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¿Los fotones son partículas?

Acabo de leer esta respuesta a "¿Qué es exactamente un fotón?" lo que me tiene un poco confundido. Parece argumentar que "fotón" es sólo un término comodín para cualquier tipo de interacción con el campo EM y la implicación es que ni siquiera es un concepto particularmente útil, en contraste con las partículas fundamentales de otros campos. Pero, ¿en qué se diferencia de otras partículas elementales, cuando todos ¿las partículas son sólo excitaciones en campos cuantizados?

También he encontrado varios hilos en los que se habla de si los fotones tienen o no función de onda, como éste: ¿Función de onda de un fotón? y estoy viendo información contradictoria. Si los fotones no tienen funciones de onda, ¿son siquiera partículas, en el sentido de ser perturbaciones localizadas en un campo?

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Sora Puntos 113

Los fotones son diferentes de otras partículas porque no tienen masa y, por tanto, no tienen un límite no relativista significativo, ya que siempre se mueven a $c$ . No voy a repetir los diversos enfoques para determinar realmente lo que un fotón "es" - para eso está la pregunta vinculada - sino simplemente dar varios argumentos de por qué no se debe realmente espere que el fotón sea "una partícula" como todas las demás partículas.

La única construcción rigurosa conocida de "estados de partículas libres" en la teoría cuántica de campos (teoría de dispersión de Haag-Ruelle) requiere un brecha de masa - la excitación más baja del Hamiltoniano interactuante necesita tener una masa distinta. La presencia de fotones sin masa destruye esta noción, y se hace esencialmente imposible distinguir entre "partícula masiva única" y "partícula masiva única rodeada por una nube de partículas de baja energía sin masa".

La lección aquí es que la noción de "una partícula" como algo que tiene una posición definida o que puede localizarse en grados arbitrarios es inherentemente no relativista. Es bien sabido que no existen buenos operadores relativistas de posición, siendo el más cercano el Operadores de Newton-Wigner Así que la imagen de un pequeño objeto que tiene una "posición" que puede medirse con una precisión arbitraria sólo tiene sentido desde un punto de vista no relativista.

Los "fotones" son intrínsecamente relativistas -no se puede construir una función de onda de posición adecuada para ellos porque no existe un operador de posición- y, por tanto, su naturaleza es muy diferente de la de las demás partículas masivas. No son "perturbaciones localizadas en un campo" porque, por vaga que sea esa noción ya para las partículas masivas, la noción de "localizado" simplemente es imposible para una partícula relativista. Existe una noción general de que los estados cuánticos relativistas nunca pueden estar localizados en el sentido que deseamos llamada Teorema de Malament .

Más concretamente para el fotón, obsérvese que una onda electromagnética clásica -un estado con campos eléctricos y magnéticos definidos- es una estado coherente donde el número de fotones es indeterminado. De ahí que no sea particularmente útil concebir cualquier radiación electromagnética como "compuesta de fotones" - pensar en términos de fotones definidos utiliza una base propia diferente, y tendrías que considerar la onda EM como una superposición de los estados de números de fotones definidos, lo que ciertamente destruye cualquier intuición que puedas tener (sólo piensa en los comportamientos no intuitivos que muestran otras superposiciones QM).

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