Todo el mundo habla siempre de la longitud de onda del fotón. Pero, ¿qué hay de sus dimensiones? ¿Cuál es su longitud y su anchura? ¿Y tiene sentido pensar en esas cosas? ¿O esas dimensiones son inexistentes en tales casos?
Respuestas
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Las partículas fundamentales que conocemos hoy en día (de las cuales el fotón es una) se llaman fundamentales exactamente porque no tienen ninguna subestructura, o de hecho, extensión espacial, que conozcamos. Son puntiagudo cuando se localiza.
Obsérvese que estas "partículas" son cuántico no son partículas clásicas, por lo que no hay que imaginarlas como puntos que zumban en el espacio: poseen estados deslocalizados en los que no adoptan ninguna forma definida (por ejemplo, la "nube de electrones" que rodea a los átomos es un estado deslocalizado de este tipo).
Lo anterior es una breve visión no relativista de las "partículas". Al pasar a la descripción relativista que es en realidad necesaria para la descripción completa de las partículas fundamentales, las cosas se ponen bastante más turbias. Por un lado, perdemos los operadores de posición ingenuos, y la noción de "localización" se vuelve un poco indefinida porque el nuevo "operador de posición", los operadores de Newton-Wigner, no permiten hablar de localización de forma independiente del observador. El estado genérico de la partícula que se dispersa en los cálculos de QFT suele ser un estado de momento agudo y, por tanto, fuertemente deslocalizado, de modo que cualquier noción de "similar a un punto" no puede basarse realmente en la localización de un estado de partícula.
En esta imagen, la noción adecuada de partícula "puntual" es aquella cuyo comportamiento de dispersión no indica ninguna subestructura o extensión espacial. En el caso de los objetos extensos formados por subobjetos, su comportamiento de dispersión cambiará normalmente cuando las escalas de energía/longitud del proceso de dispersión alcancen su tamaño, porque entonces se resuelven sus componentes internos y los subobjetos individuales empiezan a participar en la dispersión. Así que nuestra noción de tamaño se convierte en que el comportamiento de la dispersión es independiente de la escala. Para más información sobre esta noción de tamaño en QFT, véase por ejemplo esta respuesta de Bosoneando .
oezi
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27038
Se puede demostrar experimentalmente que el fotón no es puntual. El experimento de las rendijas de Young consiste en la interferencia de un fotón consigo mismo (el fotón se comporta en cierto modo como una partícula, en cierto modo como una onda y en cierto modo como una distribución de probabilidad; en realidad, se trata de modelos convenientes que le aplicamos; en realidad, no es nada de eso, es un fotón). Los patrones de interferencia mostrados en el experimento de la rendija de Young permanecen incluso si el flujo de fotones se reduce hasta el punto de que los fotones pasan de uno en uno. La diferencia de longitud en los 2 caminos puede variarse para determinar la longitud de coherencia. Creo que resulta ser del orden de 1 m. Otra prueba experimental de que el fotón debe tener una longitud significativa es que la dispersión de su frecuencia es mínima. si se redujera a 0 de amplitud en (por ejemplo) sólo 3 longitudes de onda, esto le daría una dispersión significativa de frecuencias.
user210782
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Yo prefiero una definición experimental del tamaño de un fotón. Si haces pasar luz a través de una abertura, empiezas a ver efectos de interferencia cuando la abertura se aproxima a la longitud de onda del fotón, como si estuvieras recortando los bordes. ¿Por qué tenemos que complicarlo más?
Si el fotón es puntual, la densidad de energía sería infinita, lo que no parece realista.
Debe estar localizado en el espacio, ya que los fotones pueden detectarse desde el otro extremo del universo. Si los fotones se dispersaran, su densidad de energía tendería a cero en esas distancias.
