primordiale Gravitationswellen im Zuge der Inflation

TomS

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Das hat eben (bis 1°) nichts mit den QF zu tun sondern mit den BAO.
Nochmal, BAO kommt später.

Vor dem Re-Heating steckt die Struktur in den Quantenfluktuationen des Inflaton- und des Gravitationsfeldes. Im Zuge des und nach dem Re-Heating wandert diese Information in klassische Felder / Teilchen / DM / BAO / CMB … und deren Temperaturfluktuationen.

Wie funktioniert dieser Übergang von quantenmechanisch zu klassisch? Das ist die Frage, alles andere sind Details.
 

Rainer

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Wie funktioniert dieser Übergang von quantenmechanisch zu klassisch?
Tja, das nehme ich auch nur als gegebene Annahme, doch es scheint so zu sein, woher käme sonst ρ des Universums.
Ich halte es wie gesagt für ein kleineres Problem als Flatness und Horizontproblem. Es erklärt sogar, woher die Energie des Universums kommt.

Was passiert denn mit der Energie wenn das Higgsfeld sich verändert?

Apropos noch eine Frage zur Masselosigkeit.

Wie kann ein Teilchen denn objektiv Masse annehmen, wenn seine Energie vorher ja nur relativ ist? Das geht nur mit einer ausreichend großen Schwerpunktenergie. Wo kommt der Schwerpunkt her und wer garantiert, dass die Energie dort ausreichend groß ist? Das Teilchen kann ja nicht verschwinden, nur weil nicht genügend Energie für die Masse da ist?
 
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TomS

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Ich sehe es genau anders herum.

Neben der Frage, in wie weit die Inflation angesichts des Zoos der Modelle und der fehlenden Testbarkeit überhaupt als wissenschaftliche Theorie ernst genommen werden kann, ist es das zentrale Problem.

Das "this completes the argument" ist falsch.

Ein Beispiel: Du suchst eine sichere Anlageform für dein Erspartes trotz Inflation von 3% pro Jahr. Ich nenne dir eine Venture Capital Beteiligung an Biochemie-Startups, die extrem teure Pharma-Wirkstoffe zur Krebsbekämpfung mit einer täglichen Wachstumsrate von 30% herstellen. "This completes the argument".

Würdest du dich mit dieser Argumentation zufriedengeben?
 
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Rainer

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Neben der Frage, in wie weit die Inflation angesichts des Zoos der Modelle und der fehlenden Testbarkeit überhaupt als wissenschaftliche Theorie ernst genommen werden kann, ist es das zentrale Problem.
Der Zoo kann nicht ernst genommen werden, aber die Grundidee sehr wohl, jedenfalls seit die exponentielle Expansion beobachtet wurde. Vorher hätte ich auch nichts darauf gegeben.

Es ist ja keine wilde Annahme, sondern ergibt sich aus der Rückwärtsextrapolation als notwenige bzw naheliegende Ingredienz.
 

TomS

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Apropos noch eine Frage zur Masselosigkeit.

Wie kann ein Teilchen denn objektiv Masse annehmen, wenn seine Energie vorher ja nur relativ ist?
Das kann man mittels des Teilchenbegriffs nicht erklären.

Man benötigt ein Quantenfeld, sowie dessen teilchenartige Anregungen.
 

Rainer

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Man benötigt ein Quantenfeld, sowie dessen teilchenartige Anregungen.
Das Teilchen existiert ja nur ohne Masse, mangels Higgs. Nun wird es kälter und das Higgs muss dem Teilchen Masse verleihen, woher kommt die Energie nun? Nimmt es die Enegie aus dem Vakuum und das Vakuum bezahlt dafür? dΛ/dt < 0
 
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TomS

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Nun stellst du eine völlig andere Frage.

Die erste ist: wie verleiht das Higgsfeld einem Teilchen Masse?
Die zweite wäre: wie unterscheidet sich das bei verschiedenen Temperaturen?
Aber die nullte Frage ist: was ist überhaupt ein Teilchen im Rahmen der Quantenfeldtheorie?

Das braucht aber m.E. einen eigenen Thread.
 

Rainer

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Die erste ist: wie verleiht das Higgsfeld einem Teilchen Masse?
Die zweite wäre: wie unterscheidet sich das bei verschiedenen Temperaturen?
Aber die nullte Frage ist: was ist überhaupt ein Teilchen im Rahmen der Quantenfeldtheorie?
1. es koppelt und verleiht dem Teilchen daher Trägheit
2. es koppelt bei höherer Temperatur nicht, daher keine Trägheit.
3. Eine Anregung des Teilchenfeldes bzw besser gesagt der beiden Felder E×B der jeweiligen Teilchenart.

Das sind nicht die Fragen, sondern woher die exakt gequantelte Energie c²m kommt.
 

TomS

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1. es koppelt und verleiht dem Teilchen daher Trägheit
2. es koppelt bei höherer Temperatur nicht, daher keine Trägheit.
3. Eine Anregung des Teilchenfeldes bzw besser gesagt der beiden Felder E×B der jeweiligen Teilchenart.

Das sind nicht die Fragen, sondern woher die exakt gequantelte Energie c²m kommt.
Das Higgsfeld koppelt nicht an das Teilchen (w.g. 3) sondern an den Feldoperator. Und bei höherer Temperatur koppelt das Higgsfeld weiterhin identisch an andere Felder, allerdings hat das Higgsfeld da verschwinden Erwartungswert, so dass kein effektiver Masseterm vorliegt (vermutlich meinst du das).

Letztlich stimmt das, was du sagst.

Nur dann verstehe ich diese Frage nicht:
… sondern woher die exakt gequantelte Energie c²m kommt.
Wieso soll die Energie gequantelt sein? Was meinst du damit?
 

Rainer

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Wieso soll die Energie gequantelt sein? Was meinst du damit?
Jedes Elementarteilchen hat seine dezidierte Masse, das ist eine Quantelung, mehr wollte ich nicht sagen.
Aber das ist das Problem, die Masse bzw Energie muss genau stimmen.
Aus der Frequenz des Teilchens vorher kann sie eigentlich nicht stammen, denn was wäre das Bezugssystem für diese?

Das Bezugssystem kann nur das resultierende Teilchen mit Masse sein, denn das Higgs-Feld hat kein Bezugssystem. Die Masse m ist hingegen lorentzinvariant.
c²m = f·h
f = c²m/h
Das massebehaftete Teilchen müsste sich also so bewegen, dass es in diesem Bezugssystem vorher diese Frequenz hatte. Das sieht für manchen Beobachter so aus, als ob es die Richtung wechselt und Energie aus dem Nichts schöpft
f'h ≪ c²m·γ'
Für andere Beobachter sieht es so aus, als ob es nur langsamer wird und Energie verliert
(und womöglich für wieder andere Beobachter gewinnt es dabei Energie).
f"h ≫ c²m·γ"

Naja vlt weiß ich die Lösung.
Es gibt kein einzelnes Teilchen es muss immer ein Partnerteilchen in entgegengesetzter Richtung geben.
Gemeinsam haben sie im Schwerpunktsystem eine genau definierte Energie, die sich nie ändert. Dies sehen auch alle anderen Beobachter so, wenn sie richtig kalkulieren. Es sieht dann nur so aus, als ob sich Energie von einem auf das Partnerteilchen verlagert.

Nee, das haut auch nicht ganz hin, oder nur mit einer ganz speziellen Anfangsfrequenz f° > f. Das muss ich genauer nachrechnen.
 
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TomS

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Jedes Elementarteilchen hat seine dezidierte Masse, das ist eine Quantelung,
Na ja, das bezeichnet man eigentlich nicht als Quantelung oder Quantisierung.

Aber das ist das Problem, die Masse bzw Energie muss genau stimmen.
Aus der Frequenz des Teilchens vorher kann sie eigentlich nicht stammen, denn was wäre das Bezugssystem für diese?
Was denn für eine Frequenz, und warum irgendein Bezugsystem?

Die folgende Überlegung gilt unabhängig vom Bezugsystem:

Zunächst haben wir eine Gleichung wie z.B. die Dirac-Gleichung. Daraus folgen in der relativistischen Quantenmechanik Eigenlösungen mit einem Energiespektrum, das die relativistische Energie-Impuls-Beziehung erfüllt. Und dieses überträgt man mittels der kanonischen Quantisierung in die Quantenfeldtheorie, so dass die Eigenzustände bzw. nun die Basis des Fock-Raums das selbe Spektrum aufweisen.

gif.latex


Betrachtet man nun die Wechselwirkung masseloser Fermionen mit dem skalaren Higgs-Feld phi, und splittet dieses in seinen konstanten Vakuum-Erwartungswert plus Fluktuationen auf, so erhält man

gif.latex


D.h. aus der Wechselwirkung mit phi stammen sowohl eine effektive Masse der (nun nicht mehr masselosen) Fermionen als auch die weiterhin vorhandene Wechselwirkung der Fermionen mit den Fluktuationen des Higgs-Feldes, d.h. nach Quantisierung dann dem Higgs-Boson.

Ab hier funktioniert die Quantisierung wieder wie üblich für Felder bzw. dann Teilchen dieser (effektiven) Masse.

(man muss noch beweisen, dass der Formalismus für die Quantisierung auch dann konsistent bleibt, wenn diese effektive Masse aus dem Vakuum-Erwartungswert eines Feldes stammt; das ist tatsächlich ziemlich verwickelt, wurde aber in der 70ern gezeigt; 't Hooft und Veltman haben u.a., dafür 1999 den Nobelpreis erhalten)

Das Bezugssystem kann nur das resultierende Teilchen mit Masse sein, denn das Higgs-Feld hat kein Bezugssystem.
Das alles wird unabhängig von der speziellen Wahl eines Bezugssystems formuliert. Das Teilchen zeichnet hier kein spezielles Bezugsystem aus, abgesehen davon, dass ja gar keine klassischen Teilchen vorliegen.

Die Masse m ist hingegen lorentzinvariant.
Das Higgs-Feld ist ein Skalarfeld, d.h. sein Vakuum-Erwartungswert ist Lorentz-invariant, genauso wie die Masse; das passt alles zusammen.

Eine Frequenz spielt bei der Betrachtung nirgendwo eine Rolle, weder mathematisch noch experimentell.

Das massebehaftete Teilchen müsste sich also so bewegen, dass es in diesem Bezugssystem vorher diese Frequenz hatte. Das sieht für manchen Beobachter so aus, als ob es die Richtung wechselt und Energie aus dem Nichts schöpft
f'h ≪ c²m·γ'
Für andere Beobachter sieht es so aus, als ob es nur langsamer wird und Energie verliert
(und womöglich für wieder andere Beobachter gewinnt es dabei Energie).
f"h ≫ c²m·γ"
Das verstehe ich alles nicht; so betrachtet das niemand.

Du versuchst hier tatsächlich ein klassisches Teilchen zu betrachten, und das führt dich irgendwie in die Irre.
 
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Bernhard

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Na ja, das bezeichnet man eigentlich nicht als Quantelung oder Quantisierung.
Quantisierung sicher nicht. Quantelung findet man in der Fachliteratur so gut wir gar nicht (mehr). Deshalb kann man das auch im Sinne einer umgangssprachlichen Formulierung interpretieren. Ich persönlich werte diese Verwendung auch eher als mißverständlich.
 
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TomS

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Off topic: Auf Spektrum.de gab es zu diesem Thema einen weiterführenden Artikel: Ein Eigenbrötler besiegt die Unendlichkeit
Vielen Dank, sehr interessant. Dazu wäre ein eigener Thread sinnvoll.

Das interessante ist, dass man diese Probleme schon vor Jahrzehnten in den Seminaren zur QFT kurz erwähnt und dann immer zur Seite geschoben hat.
  • Die Störungsreihen sind höchstens asymptotische Reihen.
  • Die S-Matrix als analytische Funktion in der Kopplungskonstante g um g=0 (siehe auch im Artikel) lässt sich nicht realisieren.
  • Die QED (sicher) und die elektro-schwache Theorie (vermutlich) weisen einen sogenannten Landau-Pol auf, d.h. die aufgrund der Renormierung laufende Kopplungskonstante divergiert bei endlicher (!) Energie.
  • Die Störungsreihe der QCD versagt im Bereich von E ~ ΛQCD.
  • Instanton-Effekte skalieren mit 1/g².
  • Die Quantisierung mittels des Fock-Raums der freien Theorie wird beim Anschalten der Wechselwirkungen inkonsistent (Haag's Theorem).
Die im Artikel genannten Fortschritte hängen wohl auch mit Erkenntnissen zusammen, die insbs. auf Alain Connes zurückgehen – einen der wenigen herausragenden Mathematiker an der Schnittstelle zur Physik (Penrose, Atiyah) oder umgekehrt (Witten):


Was mir in dem Artikel weniger gefällt, ist die Darstellung der Feynman-Diagramme bzw. der Störungsreihe. Es klingt so, als würde man die Terme irgendwie aus der Luft herbeizaubern, jedoch ist genau das Gegenteil der Fall. Es gibt eine formale Größe, das Pfadintegral bzw. die effektive Wirkung, mittels derer sich die gesamte Störungsreihe mit allen Diagrammen durch eine einfachen algebraische Methode generieren lässt. Dies deutet darauf hin, dass es sich bei der Störungsreihe lediglich um eine unzulässige Darstellung eines mathematischen Objektes handelt, dass man noch nicht wirklich verstanden hat, das jedoch für sich betrachtet konsistent definiert werden kann.

Zwei einfache Beispiele:
  • die Funktion f(z) = 1 / (1-z) ist für alle komplexen Zahlen z ≠ 1 wohldefiniert; die Taylorentwicklung um z = 0 ist jedoch untauglich für |z| ≥ 1
  • die Lösung des 3-Körper-Problems als Phasenraum-Trajektorie (q(t), p(t)) ist numerisch instabil bzw. kann chaotisches Verhalten aufweisen, jedoch ist mathematisch exakt bewiesen, dass (außer auf einer Menge von Maß Null) die Lösungen analytisch sind und eine konvergente Reihenentwicklung zulassen
D.h. man darf annehmen, dass auch für QFTs derartige mathematische Objekte wie f(z) oder (q(t), p(t)) existieren, auch wenn wir diese heute noch nicht kennen, und unsere Näherungsmethoden sie nur unzureichend erfassen.
 
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Bernhard

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Vielen Dank, sehr interessant. Dazu wäre ein eigener Thread sinnvoll.
Klar. Ich habe aber aktuell auch nur den Spektrum-Artikel mit Interesse gelesen.
Es gibt eine formale Größe, das Pfadintegral bzw. die effektive Wirkung, mittels derer sich die gesamte Störungsreihe mit allen Diagrammen durch eine einfachen algebraische Methode generieren lässt.
Diese Methode kenne ich nicht. Ich kenne aber die "alte" Art der Störungsrechnung, wie sie zB bei Bjorken&Drell beschrieben wird. Da hat man für jede Ordnung verschiedene (Mehrfach)integrale mit den zugehörigen Divergenzen und Renormierungen, im Buch dann bis zur vierten Ordnung. Das stimmt mit der Darstellung im Artikel für mich recht gut überein.
 

TomS

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Das ist kein Widerspruch.

Die konkrete Berechnung eines Matrixelementes = eines Feynman-Diagramms inkl. Renormierung ist immer noch exakt die selbe.

Der Unterschied besteht darin, wie du die zu berechnenden Feynman-Diagramme erzeugst.

Bjorken&Drell leiten das explizit aus den Matrixelementen, Symmetrie-Überlegungen, Normalordnung usw. her.

Das Pfadintegral bietet dir ein erzeugendes Funktional, aus dem heraus du alle Feynman-Diagramme erzeugst.
 

Rainer

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Heißt das, dass es nur um die Vollständigkeit geht? Oder geht es um eine Automatisierung, also Reihenbildung?
 
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