Recuento virtual de fotones

Question

¿Cómo calcular el número de fotones virtuales intercambiados por unidad de tiempo entre dos objetos que interactúan electromagnéticamente?

Answer 1

Imagina una colisión elástica de dos protones, algo que también se ve en el LHC, pero no es el tipo de interacción más interesante.

Los dos protones se repelen debido a la interacción electromagnética. Supongamos que la distancia entre ellos nunca es demasiado pequeña, en relación con el radio del protón. Pero se puede calcular la sección transversal de este proceso en la teoría cuántica de campos de diferentes maneras.

Puedes tratar a los protones como partículas elementales, lo cual está bien si no los rompes en pedazos y si no estudias su composición de ninguna manera. Si es así, es directamente un protón el que emite el fotón virtual, y es absorbido por el otro fotón.

Así que en el orden principal -que es bastante preciso- el proceso sólo implica un único protón virtual, por toda la interacción. Si se interpreta el protón como un conjunto de tres quarks, por supuesto habrá muchas más interacciones y cada quark interactuará con los quarks del otro protón -así como con sus amigos del mismo protón-, por lo que habrá muchas más partículas virtuales.

Pero el mero hecho de que haya podido obtener el resultado "uno" para el número de protones virtuales que se intercambian debería convencerte de que quizá estés imaginando el "intercambio de los fotones virtuales" de forma demasiado ingenua. Un fotón virtual simplemente no es una partícula que exista objetivamente y que se pueda contar. Un fotón virtual es una parte de una expresión matemática -el diagrama de Feynman- que se utiliza para evaluar lo único que tiene un sentido físico aquí, a saber, la amplitud de probabilidad (que produce la sección transversal) para un proceso particular.

El número de partículas virtuales -los propagadores- depende del diagrama de Feynman. Y en realidad hay que sumar todos los diagramas de Feynman (viene de la suma sobre diferentes historias) -y cada uno de ellos da una respuesta diferente a la pregunta de cuántas partículas virtuales ha habido- antes de obtener la amplitud de probabilidad.

Además, incluso en los "diagramas individuales", el número de partículas virtuales depende de la resolución que se elija: si se intenta descomponer las partículas en su estructura interna o no.

De hecho, aunque choquen dos cuerpos celestes cargados, se puede decir que sólo intercambiaron 1 fotón virtual. Los fotones virtuales simplemente no son objetos reales que puedas contar como manzanas. Sólo las mediciones finales son reales - todo lo que ocurrió entre medias es virtual y todas las historias están permitidas y todas las historias contribuyen - e incluso las mediciones finales son de carácter probabilístico.

Así que incluso si usted estuviera tratando de contar el número de físico , partículas reales en un estado, se podrían obtener números engañosos, divergentes y ambiguos. El recuento de las partículas virtuales es incluso mucho más indefinido.

Answer 2

La respuesta corta es que no se puede. Diferentes formas de hacer la contabilidad (por ejemplo, diferentes medidores) conducen a diferentes formas de contar las partículas virtuales en cualquier situación dada.