¿Qué es exactamente un fotón?

Question

Considere la pregunta, "¿Qué es un fotón?" . Las respuestas dicen, "una partícula elemental" y no mucho más. En realidad, no responden a la pregunta. Además, la pregunta se marca como duplicado de, "¿Qué es exactamente un cuanto de luz?" - las respuestas tampoco me dicen qué es un fotón. Tampoco ninguna de las respuestas a esta pregunta mencionado en los comentarios. Cuando busco en "fotón" No encuentro nada útil. Preguntas como, "Función de onda de un fotón" parecen prometedoras, pero no dan fruto. Otros decir cosas como, "el fotón es una excitación del campo fotónico". Eso no me dice nada. Tampoco la descripción de la etiqueta que dice:

El fotón es el cuanto del cuatro potencial electromagnético y, por tanto, la partícula bosónica sin masa asociada a la fuerza electromagnética, comúnmente llamada también "partícula de luz"...

Yo diría que eso es poco útil porque da la impresión de que los fotones están siempre apareciendo y volando de un lado a otro ejerciendo fuerza. Este mismo concepto está en el fotón Artículo de Wikipedia pero no es cierto. Como como dijo anna "Las partículas virtuales sólo existen en las matemáticas del modelo". Entonces, ¿quién puede decirme qué es un fotón real, o remitirme a algún tipo de definición informativa autorizada que sea aceptada y de confianza por los físicos de partículas? Digo todo esto porque creo que es de suma importancia. Si no tenemos una idea clara de lo que es realmente un fotón, carecemos de fundamento. Es como lo que kotozna dijo :

Los fotones parecen ser una de las ideas fundamentales de la mecánica cuántica, por lo que me preocupa que, sin una definición clara o un conjunto de ejemplos concretos, la base para entender los experimentos cuánticos sea un poco confusa.

Lo secundo, pero aún más. ¿Cómo podemos entender la producción de pares si no entendemos qué es el fotón? ¿O el electrón? ¿O el campo electromagnético? ¿O todo lo demás? Todo empieza con el fotón.

Daré una recompensa de 400 puntos a la respuesta menos mala a la pregunta. Una respuesta recibirá la recompensa, aunque no me guste. Y la pregunta es la siguiente:

¿Qué es exactamente un fotón?

Answer 1

La palabra fotón es una de las más confusas y mal uso de las palabras en la física. Probablemente mucho más que con otras palabras en la física, se utiliza con diferentes significados y uno sólo puede tratar de encontrar el que se supone basada en el origen y el contexto del mensaje.

El fotón que espectroscopia experimentador utiliza para explicar cómo los espectros están conectados a los átomos y moléculas es un concepto diferente de la de los fotones de óptica cuántica experimentadores hablar a la hora de explicar sus experimentos. Aquellos que son diferentes de los fotones que la alta energía de los experimentadores de hablar y todavía hay otros fotones de alta energía teóricos hablan. Hay, probablemente, aún más variantes (y un sinnúmero de modificaciones personales) en uso.

El término fue introducido por G. N. Lewis en 1926 por el concepto de "átomo de luz":

> ... uno podría haber sido tentado a adoptar la hipótesis de que estamos tratando aquí con un nuevo tipo de átomo, una identificación de la entidad, uncreatable e indestructible, que actúa como portador de energía radiante y, después de la absorción, persiste como un constituyente esencial de la absorción de átomo, hasta que más tarde es enviado de nuevo rodamiento de una nueva cantidad de energía...

> Por tanto, me tomo la libertad de proponer para este hipotético nuevo átomo, que no es luz sino que juega una parte esencial en todos los procesos de la radiación, el nombre de fotones.

http://www.nobeliefs.com/photon.htm

http://dx.doi.org/10.1038/118874a0

Hasta donde yo sé, este significado original de la palabra fotón no se utiliza, debido a todas las variantes modernas permiten la creación y la destrucción de los fotones.

El fotón que el experimentador en el visible-UV espectroscopia generalmente habla es un objeto que se ha definido la frecuencia de $\nu$ y definida de energía $h\nu$; su tamaño y posición son desconocidos, quizás indefinido; sin embargo, puede ser absorbida y emitida por una molécula.

El fotón que el experimentador en óptica cuántica (detección de estudios de correlación) generalmente se habla es un propósito misterioso "quantum objeto" que es más complicado: no tiene frecuencia definida, de alguna manera ha definido la posición y el tamaño, pero puede abarcar todo el aparato experimental y sólo se ve como una partícula localizada cuando se detecta en un detector de luz.

Los fotones de alta energía experimentador habla es una pequeña partícula que no es posible ver en las fotos de las trazas de partículas y sus eventos de dispersión, sino que lo hace fácil de explicar la curvatura de las pistas de partículas de materia con punto de origen común en el marco de la energía y el impulso de la conservación (e. g. aparición de par de carga opuesta, partículas, o la dispersión de Compton). Este fotón generalmente se ha definido el impulso y la energía (de ahí también la frecuencia definida), y bastante cierta posición, ya que participa de manera muy localizada eventos de dispersión.

Los teóricos de utilizar la palabra de fotones con varios sentidos. El denominador común es la matemática que se utiliza para describir el campo electromagnético y su interacción con la materia. Ciertos estados cuánticos de campos EM - los llamados Fock estados - matemáticamente se comportan de una manera que permite la utilización del lenguaje de los "fotones como contables de las cosas con relación a la energía". Más precisamente, hay estados de la EM campo que puede ser especificado por la indicación de un conjunto infinito de la no-números enteros negativos. Cuando uno de estos números cambian por uno, esto es descrito por una figura retórica como "la creación de fotones" o "la destrucción de fotones". Esta manera de describir el estado permite calcular fácilmente la energía total del sistema y su distribución de frecuencias. Sin embargo, este tipo de fotón no puede ser localizada, excepto para el sistema en su conjunto.

En el caso general, el estado de los campos EM no es de un tipo especial, y el número de fotones en sí no está definido. Esto significa que el objeto principal de la teoría matemática de los campos EM no es un conjunto de partículas puntuales con cierto número de miembros, sino una continua campos EM. Los fotones son simplemente una figura de discurso útil cuando el campo es de un tipo especial.

Los teóricos de la todavía hablar de fotones mucho a pesar de que, en parte, porque:

• es muy arraigadas en el plan de estudios y los libros de texto de carácter histórico y de la inercia de motivos;

• los experimentadores utilizar para describir sus experimentos;

• parcialmente debido a que hace una buena impresión en la gente la lectura de las cuentas más populares de la física; es difícil hablar curiosamente acerca de $\psi$ función o el espacio de Fock, pero es fácil hablar de "partículas de luz";

• parcialmente debido a la forma del diagrama de Feynman método que se enseña.

(En el diagrama de Feynman, una línea ondulada en el espacio-tiempo es a menudo es presentado como la representación de un fotón. Pero estos diagramas son un cálculo de la ayuda para la teoría de la perturbación de complicadas ecuaciones de campo; la línea ondulada en el diagrama de Feynman no necesariamente representan el punto real partícula que se mueve a través del espacio-tiempo. El diagrama, junto con el fotón se refiere, es sólo una útil representación gráfica de ciertos complicado integrales.)

_{Nota sobre la necesidad de que el concepto de fotón}

_{Muchos famosos experimentos una vez considerado como evidencia de que los fotones se explicó después cualitativa o semi-cuantitativa basada únicamente basado en la teoría de las ondas (clásica EM teoría de la luz, a veces con la ecuación de Schroedinger añadido). Estos son, por ejemplo, el efecto fotoeléctrico, dispersión de Compton, radiación de cuerpo negro y tal vez otros.}

_{Siempre fue una minoría grupo de físicos que evitar el concepto de fotón totalmente para este tipo de fenómenos y prefiere la idea de que las posibilidades de que la teoría EM no se ha agotado. Echa un vistazo a estos documentos para que no fotón enfoques de la física:}

_{R. Kidd, J. Ardini, A. Antón, la Evolución de la moderna fotones, Am. J. Phys. 57, 27 (1989) http://www.optica.machorro.net/Lecturas/ModernPhoton_AJP000027.pdf}

_{C. V. Raman, Un clásico de la derivación de la Compton efecto. Diario indio de la Física, 3, 357-369. (1928) http://dspace.rri.res.in/jspui/bitstream/2289/2125/1/1928%20IJP%20V3%20p357-369.pdf}

_{Trevor W. Marshall, Emilio Santos: El mito de los fotones, Arxiv (1997) http://arxiv.org/abs/quant-ph/9711046v1}

_{Timothy H. Boyer, la Derivación de la Radiación de cuerpo negro Espectro sin Cuántica Supuestos, Phys. Apo. 182, 1374 (1969) http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.182.1374}

Answer 2

El fotón es una construcción que se introdujo para explicar las observaciones experimentales que demostraban que el campo electromagnético se absorbe e irradia en cuantos. Muchos físicos consideran que este concepto indica que el campo electromagnético está formado por partículas puntuales adimensionales, pero no se puede estar absolutamente seguro de ello. Todas las observaciones experimentales relacionadas con el campo electromagnético implican necesariamente el proceso de absorción y/o radiación.

Así que cuando se trata de dar una respuesta estrictamente ontológica a la pregunta "¿Qué es un fotón?", tenemos que ser sinceros y decir que en realidad no lo sabemos. Es como esas viejas preguntas sobre la esencia de las cosas; preguntas a las que nunca se ha podido dar una respuesta satisfactoria. El camino hacia una mejor comprensión requiere a menudo que uno se sienta cómodo con la incertidumbre.

Answer 3

Esta es la tabla de partículas elementales utilizada en el modelo estándar de la física de partículas, la que se valida continuamente en LHC a pesar de las esperanzadoras búsquedas de ampliaciones.

El Modelo Estándar de las partículas elementales (representación más esquemática), con las tres generaciones de materia, los bosones gauge en la cuarta columna y el bosón de Higgs en la quinta.

Fíjese en la palabra "partícula" y observe que siempre que se calcula un proceso físico para obtener números que puedan compararse con mediciones experimentales, estas partículas se tratan como partículas puntuales, es decir, en estos diagramas de Feynman para la dispersión de fotones:

El fotón entrante es real, es decir, en la cáscara de masa, 0 masa, energía $h\nu$ . El vértice es un punto y es la razón por la que los físicos de partículas siguen hablando de partículas puntuales (hasta que quizá se valide la teoría de cuerdas, y entonces hablaremos de partículas de cuerdas). El concepto de fotón como partícula es tan realista como el de electrón, y su existencia está validada por el ajuste a los datos de las predicciones del modelo estándar.

Así pues, la respuesta es que el fotón es una partícula del modelo estándar de la física que se ajusta a las mediciones en dimensiones mecánicas cuánticas, es decir, dimensiones conmensurables con $\hbar$ .

Mirarse el ombligo sobre el "significado de un fotón" más que sobre el "significado de un electrón" en un modelo matemático ya no es física, sino metafísica. Es decir, la gente transfiere sus prejuicios de creencias sobre la explicación.

Llamamos "partícula" a un electrón en nuestros montajes experimentales porque la huella macroscópica que deja al pasar por los detectores es la de una partícula clásica. Lo mismo ocurre con los fotones medidos en los calorímetros del LHC, su "huella" macroscópica es una partícula de masa cero con energía $h\nu$ y girar uno.

En este evento de difotones CMS no hay duda de si la huella es un fotón o no. Es un fotón de la tabla de partículas elementales. Es sólo en los vértices de la interacción donde la indeterminación mecánica cuántica es importante.

Pregunta tú:

¿Cómo podemos entender la producción de pares si no entendemos lo que es el fotón?

Parece que hay que insistir continuamente en que las teorías físicas modelan los datos no son una proposición metafísica de cómo empezó el mundo. Tenemos un modelo QFT exitoso para la física de partículas, que describe el comportamiento de las partículas elementales tal y como se registra su huella en los experimentos y predice con éxito nuevos resultados. Eso es todo.

Entendemos la modelados por QFT la comprensión de la naturaleza de la configuración axiomática de las partículas en la tabla pertenece a la metafísica. Suponiendo que los postulados de la mecánica cuántica y asumiendo las partículas en la tabla, podemos modelar las interacciones de las partículas. Es similar a preguntarse "¿por qué $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$ " La única respuesta es porque el modelo basado en estos supuestos describe los datos existentes sobre partículas y predice con éxito nuevas configuraciones.

Me gustaría dar el enlace en un entrada del blog de Motl que ayuda a comprender cómo surge el campo electromagnético clásico a partir de una gran confluencia de fotones. Necesita las matemáticas de la teoría cuántica de campos. Los campos eléctrico y magnético están presentes en la función de onda del fotón, que es una función de número complejo y no es medible, excepto su conjugado complejo al cuadrado, un número real da la densidad de probabilidad de encontrar el fotón en $(x,y,z,t)$ .

Es la superposición de las innumerables funciones de onda de los fotones lo que constituye la onda EM clásica. La frecuencia de la función de onda de cada fotón aparece en los exponentes complejos que la describen. No debe sorprender que sea la misma frecuencia para la probabilidad que la frecuencia en la onda electromagnética clásica que surge de innumerables fotones de la misma energía (misma frecuencia). Ambas expresiones matemáticas se basan en la estructura de las ecuaciones de Maxwell, el fotón una forma cuantizada, el EM las ecuaciones clásicas.

Answer 4

El punto de partida para explicar los fotones desde un punto de vista teórico deberían ser las ecuaciones de Maxwell. En forma covariante, las ecuaciones en el vacío sin fuentes son \begin{align} \partial_\mu F^{\mu\nu}&=0\\ \partial_\mu(\epsilon^{\mu\nu\alpha\beta}F_{\alpha\beta}) &=0 \end{align} Es bien sabido que la segunda ecuación se verifica automáticamente si $F$ se define en función del potencial $A$ $$F_{\mu\nu}=\partial_\mu A_\nu-\partial_\nu A_\mu$$ Las ecuaciones de Maxwell pueden obtenerse a partir de la Lagrangiana $$\mathcal{L}=-\frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}$$ cuando se utilizan los Euler-Lagrange variando el potencial .

Este Lagrangiano clásico es la base de la formulación de la teoría cuántica de campos. Dado que las ecuaciones de Maxwell definen una teoría de campos clásica, es natural buscar una descripción QFT, y no sólo una descripción QM. Sin entrar en una discusión sobre el significado de la cuantización (que sería demasiado matemático-filosófica y no aclararía tu pregunta), supongamos que la formulación de una QFT puede hacerse, equivalentemente, mediante la integral de trayectoria y la cuantización canónica. Sólo hablaré de esta última.

En la cuantización canónica, el potencial $A_\mu$ y su momento conjugado $\Pi^\mu=\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial(\partial_0 A_\mu)}$ se convierten en operadores con valor de campo que actúan en algún espacio de Hilbert. Estos operadores están obligados a satisfacer la relación de conmutación $$[A_\mu(t,x), \Pi_\nu(t, x')]=i \eta_{\mu\nu}\delta(x-x')$$

Debido a esta relación, las dos polarizaciones físicas para $A$ puede expandirse en modos normales que deben interpretarse como operadores de aniquilación y creación, $a$ y $a^\dagger$ . Si el estado de vacío (es decir, el estado de mínima energía de la teoría) es $|0\rangle$ entonces los estados $a^\dagger|0\rangle$ se denominan estados de 1 fotón. Por lo tanto, el fotón es la excitación mínima del potencial electromagnético cuántico .

Todo lo anterior considera sólo los campos electromagnéticos libres. Eso significa que los fotones se propagan eternamente, no pueden ser emitidos ni absorbidos. Esto está claramente en conflicto con la vida real (y es demasiado aburrido).

Volviendo al electromagnetismo clásico, el Lagrangiano para el campo EM con una corriente 4 $J$ que actúa como fuente es $$\mathcal{L}=-\frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}-A_\mu J^\mu$$ El ejemplo más común es la corriente creada por un fermión cargado (por ejemplo, un electrón o un muón) $$J_\mu = ie\bar{\psi}\partial_\mu\psi$$

Pero este tipo de Lagrangianos presenta un gran inconveniente: no sabemos cómo cuantificarlos de forma exacta . * Las cosas se complican con las interacciones. Sólo podemos hablar, con cierto rigor de estados asintóticos: estados mucho antes o mucho después de que cualquier interacción se parezca a los de los campos libres. Por lo tanto, el fotón real es la excitación del potencial electromagnético cuántico que en el límite $t\to \pm\infty$ tiende al fotón libre tal y como se ha definido anteriormente.

Así que sí, en cierto sentido, tienes razón en que no sabemos lo que es un fotón. Pero este obstáculo [formal] no nos impide hacer predicciones, como en el caso de la producción de pares que te preocupa. El punto clave es que no sabemos lo que ocurre durante la interacción, no podemos saberlo y no necesitamos saberlo . Sólo tenemos que comparar los estados asintóticos antes y después de la interacción. Para ello, necesitamos realizar alguna aproximación, normalmente una expansión perturbativa (que da lugar a los diagramas de Feynman, las mal llamadas "partículas virtuales" y todo eso). La comparación entre los estados de entrada y salida, codificada en el $S$ matriz ${}^\dagger$ es suficiente para predecir las tasas de desintegración, las secciones transversales y las proporciones de ramificación de cualquier proceso que se pueda imaginar. Y esos observables son los únicos que podemos medir. En conclusión, lo que no se puede definir con precisión es lo que no se puede verificar experimentalmente.

Esta respuesta es sólo un esbozo, una respuesta completa me exigiría escribir un libro sobre el tema. Si quieres saber más, te animo a leer cualquier libro sobre QFT, como Peskin & Schroeder, Weinberg, Srednicki, etc.

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* En una teoría interactiva, las ecuaciones clásicas de movimiento no son lineales y no pueden resolverse mediante una expansión de Fourier que produzca operadores de creación y aniquilación. En la formulación de la integral de trayectoria, sólo sabemos resolver integrales gaussianas (es decir, campos libres). Para resolver las integrales de trayectoria de los campos que interactúan seguimos necesitando métodos aproximados como las expansiones perturbativas o la QFT de celosía. Según Peskin & Schroeder:

No se conocen teorías de campos interactivos exactamente resolubles en más de dos dimensiones espaciotemporales, e incluso en ellas los modelos resolubles implican simetrías especiales y una considerable complicación técnica.

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${}^\dagger$ Para más detalles al respecto, le remito a esta excelente respuesta de ACuriousMind a otra pregunta suya.

Answer 5

Respuesta ontológica

Allí es no hay respuesta corta.

El fotón es exactamente lo que obtienes cuando estudias todo nuestro conocimiento al respecto en forma de teorías matemáticas, la mayoría de las cuales tienen la gran Q en sus nombres. Y probablemente alguna más que aún no hemos encontrado. No hay atajos.

Justificación, referencia

Esta es, a todos los efectos, una respuesta evasiva. Una pregunta del tipo "¿cómo se comporta un fotón?", "¿qué sabemos de las interacciones de un fotón con XXX?", etc., sería fácil (más o menos) de responder. Pero yo sugiero que la pregunta "¿qué es un fotón" (en el sentido de "qué es realmente (dejando a un lado las matemáticas ) no puede tener ninguna respuesta significativa, del mismo modo que la pregunta "¿qué ? es a XXX" (donde XXX es cualquier partícula o campo del Modelo Estándar) no tiene ningún significado.

En lugar de teclear mucho, sugiero la entrevista a Feynman, _Richard P Feynman - DIVERTIDO DE IMAGINAR (completo)_ la parte relevante para esta respuesta (" verdadero significado de las cosas") va desde 01:03:00 hasta el final (resumen: incluso si tenemos las teorías sobre las partículas correctas, y por lo tanto podemos explicar sus efectos, todavía no tenemos manera de explicarlas en términos cotidianos/prácticos sin las matemáticas, y nunca habrá una, ya que no hay leyes "mundanas" por debajo). También en parte, con respecto a las respuestas fáciles y cortas, una parte a partir de 17:20 (resumen: es difícil describir algo completamente en una "resolución" particular, va cada vez más profundo; como he dicho, sólo parcialmente relacionado, pero bastante perspicaz todavía).

EDIT: resúmenes añadidos.