QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie (German Edition)

in jeder Hinsicht stets gleich aus, egal ob sie sich in der Zeit vorwärts oder rückwärts bewegen, sie sind ihre eigenen Antiteilchen – oder anders gesagt, wir machen die Ausnahme gleich zum Bestandteil der Regel!
    Im folgenden möchte ich Ihnen zeigen, wie sich dieses rückwärts laufende Elektron für uns, die wir uns ja in der Zeit vorwärts bewegen, ausnimmt. Der besseren Übersichtlichkeit halber werde ich das Diagramm durch parallellaufende Linien in Zeitabschnitte T 0 bis T 10 unterteilen (vgl. Abb. 64). Beginnen wir bei T 0 mit einem Elektron und einem Photon, die sich aufeinander zu bewegen. Plötzlich – bei T 3 – spaltet sich das Photon in zwei Teilchen, ein Positron und ein Elektron. Das Positron soll sich seines Daseins nicht lang erfreuen: Es rennt in das Elektron – und zwar bei T 5 , wo sie einander vernichten und ein neues Photon erzeugen. Das vom ursprünglichen Photon geschaffene Elektron setzt seinen Weg durch die Raumzeit derweil ungerührt fort.

     
    Als nächstes wollen wir uns einmal ein Elektron in einem Atom ansehen. Zum Verständnis seines Verhaltens müssen wir einen weiteren Grundbestandteil hinzufügen, den Atomkern – den schweren Teil im Zentrum des Atoms, der mindestens ein Proton enthält. (Das Proton, mit dem wir uns in der nächsten Vorlesung befassen wollen, wird sich als regelrechte »Büchse der Pandora« entpuppen.) Vorerst will ich Sie mit den korrekten Gesetzen für das Verhalten des Atomkerns, die äußerst kompliziert sind, nicht behelligen. Außerdem können wir in diesem Fall, in dem sich der Kern im Ruhezustand befindet, sein Verhalten dem eines Teilchens annähern, dessen Amplitude, von einem Ort in der Raumzeit zu einem anderen zu wandern, sich nach der Formel für E(A nach B) berechnen läßt, nur daß n viel größer ist. Genaugenommen befindet sich der Atomkern nicht im Ruhezustand; da er jedoch verglichen mit dem Elektron so viel schwerer ist, dürfen wir näherungsweise behaupten, daß er, während er sich durch die Zeit bewegt, seinen Ort im wesentlichen beibehält.

     
    Das einfachste Atom, das sogenannte Wasserstoffatom, besteht aus einem Proton und einem Elektron. Durch Photonenaustausch hält das Proton das Elektron, das es umtanzt, in seiner Nähe fest (vgl. Abb. 65). 20 Auch Atome mit mehr als einem Proton und der entsprechenden Anzahl von Elektronen streuen Licht (die Atome in der Luft zum Beispiel das Sonnenlicht und lassen den Himmel blau erscheinen), aber die Diagramme für diese Atome wären für uns ein völliges Chaos aus geraden und gewellten Linien!
    Nun möchte ich Ihnen anhand eines Diagramms die Streuung von Licht am Elektron des Wasserstoffatoms zeigen (vgl. Abb. 66). Während Elektron und Kern Photonen austauschen, stößt, von außen kommend, ein Photon auf das Elektron und wird absorbiert, woraufhin ein neues Photon emittiert wird. (Wie gewöhnlich müssen daneben noch andere Möglichkeiten berücksichtigt werden, etwa, daß das neue Photon emittiert wird, ehe das alte Photon absorbiert worden ist.) Die Gesamtamplitude für alle Möglichkeiten, wie ein Elektron ein Photon streuen kann, werden schließlich zu einem einzigen Pfeil addiert (den wir später »S« nennen wollen). Dieser Pfeil, das Ergebnis bestimmter Verkürzungen und Drehungen, variiert je nach Material, da er vom Atomkern und der Anordnung der Elektronen in den Atomen abhängt.

     
    Nehmen wir uns jetzt erneut die partielle Reflexion des Lichts an einer Glasscheibe vor. Wie kommt sie wirklich zustande? Als ich Ihnen zu Anfang erzählte, das Licht werde an der vorderen und der hinteren Grenzfläche reflektiert, habe ich die Dinge Ihnen zuliebe etwas vereinfacht. In Wirklichkeit schert sich das Licht nicht um irgendwelche Grenzflächen. Das einfallende Photon wird an den Elektronen der Atome des Glases gestreut, und ein neues Photon gelangt zum Detektor. Interessanterweise aber können wir uns die Addierung all der Milliarden winziger Pfeile (der Amplituden für all die Elektronen im Glas, ein einfallendes Photon zu streuen) sparen, weil wir genau dasselbe Ergebnis erhalten, wenn wir lediglich zwei Pfeile addieren – die für die Reflexion an der »vorderen« und an der »hinteren Grenzfläche«. Wie ist das möglich?
    Wollen wir die Reflexion an einer Glasscheibe unter unserem neuen Blickwinkel untersuchen, müssen wir die Dimension der Zeit berücksichtigen. Als wir weiter vorn die monochromatische Lichtquelle besprachen, führten wir eine fiktive Stoppuhr ein,