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THEMA: Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums

Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 11:48 #6540

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Liebe Forumsgemeinde

In der Folge "Alpha Centauri 116 Was sind virtuelle Teilchen - Prof. Dr. Harald Lesch" bringt Herr Lesch ein Beispiel von einem Elektron am "Ende des Universums" das seine Existenz einem Proton bei uns über virtuelle Photonen mitteilt.
Nach längerem Nachdenken über dieses Beispielt stellten sich mir ein paar Fragen die ich mir selbst auf Grund meiner bescheidenen Mathematik und Physikkenntnissse nicht selbst beantworten kann. Vielleicht kann mir ja Jemand bei der einen oder anderen Frage helfen?

Nehmen wir an ein Positron und ein Elektron sind "nur" 1 Lichtjahr voneinander enfernt (und alleine im Universum)

a) wieviele Photonen werden von dem Elektron zB pro Sekunde ausgesendet ? (ich nehme an in einen kugelförmigen Raum um das Elektron herum)

b) wieviele davon können dann überhaupt mit dem 1 Lichtjahr entfernten Positron wechselwirken ? (das Positron "treffen")

c) falls es nur wenige sind mit welcher Wahrscheinlichkeit (1 pro sec, 1 pro Jahr, 1 pro Tausend Jahren) ?

d) kann es sein dass die Wahrscheinlichkeit so gering ist dass das Positron in den vergangen ca 13 Milliarden Jahren seit dem Urknall eventuell noch gar keine Chance hatte vom Elektron etwas zu erfahren.

Mir ist klar dass die Elektromagnetische Kraft in einer so einer grossen Entfernung sehr sehr klein ist aber theoretisch kann sie ja nicht null sein (aber eventuell in so einem Fall dann ja doch).

Bin mal gespannt auf die Antworten.
Grüße, Helmut

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 12:43 #6541

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Hallo HeSch und willkommen,
Also diese Beitrag von Herr Lesch und das hier ist schwer zusammen zu bringen aber an der frage da.... nun gut die Teilchen bleiben da immer Bei 1 Lichtjahr Entfernung dann:
a. 0 ; Nun da es recht trocken ist, ein Elektron Strahlt keine Photonen einfach so aus, daher ergeht bei restlichen fragen
b. alle
c. 100%
d. nein.

Gruß Chris

Ja ich kann alles, sogar definieren was ich nicht kann.

Man muss noch Chaos in sich haben, um einen tanzenden Stern gebären zu können.
**Der Friedrich**

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 17:00 #6542

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Hallo Chris. Ich hoffe Sie wundert es nicht dass mich Ihre Antwort nicht wirklich zufriedenstellt.
Es gibt doch eine Elektromagnetische Kraft die im Prinzip eine unendliche Reichweite hat und die nach der QED durch Austausch von (virtuellen) Photonen vermittelt wird.
Und mit dem Beitrag von Herrn Lesch hat das insofern zu tun dass er selbst das Beispiel von einem Positron und einem "am Rand des Universums" befindlichen Elektrons bringt die über Virtuelle Photonen wechselwirken.
Denke nicht dass meine Frage so blöd ist dass sie eine solche Antwort verdient hat.
Irgendjemand im Forum der mich da eventuell etwas ausführlicher aufklären kann?

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 17:10 #6543

huhu hesch, und willkommen in unserer runde :)

ich hab die sendung nur schwammig in erinnerung aber ich glaube da vermischt du gerade 2 aussagen von harry.
wie chris schon sagte wird da nicht einfach ein prhoton abgestrahle, es handelt sich vielmehr um ein zusammenspiel verschiedener bosonen.
darunter sind: photon, B0, Z0, 3 W-bosonen (W0, W1 und W2
dabei muss man etwas tiefer in die quantenfeldtheorie einsteigen, will und kann ich verständlicherweise nicht in einem beitrag hier abtippen.

bei der frage nach wahrscheinlichkeiten eines "treffers" muss man wissen, dass die austauschteilchen, also bosonen immer die beiden teilchen von einander wissen lassen, und zwar in einem intervall bei ca 10-23 sek, wenn ich mich nicht irre. dazu benutzen diese massebehafteten eichbosonen das sogenannte skalare higgs-feld. aha, also erkenntnisse, die noch gar nicht so alt sind...

die beiden teilchen "wissen" also jederzeit, dass "da hinten" ein teilchen mit EM-kraft auf mich wirkt.
EM-kraft und gravitation sind die beiden kräfte, die mit 1/r2 wirken, das heißt - um mal auf den letzten satz zu kommen - es wirkt mit unendlicher reichweite, wie du schon sagtest. auch in diesem fall wäre sie natürlich niemals 0, da beißt die maus keinen faden ab.

wenn du dir versinnbildlichen willst wie das mit der reise und der wahrscheinlichkeit des auftreffens eines photons auf irgendwas aussieht, dann betrachtest du einfach mal den nachthimmel.
er ist dunkel, was uns schonmal sagt, das universum ist endlich, sonst gäbe es unendlich viele sterne und wir hätten es immer taghell.
desweiteren ist es leer! ein teilchen pro m3. das heißt, dass das licht der sterne in 13mrd jahren entfernung auf absolut nichts getroffen sind.

wahrscheinlichkeit eines zusammenstoßes ist auch so eine größe in der physik, aufgrund des welle-teilchen-dualismus.
in sogenannten laserfallen werden beispielsweise ionen zum stillstand gebracht mittels photonen. das dauert ewig, da man den teilchen eben nur im mittel genau eins auf den deckel gibt, sehr viele photonen, die in der temperaturschwingungsfrequenz auf das ion gefeuert werden, um es zum stillstand zu bringen, fliegen einfach daran vorbei. das wird als laserkühlung bezeichnet.
(wozu das ganze? laserfalle? das braucht man beispielsweise um teilchen miteinander zu verschränken und quantencomputer zu bauen)

ich hoffe du findest auf diese weise wieder aus deinem gedankenexperiment heraus, denn solche fragen stellen sich eigentlich nur leute, die tief in der materie stecken. das thema ist zu umfassend, als dass man sich da ohne weiteres reinarbeiten kann, das dauert jahre.

und mein tip ist immer, streng nach vera f. birkenbihl (R.I.P!) :
wiederholungen im unterbewussten!
schau dir sendungen mit themen, die dich interessieren, ein bis zwei mal an und wenn du zeit hast und z.B. gerade am zocken bist, dann lass die nebenbei immer mal wieder laufen, so lernst du den stoff ganz unterbewusst.
dazu braucht das gehirn aber viel schlaf :)

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 17:49 #6545

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Hallo Ferdi Runge,

Danke dass Du dir soviel Mühe mit deiner Antwort gemacht hast. Ich werde sie ausführlich überdenken (soweit mir das überhaupt möglich ist)
Es ist halt so eine Sache mit den "Wissenschaftlichen Sendungen" die sich bemühen dem normalen Volk etwas
Verständnis für die moderne Physik zu vermitteln.
Falls Du dir die Mühe machen willst würd ich dich bitten dir mal folgendes Video zwischen 06:18 und 07:26
kurz anzusehen. Das war der Anstoss für meine Frage.


Um das Grundsätzliche aus meiner Sicht nochmal zusammenzufassen :
a) die Reichweite der Elektromagnetischen Wechselwirkung ist unendlich
b) zwischen Elektron und Proton muss (wird) ein (virtuelles) Teilchen ausgetauscht werden (Photon)
c) die Wechselwirkung erfolg mit Lichtgeschwindigkeit (weswegen das Photon ja auch die Ruhemasse 0 hat)

Grüße, Helmut

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 18:06 #6546

vielleicht ist es für alle einfacher dir zu helfen, wenn du mit deinem neueren wissensstand deine frage nochmal neu formulierst.
ich jedenfalls hab keine ahnung, was jetzt genau, nach diesen beschreibungen, deine frage ist.

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 19:43 #6550

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Liebe Gemeinde.

Also ich seh schon dass ich wahrscheinlich mit meinen "Vorstellungen" bzw den daraus resultierenden Fragen komplett daneben liege. Ich probiers noch einmal, werde aber möglicherweise wieder damit scheitern. Also mein vorerst letzter Versuch.

In Feynman Diagrammen wird die abstossende EM Wechselwirkung zwischen zwei Elektronen als Austausch eines Austauschteilchens (virtuelles Photon) dargestellt. Dabei "emittiert" ein Partner und der andere "absorbiert". (oder umgekehrt) Dabei wird ein "Impuls" übertragen und beide Teilchen ändern Ihre Richtung (EM Abstossung)

Im Video von Herrn Lesch wird die (theoretisch unendlich weit reichende) EM Wechselwirkung einem (mehreren) Virtuellen Photon(en) zugeschrieben das (die) zwischen Elektron und Proton ausgetauscht wird (werden).

Im Prinzip für mich zwei gleiche Beschreibungen desselben Sachverhalts von zwei anerkannten Autoritäten.

In meiner simplen Vorstellung dachte ich daher nun, dass zum Beispiel das Elektron Virtuelle Photonen "emittieren" muss, die dann bei dem zB 1 Lichtjahr entfernten Proton nach ca 1 Jahr eintreffen und dort wechselwirken (simpler ausgedrückt dieses "treffen") müssten. (Das emittierende müsste seine Richtung sofort ändern, das absorbierende nach einem Jahr)

Daher war meine ursprüngliche Frage wieviele virtuelle Photonen denn von zB dem Elektron "emittiert" werden (oder werden müssten) um mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit (oder sicher) mit dem Photon wechselzuwirken (oder simpel, es zu treffen).

Ich weiss nicht ob es mir jetzt gelungen ist mich verständlicher auszudrücken.

Kleine Zusatzfrage : Das Virtuelle Photon im Feynman Diagramm wird wahrscheinlich "spontan" bzw. mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit emittiert, oder lieg ich da auch schon wieder falsch (Chris sagt ja, wenn ich ihn richtig verstehe, dass ein Elektron gar keine virtuellen Photonen emittiert?)

Oder ist es so, dass das virtuelle Photon nur ein theoretisches Objekt ist welches eine vorhandene Wechselwirkung beschreibt. Dann stellte sich mir aber die Frage woher die beiden Elektronen überhaupt voneinander erfahren.

PS.: Auf Grund welcher Mechanismen das Elektron (falls es das jetzt doch tun sollte) ein virtuelles Photon emittiert hätt ich gerne beiseite gelassen. Kann mir schon denken (und hab auch schon darüber gehört) dass da Unmengen von Quantentheoretischen Dingen ablaufen von denen ich nicht die geringste Ahnung habe, bis hin dazu dass es das Elektron als singulären Punkt gar nicht gibt :)

Grüße, Helmut

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 20:13 #6551

wir reden immer von wirkungsfeldern.
das bedeutet, dass wir ein skalares feld brauchen, in denen sich massebehaftete bosonen "verständigen" können.
das higgs-feld bietet erstmals den nachweis, dass bosonen so funktionieren, wie wir sie verstanden haben.
die masse der bosonen, die daran beteiligt sind erhalten sie vom higgs-boson über die kopplung an das skalare feld, das alles durchzieht.
das ständige entstehen und vergehen von virtuellen teilchen brauchen wir um dieses verstehen zu können bzw um es zur rechnung aufzustellen.

das feld, das ein teilchen bildet, ist somit ständig von teilchenübertragungsträgern durchsetzt, also den bosonen.
nur sind diese in der zeit, in der sie "kräfte vemitteln" masselos. die masse gibt ihnen erst die kopplung an das higgs-feld.
so erreichst du ein feld, in dem sich die bosonen grandios symetrisch bewegen können und dennoch masse haben.
es ist noch verrückter: manche dieser bosonen enthalten den masseanteil anderer bosonen!
wenn einen das nicht umhaut, weiß ich auch nicht weiter, das ist eben quantenmechanik...

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 21:10 #6554

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Lieber Ferdi Runge,
ein phantastische Wissenschaft die heutige Physik. Leider werd ich nicht mehr Physik studieren auch bin ich gerade kein guter Mathematiker und ohne das gehts ja wohl nicht.
Bis ich wenigstens ein bischen mehr verstehe bleib ich, für mich, falls erlaubt, für meine Vorstellung und was meine Frage betrifft, bei folgender Vorstellung:
Das Elektron "emittiert" mit Lichtgeschwindigkeit laufend eine "gigantische" "Wolke" von "virtuellen Photonen" in den Raum. Sobald ein anderes Elektron in diese Wolke eintaucht gibts ein Wechselwirkung und die Elektronen reagieren aufeinander.
Soviel ich irgendwo gelesen habe wechselwirken Photonen selbst ja "normalerweise" nicht miteinander.
Lass mich aber sobald ichs besser verstehen kann auch von was Anderem überzeugen.
Hab übrigens irgendwo gelesen dass, wenn man 50 Physiker befragt was ein virtuelles Teilchen sei, man 60 verschiedene Antworten bekäme. Das ist aber sicherlich grandios übertrieben. :-) :-)
Grüße Helmut

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Letzte Änderung: von HeSch. Begründung: Schreibfehler (Notfallmeldung) an den Administrator

Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 21:18 #6555

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Merk aber grad nach dem Abschicken, dass das auch nicht sein kann, weil dann das "emittierende" Teilchen schon ohne einen Partner einen Effekt zeigen müsste. Mist, ist also doch weitaus komplexer. Lass meinen Beitrag trotzdem stehen, als Warnung an Alle die sich die Dinge zu einfach vorstellen :-( :-(

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 21:39 #6556

Hallo Ferdi Runge,

Kleine Hilfestellung: die Welt ist eingeteilt in Fermionen, das sind die Teilchen, die die Welt aufbauen, also die Quarks, die Elektronen, deren schwere Schwestern, das Myon und das Tau und die Neutrinos und dann gibt es die Bosonen. Das sind die Wechselwirkungsteilchen. Die haben idR Ruhemasse Null. Das gilt für die Photonen und die Gluonen. Letztere stehen für die starken Kernkräfte. Eine Ausnahme bilden die Bosonen der schwachen Kraft es sind dies das Z -Boson, das W+ und das W-. Die letzt genannten haben eine Masse. Sie sind also eher die Ausnahme in der Welt der Bosonen. Über diese experimentell gefundene Tatsache wäre beinahe das Standardmodell der Teilchenphysik gestolpert, wäre da nicht ein Herr Higgs so schlau gewesen, darauf hin ein Feld zu postulieren, das im ganzen Universum existent sein sollte, mit der Eigenschaft, dass es den massenhafteten Teilchen eben dieselbe verleihen sollte. Die Theorie sagt zudem voraus, dass es auch Selbstanregungszustände dieses Feldes geben sollte, also vermittelnde Bosonen. Wenigstens eines, vielleicht sogar mehrere. Eines fand man 2012 am CERN. Und das trägt jetzt seinen Namen. Das Higgsboson ist also der Nachweis, dass es besagtes Higgsfeld tatsächlich gibt und dass es den Elementarteilchen zu ihrer Ruhemasse verhilft.
Im Buch Urknall, Weltall und das Leben findest du das Standardmodell der Teilchenphysik in einer zusammenfassenden Abbildung. Diese Abbildung erleichtert das Verständnis sehr.
Grüße
Thomas

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 22:35 #6562

Ich greife mal das oben genannte Szenario auf, dass im Universum nur ein Elektron und ein Positron sind, die 1 Lichtjahr voneinander entfernt sind (Rechnung ohne Gewähr).

F = 1/(4*pi*eps0)*e²/r² = 2,6 *10^(-60) N

--> a = F/m = 2,8*10^(-30) m/s²

Wie lange dauert die Beschleunigung?

Gemäß der Formel s=1/2*a*t²
Setzt man für t 13,8 Milliarden Jahre ein, ergibt sich in dieser Zeit gerade mal eine Annäherung von 270 km. (Bei der geringen Entfernung kann man Kraft und Beschleunigung in etwa als konstant ansehen, so dass die Abschätzung valide ist.)

Nicht extra gekennzeichnete Beiträge sind normale private Beiträge. Sie sollten genauso diskutiert und kritisiert werden wie alle anderen Beiträge auch.

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Alpha Centauri 116 - Elektron am Rande des Universums 26 Mai 2016 23:48 #6569

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@ ClausS - Danke für die Rechnung das ist doch mal eine Aussage
@ Alle
Also egal was ich lese und google es läuft immer auf dasselbe hinaus zB
www.physik.uni-mainz.de/lehramt/Lehrsystem/Tour/TourFra6.html
Zitat :
"Wie stellt man sich nun die Abstoßung zweier Elektronen voneinander im Bild der Teilchenphysik vor?
Die Elektronen tauschen mehrere Photonen aus, die Energie und damit auch Impuls tragen: strahlt das Elektron (a) ein Photon ab, ändert sich seine Richtung von der Photonrichtung weg. Dies kennen wir vom Stoß, der Impuls muß erhalten bleiben.
Das zweite Elektron (b) absorbiert das Photon und ändert seine Richtung in Photonrichtung, auch hier hat ein inelastischer Stoß stattgefunden.
Hier haben wir nur die Übertragung eines Photons vom Elektron (a) zum Elektron (b) betrachtet, tatsächlich läuft dieser Vorgang in beiden Richtungen ab und es werden viele Photonen ausgetauscht, um die gesamte Coulomb-Wechselwirkung wie wir sie kennen darzustellen. Dieser Prozeß kann nur im Rahmen der Heisenbergschen Unschärferelation stattfinden. Dabei ist zu beachten, daß ein Stoßpartner vorhanden sein muß."
Zitat Ende

Und zu meiner Vorstellung im vorherigen Post mit dem Elektron das eine Menge von Photonen in alle Richtungen "emittiert" stell ich mir das jetzt so vor. Das einzelne Elektron "emittiert" in alle Richtungen damit heben sich die Impulse auf. Kommt ein zweites Elektron ins Spiel wird das erste Elektron von Photonen des zweiten Elektrons "getroffen" und umgekehrt. Damit ergibt sich ein Gesamtimpuls wie im Feynman Diagramm für ein Photon dargestellt. Hurra meine Welt ist zumindest momentan wieder in Ordnung.
Grüße Helmut

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