Si las partículas son excitaciones, ¿cuáles son sus campos?

Question

Después de leer esto:

1. http://www.symmetrymagazine.org/article/july-2013/real-talk-everything-is-made-of-fields
2. http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=682522

Me quedó claro que todas las partículas son simplemente excitación en los campos. Pero causó algunas preguntas

1. Si el electrón es excitado en un campo de electrones, entonces ¿cómo produce su propio campo?
2. Por cualquier razón, el electrón, incluso después de ser una excitación, produce un campo eléctrico, pero ¿por qué el fotón (u otras partículas de este tipo si las hay) no crea ningún campo de este tipo?
3. Todas estas partículas tienen masa y ejercen la gravedad ¿cómo pueden producir campos gravitacionales?

La pregunta principal que resume en parte las tres tiene que ser "cuando las partículas son excitadas en algún campo, ¿cómo surgen los campos de ellas? "

Answer 1

Un electrón puede verse como una excitación localizada del campo de electrones que existe antes que los electrones y que impregna todo el espacio tiempo! El campo de electrones tiene nada que hacer con el campo eléctrico que crea el electrón!

Ahora este campo de electrones $ \psi $ está acoplado al sistema electromagnético campo de cuatro potenciales $A_ \mu %will this make the edit go through?$ a través de una interacción $$ \mathcal L_ \mathrm {int} = -ie \bar \psi \gamma ^ \mu \psi A_ \mu. $$ Así, todas las excitaciones en el campo de los electrones crean excitaciones apropiadas en el campo de cuatro potenciales también. Este es el campo eléctrico en el caso de un electrón en reposo.

Los fotones también pueden reaccionar en el campo de electrones, esto se llama producción de pares pero es raro, ya que un solo fotón no puede inducir este proceso debido a las leyes de conservación.

Un fotón no se acopla al campo fotónico propiamente dicho, ya que es la partícula calibre de un grupo calibre abeliano. Los gluones, por otro lado, son de una interacción gauge no-abeliana, llevan cargas de color y por lo tanto reaccionan en el propio campo de gluones, a través de interacciones como $$ \mathcal L_ \mathrm {int}^{3g} = if^{abc} G^ \mu_a G^ \nu_b \big ( \partial_\mu G_{ \nu c} - \partial_\nu G_{ \mu c} \big )$$

Answer 2

Empecemos a mirar sus declaraciones:

Me quedó claro que todas las partículas son simplemente excitación en los campos.

Esto no es exactamente cierto, aunque se diga a menudo. En el modelo de la Teoría Cuántica de Campos, describimos un electrón como una excitación del campo de electrones. Es importante destacar que esto es sólo una descripción, es decir, es difícil decir si realmente "es" así (lo que sea que eso signifique).

Si el electrón es excitado en un campo de electrones, entonces ¿cómo produce su propio campo?

No es así. En el QFT, se postula que el campo de electrones existe en todas partes (en nuestro plano espacio-tiempo). Esto es parte de la base de la teoría y como tal, la teoría no puede explicarlo.

Por cualquier razón, el electrón, incluso después de ser una excitación, produce un campo eléctrico, pero ¿por qué el fotón (u otras partículas de este tipo si las hay) no crea ningún campo de este tipo?

Esta declaración no es completamente cierta. En el QFT, no hay un campo eléctrico (o magnético). En la física general, un campo eléctrico es el mediador de la interacción electromagnética. En QFT ese papel lo asume el fotón, es decir, una excitación del campo fotónico. Estos dos campos (fotónico y electromagnético) son descripciones en diferentes teorías pero básicamente de los mismos efectos. (No exactamente los mismos, pero esto es un poco más difícil de explicar).

Esto también responde a tu pregunta de por qué el fotón (en qft) no crea tal campo: porque viven en teorías diferentes.

El hecho de que el fotón no se acople a sí mismo es básicamente un hecho experimental. A estas alturas, tenemos algunas buenas descripciones y explicaciones teóricas de eso, por ejemplo, es el bosón calibre de un grupo calibre abeliano o simplemente no tiene un término de interacción en la electrodinámica cuántica lagrangiana. (La primera implica la segunda razón, pero se encontraron al revés que afaik).

Todas estas partículas tienen masa y ejercen la gravedad ¿cómo pueden producir campos gravitacionales?

Por lo que sé, no hay una teoría consistente y probada que describa la gravedad y el qft juntos. (más preciso: ... resulta en ellos en un cierto límite/bajo ciertas suposiciones razonables.) Como Neuneck menciona en sus comentarios, hay teorías razonables sobre qft en fondo curvo. En qft, la masa es sólo un parámetro de la teoría nada más. Es sólo nuestra interpretación de otras partes de la física, que le da el significado de la masa que conocemos.

La gravedad está en este sentido más cerca de la electrodinámica normal. El campo gravitatorio es nuestro espacio-tiempo y se curva a través de cargas gravitatorias = masas. Es como poner un electrón en el espacio vacío: Primero el campo electromagnético es plano y 0 en todas partes (casualmente se dice que no está ahí, pero esto es impreciso y puede crear confusiones) y después, tienes un hundimiento en el campo y está doblado (casualmente se dice que hay un campo).

cuando las partículas son excitadas en algún campo, ¿cómo surgen los campos de ellas?

Con la respuesta de arriba como fondo: No lo hacen (en qft). Depende de la teoría, de lo que quieras decir con la palabra campo. Es mayormente una confusión porque no siempre se define con precisión lo que se quiere decir con una cierta palabra (como electrón o campo) en la física.

Answer 3

En el caso de un electrón, se describe por un campo de espinores de Dirac $ \psi $ con el Lagrangiano,

$$ \mathcal {L}= \bar { \psi }(i \gamma ^ \mu\partial_\mu -m) \psi $$

Decimos que el electrón surge como una excitación del campo cuántico $ \psi $ . A nivel técnico, si expandimos el campo usando el análisis de Fourier, más o menos como,

$$ \psi \sim \int \frac {d^4p}{(2 \pi )^4} \, \left ( b_pe^{ipx}+c^ \dagger_p e^{-ipx} \right )$$

descuidando muchos factores. Los coeficientes de Fourier $(b,b^ \dagger )$ y $(c,c^ \dagger )$ actúan en el estado de vacío de la teoría para crear o destruir positrones o electrones; estos estados viven en un espacio falso.

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En el modelo de la electrodinámica cuántica, el campo $ \psi $ se acopla a un campo electromagnético $A_ \mu $ descrito por el Maxwell Lagrangiano; el término de interacción es,

$$ \mathcal {L}_ \int = e \bar { \psi } \gamma ^ \mu A_ \mu \psi $$

El campo $ \psi $ se transforma bajo una representación de $U(1)$ y asociamos un $U(1)$ carga a los dos electrones $ \psi $ y el positrón $ \bar { \psi }$ . El electrón en aislamiento, sin la existencia de un $A_ \mu $ no daría lugar a un campo eléctrico.

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No se dispone actualmente de una teoría aceptable del campo cuántico de la gravedad, por lo que se desconoce en cierta medida cómo interactúan los campos cuánticos con un campo gravitatorio.