¿Cómo "sabe" un fotón que le queda una carga y que va a otra?

No debe imaginarse un fotón virtual como un objeto individual que vaga de una partícula cargada a otra. Esta imagen es simplemente inaplicable. Desafortunadamente, los diagramas de Feynman inducen a error a la gente a imaginar tales cosas.

En realidad, los diagramas de Feynman son buenos para el cálculo y malos para la imaginación. Los diagramas de Feynman se han introducido para ayudar a los físicos a recopilar los términos matemáticos para la serie de perturbaciones. Y aquí son muy útiles. No se han introducido para ayudar a la gente a imaginar lo que realmente sucede.

Dicho esto, uno siempre debe tener en cuenta dónde entran las partículas virtuales en la teoría: entran cuando uno calcula la serie de perturbaciones. Sin embargo, una serie de perturbaciones es una aproximación por definición. No es una teoría completa en sí misma. Si lo ves desde este lado te darás cuenta de que las partículas virtuales son en realidad artefactos de la teoría matemática. Probablemente incluso no tengan una contraparte en la realidad.

En QED, uno normalmente comienza con hamiltoniano de campo libre (o lagrangiano). Sus estados propios son fotones libres y electrones libres u otros campos de partículas. Los campos libres son en realidad una idealización: no existen en la naturaleza ya que siempre hay alguna interacción. Sin embargo, si las partículas están muy separadas entre sí, los campos libres se consideran una buena aproximación.

Cuando uno ahora activa la interacción, los estados de campo libre ya no son estados propios del hamiltoniano. Los nuevos estados propios son mezclas complicadas de los estados de campo libre (si es que viven en el mismo espacio de Hilbert). Eso significa que un nuevo estado propio de la interacción hamiltoniana podría imaginarse como una nueva partícula que es una mezcla complicada de los estados de partículas libres y, por lo tanto, de los estados de fotones y electrones libres. De esa manera, el electrón y el fotón ya no son estados separados, sino que se mezclan para formar nuevos estados mientras la interacción esté vigente.

En cualquier caso, los nuevos estados propios no pueden resolverse explícitamente. En cambio, los científicos usan la serie de perturbaciones para obtener una solución aproximada para los procesos de dispersión. En esta serie de perturbaciones, la interacción se modela como si ocurriera en ciertos puntos específicos en el espacio y el tiempo, mientras que las partículas intermedias se propagan como partículas "libres". Estos entre partículas que se propagan se denominan partículas virtuales. Son claramente un artefacto de la serie de perturbaciones y no son algo que esté sucediendo en la realidad.

La carga en sí es una medida de la interacción entre ciertas partículas. No es un observable directo. Nuevamente, no debe considerarlo como una característica distintiva de una partícula que hace que esta partícula atraiga o rechace otras partículas (cargadas) (aunque, a menudo, se ve de esa manera). De lo contrario, tiene un problema para comprender por qué el fotón está contribuyendo, ya que no tiene carga. En cambio, la carga conduce a un término de interacción en langragiano y hace que los campos que contribuyen en este término de interacción se mezclen. Los campos que contribuyen son los campos de la partícula cargada y el campo de fotones.

Esa es también la razón por la cual la carga no se puede medir directamente, sino que debe extraerse de las amplitudes de interacción formadas por los campos que interactúan. Este hecho es importante para la renormalización de la electrodinámica cuántica. La carga pura puede incluso volverse infinita en el proceso de renomalización siempre que la carga medida a través de estas amplitudes de interacción tenga un valor razonable y finito.

Todas las partículas cargadas emiten fotones que no están cargados.

Pueden hacerlo, dadas las condiciones de contorno correctas.

Entonces, ¿cómo "sabe" el fotón que está dejando un tipo de carga y "aterriza" en otro?

Lo que estás describiendo aquí es un " fotón virtual ", una interacción entre dos partículas cargadas.

Está la vía complicada, es decir, soluciones matemáticas con integrales y valores límite, para el problema "dispersión de electrones" por ejemplo, y está la ayuda icónica de los diagramas de Feynman que permiten una visualización del proceso.

Un posible diagrama de Feynman para la dispersión electrón-electrón: los electrones (etiquetados como "e") se repelen entre sí porque uno escupe un fotón ("γ") que golpea al otro. Nuestras reglas se encargan de todo lo demás.

En la forma complicada, son las soluciones de la amplitud de dispersión y las condiciones de contorno las que crean el "conocimiento". De la manera icónica, equivalente matemáticamente pero conceptualmente simple, queda claro que el fotón se acopla al electrón, y es un fotón virtual porque no está en una capa de masa. Se llama "un intercambio de un fotón virtual" porque el intermedio lleva todos los números cuánticos de un fotón excepto que su masa no es necesariamente cero.

Mientras que no se acopla a primer orden con un neutrino (por ejemplo) esta teoría funciona describiendo datos y prediciendo nuevos datos con una precisión muy grande.

De primer orden significa que un electrón y un neutrino tienen cero posibilidades de dispersarse electromagnéticamente, pero existen diagramas de Feynman de orden superior que permiten una interacción electromagnética entre carga y neutro, aunque presentan probabilidades muy pequeñas de que así sea. De nuevo, por supuesto, hay muchas integrales y condiciones de contorno.

Un fotón de rango libre, emitido por la aceleración de un electrón en el campo magnético del sol, por ejemplo, hace ocho minutos puede considerarse en capa de masa, una partícula real. Al dispersar un electrón, la reacción nuevamente se describirá matemáticamente y será computable, y dependerá de las condiciones de contorno y la energía del fotón: ¿electrón ligado? electrón libre? sobre cuál será el resultado ("saber") de la dispersión. Todo es calculable y con la ayuda de los diagramas de Feynman más simple de visualizar.

Puedes pensar en un fotón como un cuanto de energía. En ese caso, puede impartir su energía cinética a una partícula cargada o, viceversa, se puede liberar una unidad de energía cuando una partícula cargada se ralentiza y pierde energía cinética.