Una carga estacionaria "crea" un campo eléctrico constante (pero no uniforme) a su alrededor, y una carga en movimiento "crea" un campo eléctrico variable a su alrededor. ¿Qué es lo que "transporta" la información sobre la existencia de una carga estacionaria o en movimiento a través del espacio?
En particular, ¿están los fotones necesariamente involucrados en el proceso?
Macroscópicamente hablamos de campos eléctricos y magnéticos que siguen la teoría clásica de las ecuaciones de Maxwell.
Una carga estacionaria "crea" un campo eléctrico constante (pero no uniforme) a su alrededor, y una carga en movimiento "crea" un campo eléctrico variable a su alrededor. ¿Qué es lo que "transporta" la información sobre la existencia de una carga estacionaria o en movimiento a través del espacio?
En la teoría clásica no es necesario "transportar" campos eléctricos y magnéticos estacionarios, las ecuaciones atribuyen campos a cargas y momentos magnéticos que no necesitan "transportarse". Los campos describen el comportamiento de las cargas y los dipolos. Para los campos variables, las matemáticas de la teoría clásica aceptan que se propagan como ondas electromagnéticas en el vacío con velocidad c, sin necesidad de un medio. La teoría se ajusta perfectamente a los datos.
En particular, ¿están los fotones necesariamente involucrados en el proceso?
El electromagnetismo clásico es una teoría emergente de la teoría subyacente la electrodinámica cuántica. . Allí el fotón es una partícula elemental de masa cero y espín 1, que viaja con velocidad c y es el portador de las interacciones electromagnéticas, ya sea en forma virtual o real. Un enorme número de fotones construyen la onda electromagnética clásica, como se ha demostrado aquí .
Así que sí, los fotones están necesariamente involucrados como portadores de las interacciones EM.
Esta pregunta ilustra una diferencia crucial entre los campos fundamentales y los cotidianos.
Los campos cotidianos se hacen promediando sobre muchas partículas. Por ejemplo, consideremos una onda sonora en el aire. No es más que una ondulación en el "campo de desplazamiento": dice que en un punto, el aire se estira, mientras que en otro punto, se aprieta.
Pero si se hace un zoom hasta el nivel de las moléculas de aire individuales, se verá que no se estira ni se aplasta nada en absoluto. De hecho, si observas una sola molécula de aire en un momento dado, no tendrás ni idea de si está en una onda sonora o no. Sólo vemos las ondas sonoras cuando promediamos las posiciones de muchas moléculas de aire; las moléculas individuales forman el campo.
Los campos fundamentales, como el campo electromagnético, son no de la misma manera. Estos campos no están hechos de nada; ¡no los construimos a partir de piezas más pequeñas! En particular, el campo electromagnético no está "hecho de" fotones como el aire está hecho de moléculas de aire. Esta idea errónea sugiere que si se eliminaran todos los fotones de una región, el campo electromagnético dejaría de existir allí, lo cual es totalmente falso.
Una analogía mejor es que los fotones son como las ondas sonoras. Se puede silenciar una habitación, pero el aire seguirá estando ahí; del mismo modo, el campo electromagnético como entidad sigue existiendo cuando no hay fotones.
Así que, para responder a su pregunta: el campo electromagnético transporta ondas electromagnéticas. Las ondas están hechas de fotones; no son transportadas por fotones.
Yo diría que los fotones, ya que son mediadores de la interacción electromagnética. Pero yo no diría que algo está llevando información sobre la carga en movimiento o estacionaria, es sólo el campo en sí mismo, ya que está cambiando en el origen y se propaga a c. Así que el cambio de campo en un punto determinado lejos de la fuente no es inmediato, hay un retraso. Y sólo después de ese tiempo se descubre que la carga se está moviendo.
Las corrientes y los campos magnéticos son los que crean los cambios en los campos eléctricos. Sin ellos, los campos eléctricos permanecen iguales.
Y son los campos eléctricos los que hacen que los campos magnéticos cambien, sin ellos, los campos magnéticos permanecen igual.
En particular, aquí están las ecuaciones explícitas para el campo electromagnético y $$\frac{\partial \vec E}{\partial t}=\frac{1}{\epsilon_0}\left(-\vec J+\frac{1}{\mu_0}\vec \nabla\times \vec B\right)$$ indica a la parte eléctrica del campo cómo cambiar y $$\frac{\partial \vec B}{\partial t}=-\vec \nabla\times \vec E$$ le dice a la parte magnética del campo cómo cambiar.
Así pues, si se tiene una carga que siempre ha estado en reposo en el origen, el campo magnético podría ser inicialmente $\vec 0$ y el campo eléctrico podría ser inicialmente $\frac{q\hat r}{4\pi \epsilon_0|\vec r|^2}$ y entonces si se moviera la carga tendría una corriente que haría cambiar el campo eléctrico y el nuevo campo eléctrico podría hacer cambiar el campo magnético. El nuevo campo magnético podría hacer cambiar el campo eléctrico y así sucesivamente, como un efecto de ondulación que se expande a la velocidad de la luz. Cada campo cambia en el tiempo en función de la variación espacial de los valores del campo a su alrededor.
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