Virtuelles Teilchen

Feynman-Diagramm der Coulomb-Streuung zweier Elektronen. Die vier geraden Linien symbolisieren die einlaufenden bzw. auslaufenden Elektronen in reellen Zuständen, die Wellenlinie das virtuelle Photon, das die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt. (Die Zeit läuft von unten nach oben.)

Ein virtuelles Teilchen, intermediäres Teilchen oder Teilchen in einem virtuellen Zustand steht für ein spezielles Konzept der Quantenfeldtheorie, das zur theoretischen Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen benötigt wird. Der Begriff entwickelte sich dabei im Zusammenhang mit einer Veranschaulichung charakteristischer Terme in häufig verwendeten Störungsreihen und quantenfeldtheoretischen Störungsrechnungen mit Hilfe von Feynman-Diagrammen. Ein Feynman-Diagramm besteht aus Linien und Knotenpunkten, den Vertices. Die äußeren Linien mit freien Enden stehen für ein- bzw. auslaufende Teilchen und damit reellen und physikalisch messbaren Zuständen. Die inneren Linien, die zwei Vertices verbinden werden auch als virtuelle Teilchen oder virtuelle Zustände bezeichnet. Im Kontext der Vakuumfluktuationen werden auch Feynman-Diagramme ohne äußere Linien betrachtet. Bei solchen Prozessen entstehen Teilchen-Antiteilchenpaare aus dem Vakuum und zerfallen nach kurzer Zeit wieder. Solche Prozesse können je nach betrachteter Situation auch zu einer gewissen Vakuumenergie beitragen.

Virtuelle Teilchen werden bei allen drei nicht-gravitativen Wechselwirkung verwendet. Bei der Gravitation gibt es aktuell keine allgemein akzeptierte Verwendung von virtuellen Teilchen, weil es entsprechend auch keine allgemein akzeptierte Quantentheorie der Gravitation gibt.

Man kann sich den virtuellen Zustand eines quantenmechanischen Wellenfeldes auch als einen kurzlebigen Zwischenzustand vorstellen, der während einer Wechselwirkung zweier Teilchen auftritt, die sich in „normalen“, also reellen Zuständen befinden. Das virtuelle Teilchen stellt als Austauschteilchen diese Wechselwirkung eigentlich erst her, ist im virtuellen Zustand nach außen aber niemals sichtbar. So wird z. B. in der Quantenelektrodynamik die elektromagnetische Wechselwirkung zweier Elektronen durch den Austausch eines virtuellen Photons vermittelt. Der Nachweis ist indirekt. Die mithilfe dieses Konzepts berechneten Werte werden im Experiment mit einer Genauigkeit von bis zu 1 zu 10 Mrd. bestätigt. Prinzipiell kann jede Teilchenart in reellem oder virtuellem Zustand auftreten.