ihn mit einer Spule, die ein Magnetfeld erzeugt und dann schalten wir den Strom an. Ein Bild des Versuchs findet ihr ebenfalls in Göttingen. (Auf der Seite der Uni Göttingen findet ihr auch ein Video des Versuchs.) Und tatsächlich – schaltet man den Strom und damit das Magnetfeld ein, dann beginnt der Zylinder sich zu drehen, weil sich die Spins der Elektronen im Magnetfeld ausrichten und die Drehimpulserhaltung dafür sorgt, dass der Zylinder als ganzes sich in der Gegenrichtung dreht.

Dieses Experiment wurde bereits 1915 (als man von Spins noch nichts wusste) durchgeführt und ist als Einstein-de-Haas-Experiment (ja, das ist der Einstein) bekannt.

Also: Ein Teilchen wie ein Elektron verhält sich ähnlich wie ein rotierender Kreisel – es trägt einen Drehimpuls und auch ein magnetisches Moment.

…oder doch nicht?

Na, dann ist doch alles im grünen Bereich, oder? Das Elektron dreht sich um seine eigene Achse und erzeugt dadurch ein magnetisches Moment. Wo ist denn nun das Problem?

Zunächst einmal hat der Drehimpuls (oder auch “Spin”) des Elektrons immer genau denselben Wert. Wenn ihr den Spin des Elektrons messt, dann hat er immer einen Wert von ħ/2. (Da ein Drehimpuls die Einheit Länge mal Impuls hat, kann man ihn in Einheiten von ħ angeben – denn die Wirkung hat dieselbe Einheit. ħ ist natürlich wie immer in der Quantenphysik das Wirkungsquantum h, geteilt durch 2π.)

Na und? Ist doch in der Quantenmechanik üblich, dass Größen quantisiert sind, oder nicht? Auch der Bahndrehimpuls ist doch quantisiert, so sind ja Stern und Gerlach überhaupt nur auf ihr Experiment gekommen (wenn auch mit leicht fehlerhaften Annahmen).

Richtig. Ein Elektron, das mit einer bestimmten Energie stabil an ein Atom gebunden ist, hat ebenfalls einen genau festgelegten Wert des Bahndrehimpulses. Ich kann aber dem Elektron Energie zufügen und so seinen Bahndrehimpuls erhöhen, und zwar prinzipiell auf beliebig große Werte. Ich kann seinen Bahndrehimpuls auch verringern – tatsächlich sogar auf Null (was dann das Bild der planetenartigen Bahnen etwas zweifelhaft werden lässt, nicht wahr?)

Beim Elektronenspin ist das anders. Ihr könnt gegen das Elektron gegentreten, es schütteln, mit Magnetfeldern traktieren oder was auch immer – sein Spin hat immer dieselbe Größe, eben ħ/2. (Ihr könnt allerdings die Richtung des Spins ändern – darauf beruhte ja der Einstein-de-Haas-Effekt.)

Pauli hatte – als ihm der Vorschlag des Elektronspins gemacht wurde – noch ein anderes Gegenargument: Wenn das Elektron eine kleine geladene Kugel wäre, die sich dreht, dann müsste sich die Oberfläche der Kugel mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen. Grund genug für ihn, das Konzept zunächst abzulehnen. Später dann akzeptierte er es und leistete wichtige Beiträge zur Spintheorie (weswegen auch die berühmten Spin-Matrizen, mit denen jeder Physikstudi rechnen muss, als Pauli-Matrizen bezeichnet werden.)

Überhaupt ist die Idee eines “rotierenden” Elektrons problematisch. Nach allem, was wir wissen, sind Elektronen “punktförmig” – genauer gesagt kann man ein Elektron in einem nahezu beliebig kleinen Raum einsperren. Macht man beispielsweise Stoßexperimente, bei denen man Elektronen gegen andere Teilchen schießt (etwa gegen Protonen – das wurde in den Neunziger Jahren bei HERA in Hamburg gemacht), dann kann man so zwar die Substruktur des Protons untersuchen (das aus drei Quarks und jeder Menge Gluonen und so Zeugs besteht), aber das Elektron verhält sich genau, wie man es für ein punktförmiges Teilchen erwarten würde. Sein Radius – wenn es denn einen hat – muss also sehr klein sein, was es dann wiederum schwierig macht, sich vorzustellen, wie es dann seinen Drehimpuls mit sich herumträgt.

Auch die Größe des magnetischen Moments passt nicht. Ein Elektron, das in einem Wasserstoffatom einen Bahndrehimpuls von 1ħ hat, hat durch den Bahndrehimpuls ein bestimmtes magnetisches Moment, das man auch messen (und berechnen) kann. Man sollte erwarten, dass der Spin, der mit ħ/2 nur halb so groß ist, auch zu einem halb so großen magnetischen Moment führt – das wäre jedenfalls logisch.

So ist es aber nicht. Das magnetische Moment, das durch den Elektron-Spin zu Stande kommt, ist zu groß, und zwar etwa um einen Faktor 2. Das war übrigens auch der Grund, warum Stern und Gerlach meinten, mit ihrem Experiment sei alles im grünen Bereich – sie hatten ein bestimmtes magnetisches Moment zu einem Bahndrehimpuls von ħ erwartet und ziemlich genau dieses magnetische Moment auch gemessen. Zu ihrem Glück (oder Unglück – vielleicht wären sie ja sonst selbst auf die Idee des Spins gekommen) hoben sich hier zwei Fehler gegenseitig auf: Der Drehimpuls eines Elektrons mit Spin ist nur halb so groß wie der erwartete Bahndrehimpuls, dafür ist das magnetische Moment aber doppelt so groß wie man es für diesen Drehimpuls erwarten würde.

Dieser zusätzliche Faktor von etwas mehr als 2 wird auch oft g-Faktor genannt. Er ist übrigens eine der am genausten bestimmten physikalischen Größen überhaupt. Sein Wert beträgt
2.002 319 304 361 53 +/- 0.000 000 000 000 53
Das ist so genau, als würde man die Entfernung Erde-Mond auf einen Zehntel Millimeter (etwas mehr als die Dicke eines Haares) kennen.


Wie denn nun?

Wie ihr seht, ist der Elektronenspin tatsächlich ziemlich merkwürdig. Einerseits verhält sich das Elektron wie ein winziger Kreisel, aber ziemlich viele Aspekte passen in diesem Bild nicht wirklich zusammen. Deswegen steht zum Beispiel bei Wikipedia

Wie oder wodurch der Spin zustande kommt, bleibt in der klassischen Physik unerklärbar. Anschauliche oder semi-klassische Beschreibungen sind daher unvollständig.

Dass der Spin keine echte klassische Entsprechung hat, kann man sich auch auf andere Weise klar machen: Wenn man wissen will, was aus Quanteneffekten wird, wenn man zur klassischen Physik (also zu sehr großen und schweren Systemen) übergeht, dann nimmt man die Formeln der Quantenmechanik und lässt den Wert von ħ immer kleiner werden (der “klassische Grenzfall”), denn wenn ħ Null wäre, gäbe es ja keine Quanteneffekte. Der Elektron-Spin hat aber ja immer den Wert ħ/2. Im klassischen Grenzfall verschwindet er also schlicht und einfach.

Das Bild des sich drehenden Elektrons passt also nur bedingt – einige Aspekte kann man sich damit richtig überlegen, andere aber nicht.

Und die anderen Teilchen?
Bisher habe ich immer von Elektronen gesprochen. Elektronen sind aber nicht die einzigen Elementarteilchen – da gibt es noch Myonen, Neutrinos, Quarks, Gluonen und den ganzen Teilchenzoo. Hier folgt ein kleiner Überblick – falls ihr mit Elementarteilchen nicht ganz so auf du und du steht, ist das nicht weiter schlimm – man muss diese Teilchen nicht alle auswendig kennen.

i-c32dad107b5c16d832bebe6cb85862f3-556px-Standard_Model_of_Elementary_Particles-de.svg.png

Von MissMJ derivative work: Polluks (talk) – Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg, CC BY 3.0, Link

Unsere Materie besteht ja aus Elektronen und Quarks (wobei sich die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenschließen). Quarks haben – genau wie die Elektronen – einen Spin von ħ/2.

Protonen und Neutronen auch – sie bestehen aus jeweils drei Quarks, von denen zwei ihre Spins entgegengesetzt ausrichten, so dass sie sich aufheben. Netto bleibt also ein Spin von ħ/2 übrig.

Alle Teilchen, die einen solchen halbzahligen Spin haben, nennt man Fermionen. Bei den echt elementaren Teilchen im Bild sind das die zwölf auf der linken Seite. Der Spin kann bei zusammengesetzten Teilchen auch größer als ħ/2 sein – man kann zum Beispiel drei Quarks auch so zusammensetzen, dass alle Spins gleichgerichtet sind, dann hat man in der Summe einen Spin von 3ħ/2. Weil das keine ganze Zahl ist, sondern eben Ein-Einhalb, gilt auch das als halbzahliger Spin, auch ein solches Teilchen ist ein Fermion.

Es gibt aber auch Teilchen mit ganzzahligem Spin: 0ħ (also gar kein Spin), 1ħ, 2ħ und so weiter. Solche Teilchen heißen Bosonen.

Zu ihnen gehören die Photonen, also die guten alten Lichteilchen – sie haben einen Spin von 1ħ (meist lässt man das ħ weg und spricht einfach von Spin-1-Teilchen). Auch Gluonen, die die Anziehung zwischen den Quarks herstellen, und die Vektorbosonen, die für die schwache Kernkraft verantwortlich sind, sind Spin-1-Teilchen.

Das berühmt-berüchtigte Higgs-Teilchen (das in dem Bild oben fehlt) ist unter den echten Elementarteilchen das einzige mit Spin 0 – es gibt aber zusammengesetzte Teilchen (beispielsweise Pionen, die aus einem Quark und einem Antiquark mit entgegengesetztem Spin bestehen), die ebenfalls Spin 0 haben.

Und dann ist da noch das wichtigste der Spin-2-Teilchen: Das Graviton, das Teilchen der Gravitation. Nun ja, bisher ist es nicht nachgewiesen worden, und eine wirklich vernünftige Quantentheorie der Gravitation gibt es auch nicht. Doch was wir über die Gravitation wissen sagt uns folgendes: Wenn es eine Quantentheorie der Gravitation gibt, die ähnlich wie die Theorie für die anderen Kräfte (Elektromagnetismus, starke und schwache Kernkraft) funktioniert, dann muss es in dieser Theorie ein Spin-2-Teilchen geben, das die Gravitation vermittelt. (Dazu demnächst vermutlich mehr in der Quantenfeldtheorie-Serie.)

Soweit der kurze Überblick über die wichtigsten Elementarteilchen. Wie ihr seht, werden die Teilchen in zwei Gruppen geteilt – die, bei denen der Spin halbzahlig ist (z.B. ħ/2), die Fermionen, und die Bosonen mit ganzzahligem Spin. Und das wirft sofort zwei Fragen auf, die ihr euch jetzt vielleicht stellt:

1. Warum der ganze Bohei um den Spin? Warum ist dieser seltsame Spin eigentlich so wichtig, dass man extra seinetwegen Namen für Teilchengruppen einführt?

2. Wenn es Teilchen mit Spin ħ/2 gibt und solche mit 2ħ, gibt es dann auch welche mit anderen Werten, beispielsweise ħ/3 oder 0.6754ħ?

Die beiden Fragen hängen – auch wenn man das auf den ersten Blick nicht sieht – eng zusammen. Es ist eins der wichtigsten (vielleicht sogar das wichtigste) Ergebnisse der Quantenfeldtheorie1:

Jedes Teilchen ist entweder Fermion oder Boson. Fermionen haben die Eigenschaft, dass nie zwei im exakt selben Zustand sein können; Bosonen dagegen sind bevorzugt im selben Zustand.

1Das gilt für unsere normale Welt mit drei Raumdimensionen. Wäre unsere Welt zweidimensional, dann könnte es auch andere Teilchen geben, die irgendeinen Spinwert hätten. Die haben den schönen Namen Anyonen. Als Elementarteilchen gibt es sie in unserer Welt nicht, aber man kann sie zum Beispiel in quasi-zweidimensionalen Halbleiterstrukturen finden. Wikipedia hat ein bisschen was darüber.

Was bedeutet das? Fangen wir mit den Fermionen an. Zwei Elektronen können nie im selben Zustand sein. Wenn wir beispielsweise ein Elektron und ein Proton zusammenbringen, dann wird das Elektron den energetisch günstigsten Zustand einnehmen – es bildet sich ein Wasserstoffatom. Auch ein zweites Elektron kann in diesen Zustand, wir haben dann ein negativ geladenes Wasserstoff-Ion. Das geht deswegen, weil die beiden Elektronen ihre Spins entgegengesetzt ausrichten können.

Genau so ist es, wenn wir statt der einen Protons einen Helium-Kern mit zwei Protonen verwenden. Es bildet sich ein Helium-Atom mit zwei Elektronen im Grundzustand.

Für ein drittes Elektron ist in diesem Zustand aber kein Platz, es müsste in einen höher-energetischen Zustand. Nehmen wir einen Atomkern mit drei Protonen (Lithium), dann können die drei zum Atom gehörigen Elektronen nicht alle in den selben Zustand – eins von ihnen muss auf ein höher-energetisches Niveau ausweichen. Deswegen ist das dritte Elektron im Lithium nur schwach gebunden – Lithium ist dadurch ein Metall.

Ohne die Regel, dass Fermionen nie denselben Zustand einnehmen können (auch Pauli-Prinzip genannt) könnte man also nicht verstehen, warum es so viele verschiedene chemische Elemente gibt. Wären Elektronen Bosonen, dann würden sie sich alle im niedrigst-energetischen Niveau befinden, alle chemischen Elemente wären im wesentlichen gleich – Chemie oder gar Leben, wie wir es kennen, wären völlig undenkbar.

Umgekehrt verdanken wir der Tatsache, dass Bosonen bevorzugt denselben Zustand einnehmen können, Phänomene wie Laser (in einem Laserstrahl sind alle Photonen im identischen Zustand, deswegen ist er so scharf fokussiert und hat genau eine Farbe) oder Supraleiter (in einem Supraleiter schließen sich immer zwei Elektronen zu einem Paar zusammen – das Paar ist dann ein Boson und alle diese sogenannten Cooper-Paare sind im selben Zustand (wobei allerdings die einzelnen Elektronen alle unterschiedliche Zustände haben)) sind ohne den “Herdentrieb” der Bosonen, die bevorzugt im selben Zustand sind, nicht möglich.

Ihr seht also: Der Spin ist eine etwas rätselhafte, aber extrem wichtige Eigenschaft der Teilchen. Er erweckt ein bisschen den Eindruck, als würden sich die Teilchen um ihre Achse drehen wie Kreisel, aber wenn man genau hinguckt, sieht man, dass dieses Bild etwas schief ist.

Natürlich gibt es noch viel mehr über Spins zu sagen – beispielsweise gilt für sie eine besondere Unschärferelation. Aber das ist eine andere Geschichte und soll ein andermal erzählt werden…

Kommentare (41)

  1. #1 Niels
    3. März 2012

    @MartinB

    Jedes Teilchen ist entweder Fermion oder Boson.
    Fermionen haben die Eigenschaft, dass nie zwei im exakt selben Zustand sein können; Bosonen dagegen sind bevorzugt im selben Zustand.

    Die letzten beiden Sätze sind das Spin-Statistik-Theorem und ich weiß auch ganz grob, worauf der Beweis beruht.

    Aber woraus ergibt sich eigentlich der erste Satz?
    Irgendwie über mathematische Eigenschaften des Hilbertraumes?

  2. #2 MartinB
    3. März 2012

    @Niels
    Dass es nur ganz- und halbzahlige Spins geben kann folgt aus den Transformations-Eigenschaften der Rotationsmatrix. Letztlich ist es die Rechnung, die man in jedem Quantenmechanik-Buch findet, wenn man die Drehimpulsalgebra herleitet. Ich habe dazu gerade eine tolle Erklärung gefunden, wie man das motivieren kann (von Feynman, wem sonst) – vermutlich werde ich das auch demnächst nochmal ausführlicher erklären.

    Das jedes Teilchen entweder Ferim- oder Bosestatistik hat liegt daran, dass bei Vertausch von zwei Teilchen der Phasenfaktor nur entweder +1 oder -1 sein kann (weil zweimal vertauschen wieder das Anfangsergebnis gibt).

  3. #3 Niels
    3. März 2012

    Ah, klar. Hätte ich eigentlich selbst drauf kommen müssen.
    Danke.

  4. #4 MartinB
    3. März 2012

    @Niels
    Da kommt bald mehr dazu – ich schreibe gerade dran.

    “Hätte ich eigentlich selbst drauf kommen müssen.”
    ist der Satz, den ich im Moment ständig denke, wenn ich QFT lese. Momentan habe ich das Gefühl, dass die meisten QM- und QFT-Bücher die Ideen so geschickt hinter dem Formalismus verstecken, dass es echt schwierig ist, zu sehen, was eigentlich konzeptionell passiert.

  5. #5 SCHWAR_A
    4. März 2012

    Hallo MartinB,

    “Momentan habe ich das Gefühl, dass die meisten QM- und QFT-Bücher die Ideen so geschickt hinter dem Formalismus verstecken, dass es echt schwierig ist, zu sehen, was eigentlich konzeptionell passiert.”

    Genau das ist auch immer schon mein Eindruck ! Wie gut, daß sich endlich einer aufmacht, diesen Zustand zu ändern – vielen Dank dafür.

    Hast Du eigentlich vor, mal ein Büchlein darüber zu schreiben? Könnte ein Standardwerk werden…

    Herzliche Grüße.

  6. #6 MartinB
    5. März 2012

    @SCHWAR_A
    “Hast Du eigentlich vor, mal ein Büchlein darüber zu schreiben”
    Ich weiß nicht. Zum einen bräuchte man einen Verleger. (Ich könnte natürliche alles zu nem e-book zusammentackern.) Zum zweiten finde ich es in nem Internet-text o.k., wenn ich öfter mal schreibe “Das könnt ihr da-und-da nachlesen” oder “Diese Rechnung ist mir zu kompliziert”; in nem Buch fände ich das unbefriedigend.

  7. #7 Thomas Wolkanowski
    5. März 2012

    “Momentan habe ich das Gefühl, dass die meisten QM- und QFT-Bücher die Ideen so geschickt hinter dem Formalismus verstecken, dass es echt schwierig ist, zu sehen, was eigentlich konzeptionell passiert.”

    Für die QM würde ich das so eng gar nicht sehen. In der QM (das unterscheidet sie von der klassischen Physik) rechnet man stets mit abstrakten Größen, die keine Verbindung zur Realität besitzen. Wir müssen aber immer wissen, wie auf dieser formalen Ebene die Verbindung zur realen Welt gestaltet ist und was das wiederum über diese aussagt. Die Mathematik hinter den Dingen ist hier noch relativ überschaubar.

    Aber für die QFT stimmt es in einem noch nie dagewesenen Ausmaß. Wenn man die ersten Konzepte hinter der Theorie verstanden (sprich akzeptiert) hat, erscheint sie manchmal recht intuitiv (nur manchmal und nur am Anfang…). Aber zu Beginn wird man leider vom Formalismus erschlagen und dieser hindert einen daran die genannten Konzepte zu sehen. Böse Zungen behaupten nicht selten, Feldtheoretiker versteckten ihre Ideen hinter vielen, vielen Abkürzungen und sonderbaren Schreibweisen, um alles für die Nicht-QFTler so kompliziert wie möglich aussehen zu lassen 😉 . Das Problem ist nicht der Formalismus an sich – ist leider nötig, denn nur so kann der Lagrangian des Standard Modells auf eine Tafel geschrieben werden -, sondern der Mangel an Menschen bzw. Literatur, die ihn erklärt.

    Die Quantenqravitations-Leute sind da noch viel schlimmer; da verstehen sich die hinter den einzelnen Strömungen gegenseitig nicht mehr, weil jedes Grüppchen in einem anderen Formalismus lebt.

  8. #8 MartinB
    5. März 2012

    @Thomas
    “In der QM (das unterscheidet sie von der klassischen Physik) rechnet man stets mit abstrakten Größen, die keine Verbindung zur Realität besitzen.”
    Das kann man so pauschal sicher nicht sagen – es ist vollkommen zulässig, die Wellenfunktion als reales physikalisches gebilde aufzufassen, solange man die Konsequenz (Nichtlokalität) akzeptiert. Es gibt ja hinreichend viele Interpretationen der QM, man muss ja nicht die Kopenhagener nehmen.

    “Aber zu Beginn wird man leider vom Formalismus erschlagen und dieser hindert einen daran die genannten Konzepte zu sehen. ”
    Ja, das war ja genau mein Problem, deswegen habe ich diese Serie versucht um zu sehen, ob ich zumindest mir selbst die Dinge intuitiv klarmachen kann.

    “Das Problem ist nicht der Formalismus an sich – ist leider nötig, denn nur so kann der Lagrangian des Standard Modells auf eine Tafel geschrieben werden -, sondern der Mangel an Menschen bzw. Literatur, die ihn erklärt.”
    Ich hatte oft den Eindruck, das Problem besteht zumindest zum Teil darin, dass der Formalismus auf der Basis von sehr viel Detailwissen aufgebaut wurde, das die Physiker in den 40ern bis 60ern angehäuft haben. Dann haben sie den Formalismus draufgesetzt um alles elegant zu erklären und jetzt bekommen wir nur noch den zu sehen. Ein bisschen so, als würde man Elektromagnetismus nur mit Differentialformen erklären.

    Und oft fehlt einfach die Brücke von Formalismus zurück zur Physik – ich kann mich nicht erinnern, dass die einfache Rechnung mit der Anziehungskraft zweier Quellen, die ich neulich erklärt habe, in irgendeinem der QFT-Bücher stand, die ich als Studi gelesen habe.

  9. #9 Thomas Wolkanowski
    5. März 2012

    @Martin:
    “Das kann man so pauschal sicher nicht sagen – es ist vollkommen zulässig, die Wellenfunktion als reales physikalisches gebilde aufzufassen, solange man die Konsequenz (Nichtlokalität) akzeptiert. Es gibt ja hinreichend viele Interpretationen der QM, man muss ja nicht die Kopenhagener nehmen.”
    Sicher, die Interpretationen spielen nur in der gängigen Praxis leider keine Rolle. Damit ist nicht gemeint, dass es keine community gibt, die sich aktiv mit Forschung an der Interpretation beschäftigt (die gibt es in der Tat und das ist nur zu begrüßen), aber in der Praxis zählt für viele nur das Rechnen. In meinen Augen ist das ein erhebliches Problem in der Ausbildung von Physikern. Als ich das erste Mal die QM gehört habe, wurde zum Einen lediglich in zwei bis drei Sätzen erwähnt, dass es überhaupt verschiedene Betrachtungsweisen gebe, und zum Anderen gar nicht benannt, dass die Kopenhagener Deutung unser geistiger Überbau sei. Gerade im Hinblick auf die aktuellen Probleme, z.B. bei einer möglichen Vereinheitlichung von Gravitation und den anderen Wechselwirkung, ist aber eine profunde Kenntnis sowohl von Formalismen, als auch den geistigen Überbauten unerlässlich.
    Wie dem auch sei, ein Hinweis auf andere Interpretationen deinerseits ist an dieser Stelle sicherlich nur zweckdienlich, danke.

    “Ich hatte oft den Eindruck, das Problem besteht zumindest zum Teil darin, dass der Formalismus auf der Basis von sehr viel Detailwissen aufgebaut wurde, das die Physiker in den 40ern bis 60ern angehäuft haben. Dann haben sie den Formalismus draufgesetzt um alles elegant zu erklären und jetzt bekommen wir nur noch den zu sehen. Ein bisschen so, als würde man Elektromagnetismus nur mit Differentialformen erklären.”
    Dieser Eindruck ist absolut richtig. Man vergleiche z.B. die mehr als dürftigen ersten Kapitel im Peskin-Schroeder, mit dem Ergänzungsband “Feldquantisierung” von Greiner und im Anschluss den ersten Band der Weinberg-Reihe miteinander. Dann erhält man einen groben Blick darauf, wie viel eigentlich in der QFT steckt, das einem NIEMAND in der Vorlesung erzählt. Dieses Detailwissen scheint, das ist auch mein Eindruck, heute vielfach unter den Teppich gekehrt zu werden. Die QFT kann man deshalb nur schwer aus Büchern lernen. Man braucht – natürlich überall in der Physik, hier aber noch viel stärker – einen kompetenten Lehrer, der sich mit dem Detailwissen auskennt.

    Kleine Anekdote hierzu: Ein Bekannter von mir (ehemaliger Professor für experimentelle (Quanten-)Optik) hat vor drei Jahren angefangen den Zyklus für theoretische Physik an unserer Uni zu durchlaufen. Er hat dabei versucht, die Physik über Stichworte und Prinzipien auf einem großen Blatt Papier für sich zu stukturieren und die Verbindungen einzuzeichnen. Während die klassische Physik und nicht-relativistische QM ein bescheidenes Maß an Platz einnehmen, explodiert alles mit der QFT. Dies gilt sowohl für den Formalismus, als auch für die angesprochenen Details. Eine wesentliche Feststellung dieses Bekannten ist, und er kommt nicht drumrum dies stets zu betonen, dass die wirklich entscheidenen, wirklich in der Theorie verwurzelten Grundannahmen und -konzepte, eigentlich nie echt Erwähnung finden. Und dass man nicht einmal am Ende einer Promotion auf diesem Feld wirklich Zeit gehabt hätte (er studiert die QFT nun seit fast zwei Jahren), sich damit auf dieser Ebene auseinanderzusetzen.

    “Und oft fehlt einfach die Brücke von Formalismus zurück zur Physik – ich kann mich nicht erinnern, dass die einfache Rechnung mit der Anziehungskraft zweier Quellen, die ich neulich erklärt habe, in irgendeinem der QFT-Bücher stand, die ich als Studi gelesen habe.”
    Weil sich keiner traut zu sagen, das er die Brücke nicht wirklich sehen kann. Ich kenne sehr wenige (das sind dann immer die, die wirklich Ahnung haben), die sich hinstellen und erklären, dass sie das selbst nicht genau verstehen.

  10. #10 MartinB
    5. März 2012

    “Weil sich keiner traut zu sagen, das er die Brücke nicht wirklich sehen kann. ”
    Aber es gibt ja leute, die das können. Ich zitiere ja deswegen immer das Buch von Zee, weil es da zumindest am Anfang genau diese Querverbindungen gibt. Anderes exzellentes beispiel sind die Feynman Lectures on Gravitation – die waren für mich der Anlass, mich überhaupt wieder mit QFT zu beschäftigen, weil er ganz locker Sachen wie die mit dem Kraft-Vorzeichen aus dem Ärmel schüttelt, wo man genau merkt, dass er die QFT auch intuitiv voll verinnerlicht hat und den Formalismus nicht wirklich braucht.

    Ein anderes Problem sehe ich im Trend zur Axiomatisierung: Physikbücher starten ja gern mit wenigen einfachen Axiomen (bei der Qm kommt man mit der Born-Interpretation der Wellenfunktion und dem Ersetzen der klassischen Observablen durch ihre QM-Operatoren ja schon ziemlich weit). In der QFT geht das so ohne weiteres nicht, weil da an 1000 Stellen kleine Extra-Annahme getroffen werden, die letztlich nur dadurch motiviert sind, dass am Ende alles richtig rauskommt. Leider wird das aber selten so deutlich gesagt.

  11. #11 Thomas Wolkanowski
    5. März 2012

    Feynman hat die QFT ja mitentwickelt. Wenn er sie nicht verinnerlicht hatte, wer dann(?). Leider ist er nicht mehr…

    Zur Axiomatisierung: Das Ersetzen der Observablen durch Operatoren in der QM versteht zu Beginn ja bereits kaum ein Student. Er begreift weder warum das geschieht, noch was da genau getan wird – das kann er auch nicht. Dabei ist genau das DER Knackpunkt bei der kanonischen Quantisierung… Zum Schluss können natürlich alle rechnen. 😉 Ich weiß, dass man in einer Vorlesung nur mangelhaft in die Tiefe gehen kann (in einer Grundvorlesung sollte man das auch nicht unbedingt ständig machen). Das einzige, was ich beanstanden würde ist, dass weder Verweise gegeben, noch darauf hingewieschen wird, wie viele Annahmen im Kern einfließen. Hier sollte doch gerade die mathematische Ausbildung Früchte getragen haben. Da ich in beträchtlichem Maße auch aus der Philosophie komme wage ich sogar zu behaupten: Hier fehlt es anfangs an klarer Struktur, an eindeutiger Benennung, an deutlichen Anmerkungen. Dein Verweis auf die Axiome der QM ist umso bedeutender, denn wird mit dem Voranstellen der Axiome nicht die ganze Verwunderung, das ganze Chaos zu Beginn des 20. Jahrhunders einfach weggewischt(?).

    Wenn wir schon bei den 1000 Stellen in der QFT sind, so halte ich es für eine der größten Schlampereien in der Literatur nicht weiter darauf einzugehen, wann die zweite Quantisierung durchgeführt wird und was dabei passiert (ähnlich wie schon oben). Hier wird gerade in der Physik der kondensierten Materie sehr viel mehr Wert darauf gelegt (und da wird eigentlich nur nicht-relativistische QFT betrieben). Du hast ja glücklicherweise bereits hierzu öfters geschrieben.

  12. #12 MichiS
    5. März 2012

    …das Standardwerk wäre super…ist im Bett handlicher als der PC :-)..und wieder einmal: herzlichen Dank MARTIN !!!!!

  13. #13 MartinB
    5. März 2012

    @Thomas
    Ich finde ja, dass diesem Satz von feynman zu wenig beachtung geschenkt wird, den ich ja auch an den Anfang der Serie gestellt habe (lange ist’s her):
    We don’t bother with rigor, because it is the facts that matter, not the proofs. Physics can go on without the proofs, but we can’t go on without the facts.

    Ich glaube es wird dem Physikstudi viel zu wenig klargemacht, dass neue Gleichungen immer gebastelt werden, nicht hergeleitet. Man merkt’s so’n bisschen bei der Dirac-Gleichung, aber meistens wird so getan, als könne die Welt gar nicht anders sein.

    @MichiS
    Danke für’s Lob. Tipp: im Bett geht auch ein ebook-reader 🙂

  14. #14 dahup
    7. März 2012

    Eine Sache vorab, die ich mir wirklich nicht verkneifen kann: Deine Serien sind wirklich Spitze! Ich schaue jeden Tag rein, ob die Geschichte mit den Quanten weitergeht. Ich verstehe das zwar nur teilweise (und selbst das ist leider übertrieben). Aber das ist eher meiner Faulheit als Deinen Erklärungskünsten zuzuschreiben. Jetzt sind bei mir beim Lesen dieses Artikels ein paar Fragen in den Sinn gekommen. Eigentlich hat mich das immer schon interessiert.
    Also beim Elektron macht sich der Spin durch ein magnetisches Moment bemerkbar. Und mit ein bisschen Messen und Rechnen kommt man auf den Spin h/2. Soweit klar. Aber dann kommen die Bosonen mit Spin 1… ok, ich will darauf hinaus: hat ein Photon dann auch ein magnetisches Moment? Mir wär das ja egal. Aber was kann man bei einem Photon wirklich messen, dass auf den Spin 1 schließen lässt? Hab ich nie kapiert.
    Warum nun ausgerechnet von denen mit Spin 1 (gut, ganzzahligen) mehrere an einem Ort sein können und die anderen nicht, kommt dann später, oder hab ich das schon verpasst?
    Naja, ich freu mich jedenfalls auf die Fortsetzungen.

    Viele Grüße
    Dahup

  15. #15 MartinB
    8. März 2012

    @dahup
    Danke für’s Lob.
    Nein, Photonen haben selbst kein magnetisches Moment – die sind ja auch elektrisch neutral.
    Dass Photonen Spin 1 haben müssen, kann man zum einen experimentell sehen: Wenn Elektronen in einem Atom angeregt werden und dann in einen niederenergetischen Zustand fallen und dabei ein Photon aussenden, dann ändert sich der Bahndrehimpuls genau um 1 – da der irgendwo bleiben muss, kann man daraus folgern, dass Photonen den Drehimpuls mit Spin 1 wegtragen. (Es gibt auch sogenannte verbotene (verboten heißt hier: Nicht so ganz erlaubt…) Übergänge, bei denen das anders ist, da muss dann das elektron auch noch seinen Spin umklappen).

    Auch theoretisch kann man zeigen, dass das Photon Spin 1 haben muss: wenn makroskopisch wieder die Maxwell-Gleichungen rauskommen sollen, geht das nur mit Spin-1-Teilchen. (Und auf die Weise zeigt man auch, das Gravitonen Spin 2 haben müssen) Dazu schreibe ich vielleicht demnächst was.

    Warum gerade Spin 1/2 das Pauli-Prinzip hat und Spin 1 nicht, ist eins der knifligsten Problem der QFT. Man kann das beweisen, aber einen halbwegs anschaulichen Beweis kenne ich nicht (Feynman hat es mal in den Dirac memorial lectures versucht, aber zumindest als ich das vor zig Jahren gelesen habe, fand ich es auch nicht sooo anschaulich.) Habe ich bisher also nur gesagt, aber nicht erklärt.

  16. #16 Patrick
    8. März 2012

    @Martin
    Vielen Dank für Deine Serie. Ich bin sehr gespannt wie es weitergeht. Du schreibst, das ein Elektron keine Ausdehnung hat. Ich habe das bisherige so verstanden, dass ein Elektron ein Wellenpaket im QFT Feld ist. Kann man im dann nicht +- die Grösse des Wellenpaketes zuordnen?
    Herzliche Grüsse

  17. #17 MartinB
    8. März 2012

    @Patrick
    Das ist nur die Kurzform für “Igenauer gesagt kann man ein Elektron in einem nahezu beliebig kleinen Raum einsperren”
    Es gibt also keine “Mindestgröße” für das Wellenpaket, das kann beliebig eng konzentriert sein. Und Wellenpakete zerlaufen auch – man kann also einem bestimmten Elektron nicht einfach die Größe seines Wellenpakets zuordnen, weil die sich ständig ändert, siehe auch die Animationen in meiner alten Serie:
    https://www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2010/10/die-schrodingergleichung-teil-iv-alles-im-kasten.php

  18. #18 dahup
    8. März 2012

    @Martin

    Dass Photonen Spin 1 haben müssen, kann man zum einen experimentell sehen: Wenn Elektronen in einem Atom angeregt werden und dann in einen niederenergetischen Zustand fallen und dabei ein Photon aussenden, dann ändert sich der Bahndrehimpuls genau um 1 – da der irgendwo bleiben muss, kann man daraus folgern, dass Photonen den Drehimpuls mit Spin 1 wegtragen.

    Tja, verblüffend, wie einfach manche Dinge dann doch sind. Danke. So wird’s schon absolut plausibel. Das der Energieunterschied zwischen den Zuständen irgendwo hin muss, hat man ja mit ein wenig Allgemeinbildung noch im Kopf, aber der Bahndrehimpuls … glasklar, nur drauf kommen muss man erstmal.

  19. #19 juergen
    9. März 2012

    Ich bin gespannt auf das Graviton. Nach dem Lesen Deiner ART Serie dachte ich das soweit verstanden zu haben, dass Gravitation eigentlich gar keine Kraft ist (Good Bye Newton) sondern eben nur eine Folge der Raumzeitkrümmung. In Wikipedia steht allerdings was von Gravitationsstrahlung, die aus den ART-Feldgleichungen folgt, und dewegen wird eben ein Graviton postuliert. Fragen über Fragen….

  20. #20 MartinB
    9. März 2012

    @juergen
    Ja, das dachte ich zuerst auch. Und dann habe ich gelernt, dass man die ART auch so uminterpretieren kann, dass man die Raumzeitkrümmung in ein Feld umdeutet, und das machen die Quantentheoretiker auch so. Ob ich das wirklich gut erklären kann, weiß ich nicht, mal abwarten…

  21. #21 Rainer
    19. November 2015

    Ich habe folgende Frage:  
    Elektron 1 sei auf dem niedrigsten Energieniveau, Elektron 2 möge auch darauf fallen. Elektron 3 kann nicht darauf fallen, denn das verbietet (wenn ich richtig verstanden habe) das Pauliprinzip.  
    Frage: Woher weiß Elektron 2 dass dort frei ist, bzw. woher weiß Elektron 3 dass dort alles besetzt ist? Gibt es eine Art Kommunikation, wird eine Information übermittelt, hängt es an den Welleneigenschaften der Elektronen oder ist es formal-mathematisch?
    Allgemeiner: wie stellt die Natur sicher, dass das Pauliprinzip auch eingehalten wird?

  22. #22 MartinB
    19. November 2015

    @Rainer
    ” wie stellt die Natur sicher, dass das Pauliprinzip auch eingehalten wird?”
    Das ist keine gültige Frage in der Physik. Wie stellt die natur sicher, dass Photonen nicht mit Überlichtgeschwindigkeit fliegen oder dass Elektronen nicht plötzlich ner anderen Gleichung gehorchen?
    Physik beschreibt die Natur, nicht mehr.

    Was das Pauli-Prinzip angeht, folgt es (allerdings ziemlich kompliziert) aus den Eigenschaften des Elektronfeldes – formal-mathematisch trifft es ganz gut.

  23. #23 erik||e oder wie auch immer . . . ..
    19. November 2015

    @Rainer
    Pauliprinzip, Photon/Lichtgeschwindigkeit, Elektron/Gleichung lassen sich mittels der Natur kosmologischer, mathematischer Konstanten beschreiben . . . ..
    Sicherlich sehe ich im Begriff “Natur” einen anderen Freiraum als MartinB ihn beschreibt . . . ..

  24. #24 Krypto
    19. November 2015

    @Rainer:

    Die von Dir vermutete Kommunikation gibt es nicht; vielmehr stellt man das Wirken von Kräften fest und Physiker versuchen, solche Zusammehänge zu beschreiben.
    So kommuniziert auch der Apfel vor dem Fall vom Baum auch nicht mit Mutter Erde. 😉

  25. #25 MartinB
    19. November 2015

    @Krypto
    Muss er auch nicht, weil es keine Schwerkraft gibt, sondern nur Raumkrümmung. Aber zwei elektrische Ladungen “kommunizieren” schon miteinander über das elektrische Feld – so abwegig ist die Frage, ob ein Mechanismus dahinter steht, also nicht. Aber da alle Elektronen zum selben Quantenfeld gehören, brauchen sie eben nichts anderes als sich selbst, um das Pauliprinzip einzuhalten.

  26. #26 erik||e oder wie auch immer . . . ..
    21. November 2015

    Wenn ich Schwerkraft durch Raumkrümmung beschreiben kann, dann sollte das auch für die anderen drei Elementarkräfte möglich sein . . . .. dann ist Raumzeit auch für alle anderen kosmologischen Konstanten verantwortlich . . . .. vielleicht auch für mathematische Konstanten? . . . ..
    Danke für die Inspiration.

  27. #27 Krypto
    22. November 2015

    @Erik:
    Dir ist schon klar, dass sich diverse Genies et al. die Zähne an der Vereinheitlichung ausbeißen? Und die Chancen für eine Feldtheorie sind da nicht besonders groß.

    @Martin:
    Stimmt! Da hinkt mein Vergleich mit der Gravitation. War ja nur ein plakatives Beispiel 😀

  28. #28 Krypto
    22. November 2015

    @Martin:
    Obwohl…wenn ich es mir genauer überlege, gilt gerade auch das für die Raumzeit mit der in ihr verwobenen Energie und Masse! 😉

  29. #29 Rainer
    22. November 2015

    Meine Frage #21 entsprang folgender Überlegung:
    Ausgangspunkt: eine befruchtete Eizelle. Zellteilung erzeugt 2, 4, 8, 16 usw. Zellen. Woher “weiß” Zelle 32 dass sie sich zu einer Leberzelle und nicht zu einer Lungenzelle hin entwickeln muss. Für eine Erklärung gab es immerhin den Nobelpreis.
    @Martin #22
    Ich habe angenommen, dass das Pauliprinzip nicht so fundamental ist wie etwa die Energieerhaltung und dass es von daher möglich sein könnte eine physikalische (nicht mathematische!!) Erklärung für die Elektronenschalenbefüllung zu geben.
    Nach #22 ist das Pauliprinzip zunächst einmal nur ein mathematischer Satz und ich hatte gehofft, dass man ihn wenigstens bei den Elektronenschalen “mit Physik füllen” kann.
    @Martin #25; @Krypto #24
    Gemäß ART bzw. QED “kommunizieren” Massen doch durch das Austauschteilchen Graviton und Ladungen durch das Austauschteilchen Photon oder mache ich da einen Fehler?
    Wie auch immer. Die Sache wird anscheinend immer philosophischer und läuft letztendlich auf die Frage raus: Warum beschreibt Mathematik die Welt so gut und wie real ist Mathematik. Aber das gehört in einen anderen Blog.
    An dieser Stelle ein Dank Euere Hilfe und ein dickes Lpb an Martin, der mit einer Engelsgeduld auch die merkwürdigsten Fragen beantwortet.

  30. #30 Krypto
    22. November 2015

    @Rainer:
    Weder ART noch QED postulieren ein Graviton.

  31. #31 MartinB
    22. November 2015

    @Rainer
    “ist das Pauliprinzip zunächst einmal nur ein mathematischer Satz ”
    Naja, was heißt nur. Es ist eine logisch-mathematisch notwendige Konsequenz von Relativitätstheorie und Quantenmechanik (sprich: QFT). D.h., wenn man das Pauliprinzip aufgeben will, dann muss man wohl SRT oder Qm über Bord werfen.
    Was die Austauschteilchen angeht – in der ART sind beide Betrachtungsweisen (Raumkrümmung und Felder/Gravitonen) äquivalent. Dazu habe ich ja letztes Jahr ausgiebig geschrieben.

    “Aber das gehört in einen anderen Blog.”
    Nö, das gehört auch in meinen blog, siehe den Text “Ist die Natur mathematisch”
    https://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2011/08/15/ist-die-natur-mathematisch/

  32. #32 erik||e oder wie auch immer . . . ..
    6. Dezember 2015

    @Krypto
    “Vereinheitlichung durch QFT”
    Immerhin kann die QFT zeigen, warum Energie in diskreten Portionen anzutreffen ist. Wenn ich die absolute Raumzeit als [ 1 ] betrachte, dann ist [exp(i*π)] die Bewegung von Energie welche durch die Raumzeit bewirkt wird. Wie kommunizieren absoluter Raum und bewegte Energie? In dem die absolute Raumzeit [ 1 ] sich als diskrete Portion von Energie (bewegte Energie) abbildet. Mathematische Konstanten sind abstrakte Grössen. Jetzt müssen wir rausfinden, wieviel “Physik in die Mathematik einfliesst”- würde Rainer sagen. Warum ist das Plancksche Wirkungsquantum so gross wie es gross ist? oder Warum gibt es 4 Elementarkräfte und wie lassen sich diese durch die flache Raumzeit beschreiben?
    Ich habe Spass daran mir Gedanken darüber zu machen . . . ..

  33. #33 Karl-Heinz
    30. Oktober 2017

    Artikel zum ScienceBlogs Blog Schreibwettbewerb 2017: Wir basteln uns einen Elektronenspin

    https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2017/10/29/wir-basteln-uns-einen-elektronenspin/

  34. #34 Luca E.
    65388
    14. Juli 2019

    Hallo, hier ist der Außerirdische !

    Oha, hier spricht einer die Frage des 21.Jahrhunderts an. Vielleicht schafft ihr es das Spin-Desaster phänomenologisch neu zu begreifen. Bisher wurde er in eurer Zeitfrequenz entwickelt, die einer sehr fragwürdige Verkörperung beinhaltet. Nun gut, das waren die Kinder jener Zeit, die den ganz großen elementaren Überblick in eurem Raumzeit-Kontinuum nicht erfassen konnten. Aber es liegt damit kein Grund vor, an dieser fragwürdigen Errungenschaft festzuhalten. Das tragende System ist bis auf weiteres unverstanden. Die Kathedralen der Physik, die nur beeindrucken, aber nichts beweiskräftiges hervorbringen, lenken euch in eine irreführende Richtung. Ihr müsst einfach davon ausgehen, das euren hochgelobten Eminenzen der Wissenschaft beim Absteigen in die Materie mit ihren ganzen Instrumenten einige Irrtümer unterlaufen sind. Es sind viele Dinge falsch gedeutet worden und es wurde vieles übersehen.
    Die Pionier-Experimentatoren wie Isaac Newton, Lord Kelvin, Robert Boyler, Laurent de Lavoisier, John Dalton, Michael Faraday und die Person, die euch Physikern allen die Zunge rausgestreckt hat, warum auch immer, haben noch wertvolle Erkenntnisse und Erfindungen hervorgebracht. Sie haben das Gerüst der Materie aufgebaut. Es wurden noch intelligente Experimente durchgeführt. Heute geht ihr leider von mathematischen Voraussagen und PIXEL-Experimenten aus und viele Fragen bleiben immer offen. Man kann sogar sagen, dass eure Wissenschaft sich Alchemistisch zurück entwickelt hat. Viele vorhandene Modelle geben den Sachverhalt nicht vollständig wieder. Es führt sogar zu physikalischen unsinnigen Konsequenzen, die leider das Verständnis in der Physik noch undurchsichtiger machen und keiner von euch merkt es mehr. Das quantenmechanische Denken hat sich als unmöglich erwiesen, sodass alle Phänomene auf unveränderliche Partikel und ihre Kräfte nicht zurückzuführen sind. Die Widersprüche und Ungereimtheiten in euren Theorien nötigen euch neue Eigenschaften in das Raum-Zeit-Kontinuum einfließen zu lassen.
    Bei Google habe ich eine Persönlichkeit ausfindig gemacht, die den Spin mit neuen Ideen zu erklären versucht. Mit der Bezeichnung “Feldbrückenschlag-Mechanismus”. Vielleicht solltet ihr dieses in aller Ruhe mal durchlesen. Eure Begrifflichkeitswörter, die euren Entwicklungsstand darstellen, sind nicht zielgenau um mehr Phänomene aus Experimenten zu regenerieren oder überhaupt zu verstehen ( CERN in Genf z.B das Higgs-Teilchen).
    Eure begrenzte sinnliche Auffassung der Menschheit ist nicht das Maß aller Dinge. Es geht immer weiter in tausende Bereiche der multidimensionalen Strukturen. Auf eurer Basis könnt ihr kein endgültiges Verstehen der Materie erreichen und das wird auch eine lange Zeit noch so bleiben.
    Habt ihr eigentlich verstanden, warum “er” euch die Zunge rausgestreckt hat ? Dann legt mal los

  35. #35 Luca E.
    65388
    14. Juli 2019

    Ausdruck der physikalischen Hilflosigkeit

    Platon (ca. 360 v.Chr.) hat gesagt: „Alles besteht aus vier Elementen: Erde, Luft, Feuer und Wasser.“ Heute sagt man, dass alles aus Protonen, Neutronen, Elektronen und Higgs-Teilchen besteht. Gibt es da einen philosophischen Unterschied? Was Materie ist, wisst ihr heute auch noch nicht. Im Jahre 2018 n.Chr.

    Dazu eine Anregung an die Wissenschaft:

    Beim experimentellen Eindringen in die Welt der kleinsten Teilchen der Atome und ihrer Bestandteile ergeben sich besondere Probleme, weil nicht von vornherein klar ist, in welcher Weise die Eigenschaften der atomaren Objekte beschrieben werden können. Man sollte von der mathematischen Ausleuchtung vielleicht mal abrücken und der experimentellen Fantasie mehr Platz einräumen, denn der Zufall ist der beste Assistent der Forschung. Die Vielzahl einfacher physikalischer Körper agieren auf viel komplexere du mysteriösere Art, als es sich seine Majestät des menschlichen Geistes vorstellen kann.
    Das elektromagnetische System besitzt viele Dimensionen der Realität, die innerhalb des physischen Systems nicht wahrgenommen werden können. Bislang konnten die Wissenschaftler Materie nur an jenen Erscheinungsbildern studieren, die innerhalb ihres Bezugsrahmens wahrnehmbar sind. Materie, wie ihr sie innerhalb eures physischen Systems wahrnehmt, ist eher wie ein Echolot oder ein Schattenbild, deren unendliche Vielfalt von Schwingungen im Raum-Zeit-Kontinuum sind. Mit einer Weiterentwicklung von feineren physikalischen Instrumenten jedoch, werden in Zukunft mehr Phänomene, die derzeit noch als merkwürdig und verzerrend empfunden werden, verständlich sein.
    Solange ihr nicht die Frage beantworten könnt, welche Auswirkung der Spin in der Materie hat, könnte es meiner Meinung nach sein, dass alles, was ihr wisst und worauf ihr so stolz seid, Unsinn ist. Man sollte von einigen Standpunkten, die die Weiterentwicklung eurer Physik ausbremsen, mal abrücken. Hierzu müsste zunächst einmal akzeptiert werden, dass der Elektronenspin ein Fachausdruck für den Eigendrehimpuls des Teilchens und keine irreführende Darstellung ist. Darüber hinaus hat es eben doch mit einer räumlichen Drehung, die sogar beeinflussbar ist, zu tun. Ebenso ist die unendliche Eigenenergie eines Elektrons Bestandteil der Materie, was wiederum alles mit dem Eigendrehimpuls des Elektrons zusammenhängt. Die Welt, wie ihr sie kennt, beinhaltet eine ausgedehnte multidimensionale Struktur, da immer alles in Bewegung und um sich kreisend ist. Da ist nichts punktförmig.

  36. #36 Herr Senf
    14. Juli 2019

    R. fehlt nur noch die Bedeutung der Quantenphysik für die Homöopathie.

  37. #37 Arrakai
    14. Juli 2019

    Neee, R. geht es doch eindeutig um die Bedeutung der Quantenphysik für die Astrologie…

  38. #38 MartinB
    14. Juli 2019

    @Luca
    Bitte keine Textwände mit irgendwelchen wirren Alternativ-Physik-Ideen auf meinem blog, die sind hier unerwünscht.

  39. #39 Andudi
    28. August 2022

    supper Erklärung, ich habe da noch eine Frage zum Stern-Gerlach-Experiment: da richtet sich doch das äusserste Elektron im Magnetfeld aus, die inneren heben sich wegg… warum spielen denn hier die h/2 Spins der Protonen keine Rolle, richten sich diese nicht auch im Feld aus? da müsste doch auch eines übrig sein wie bei den Elektronen?

  40. #40 MartinB
    29. August 2022

    Das magnetische Moment eines Teilchens ist umgekehrt proportional zur Masse. Die Protonen sind viel schwerer als die Elektronen, deswegen sind ihre Momente viel kleiner.

  41. #41 Andudi
    29. August 2022

    ok, alles klar! danke Martin