Unsere Welt zu verstehen:  Quantenfeldtheorie Teilchensorte

Gian Francesco Giudice (2009):

 
Werfen wir einen Stein in die Mitte eines Sees, so können wir beobachten, wie die durch den Stein verursachte Störung sich auf der Wasseroberfläche als kreisförmige Welle fortpflanzt.

 
Erreichen diese Wellen eine entfernte Boje, so wird diese in Auf- und Abbewegung versetzt.
 
Die Wirkung des Steins auf die Boje kommt nicht als Fernwirkung zustande, sondern durch die sich fortpflanzende Welle.
 
Auf eben diese Weise transportieren Felder die Information von Kräften durch den Raum.
 
Ein System reagiert ausschließlich auf die Wirkung solcher Feldanregungen in seiner Nähe.

 
Wir können uns das Quantenfeld als ein riesiges, den gesamten Raum bedeckendes Meer vorstellen. An verschiedenen Stellen türmen sich Wellen auf, Wogen und Dünungen, die sich entlang seiner Oberfläche fortpflanzen. Einzeln betrachtet erscheinen sie uns wie isolierte Einheiten. Tatsächlich aber sind alle Teil derselben Substanz: des Meeres.
 
Ebenso enthält das Quantenfeld Energieportionen, die sich im Raum ausbreiten und jeweils dem entsprechen, was wir als Teilchen bezeichnen.
 
Tatsächlich aber sind Teilchen nur eine Manifestation der Grundsubstanz, die den Raum ausfüllt — eine Energie tragende Anregung des Quantenfeldes.
 
 
Teilchen sind Lokalisierung der Feldenergie, ebenso wie Wellenkämme im Meer lokalisierte Anstiege des Wasserspiegels sind.
 
 
So gesehen wird die Dualität von Teilchen und Welle — für die Pioniere der Quantenmechanik noch recht unerklärlich — vor dem Hintergrund der Feldquantisierung nun gut verstehbar.
 
 
Nehmen wir z.B. Elektronen: Wir halten sie für diskrete Teilchen, tatsächlich aber sind sie Energieanhäufungen im Quantenfeld, welches sich über den gesamten Raum erstreckt.
 
 
Jede Teilchensorte hat ihr eigenes Quantenfeld — es gibt das Feld der Elektronen, das Feld der Neutrinos, usw.
 
Und ebenso gibt es Felder für sämtliche Wechselwirkungen.
 
Zwei Beispiele wären:

• Bei geladenen Teilchen entspricht das Quadrat der Feldwerte der lokalen Ladungsdichte.
   
• Beim Photon entspricht das Feld dem elektromagnetischen (Vektor)-Potential.

In einer menschlichen Population ist jedes Individuum einzigartig. In Quantenfeldern ist das anders: Sämtliche Elektronen gleichen einander wie ein Ei dem anderen: Jedes Elektron ist exaktes Abbild all seiner Artgenossen, denn ein einziges Gebilde — das Elektronenfeld — beschreibt sie alle. Dieses Feld ist gepulst und konzentriert seine Energie in bestimmten Punkten des Raumes. Wir nehmen solche Energieanhäufungen als einzelne Elektronen wahr.
 
In einer stürmischen See entstehen zahlreiche Wogen und Wellen, manche riesig, mache winzig — doch sie alle bestehen aus derselben Substanz: Wasser. Ebenso können Elektronen unterschiedliche Geschwindigkeit haben; manche bewegen sich schnell, andere langsam — und doch haben alle Masse und Ladung, denn sie sind Manifestation desselben Feldes: Ein einziges Feld beschreibt sämtliche Elektronen im Universum.
 
 
Aus Sicht der Quantenfeldtheorie ist die elektromagnetische Kraft das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Feld der Elektronen und dem der Photonen.
 
Es ist als wäre das Meer in unserem Bild mit Wassermengen unterschiedlicher Farbe gefüllt (Farbe = Elementarteilchenart). Treffen Wellen unterschiedlicher Farbe aufeinander, sind die Auswirkungen wechselseitig: Manche Wellen verlieren sich, manche nehmen die Energie anderer Wellen auf und schwellen an, oder es entstehen neue Wellen. Stets jedoch ist die Wechselwirkung streng lokal.
 
Die Teilchenwelt ist einen unablässigen Wandel unterworfen, in der ständig Energieportionen neue Ausprägung annehmen, entstehen und vergehen wie Wellen in stürmischer See. Ein Teilchenbeschleuniger — wie etwa der LHC am CERN — verursacht sozusagen einen "Sturm" gewaltiger Kraft, bei dem zwei gigantische Riesenwellen aufeinander krachen und so hoffentlich auch neue, bisher noch nicht beobachtete Wellen hervorbringen.
 
 
Eine bedeutende Konsequenz der Quantenfeldtheorie war die erfolgreiche begriffliche Vereinigung von Strahlung, Materie und Kraft (drei Erscheinungs­formen der Energie, die wir für gewöhnlich als etwas völlig Unterschiedliches erleben).