Confusión de terminología - "partícula"

Las personas que afirman que solo hay campos de las partículas dadas en la tabla de partículas de partículas elementales y que las partículas son un fenómeno emergente son platónicos . Es decir, creen que las funciones matemáticas existen como moldes y la naturaleza llena el molde con el comportamiento adecuado. Estos tienden a ser físicos teóricos.

Los físicos experimentales siguen la creencia de que la naturaleza existe, y las matemáticas son una herramienta que permite modelar la naturaleza, describirla y predecir comportamientos futuros, pero no existe una teoría o un punto de vista definitivos , por el momento.

Cuando estaba en estudios de posgrado en 1961, aprendí teoría de campos en un curso de física nuclear, con los operadores de creación y aniquilación trabajando en núcleos (he olvidado la mayoría de las cosas) y los físicos nucleares todavía están trabajando en esto. . Por lo tanto, veo la teoría de campos como una hermosa herramienta de cálculo para sistemas de muchas partículas, pero para mí, como físico experimental, las partículas existen.

La confusión desaparece si se define qué es una partícula en la física clásica, cómo el nombre pasó a los rayos cósmicos y la física de partículas se convirtió en un término, y qué es una teoría cuántica de campos.

Una partícula en la mecánica clásica puede describirse cinemáticamente por su masa y el movimiento de su sistema de centro de masa es una trayectoria única y específica y caracteriza su movimiento. Un punto de impacto de la partícula clásica es un específico (x,y,z) en el tiempo t. Una pelota golpea una pared en un punto.

Mire esta imagen de la cámara de burbujas y dígame que esas no son partículas como se define en la física clásica girando en un campo magnético perpendicular al plano de la imagen:

El marco de la mecánica cuántica, completo con sus herramientas de cálculos teóricos de campo, tiene que entrar para modelar matemáticamente las desintegraciones y su distribución angular, y es trillado afirmar que estas distribuciones son probabilísticas y obedecen a las reglas de la mecánica cuántica.

Entonces, dependiendo de las condiciones de contorno, el pión, por ejemplo, muestra la identidad de partícula clásica y, en el punto de decaimiento, muestra su naturaleza mecánica cuántica, que necesita que se describa todo el trasfondo de la mecánica cuántica y se hagan afirmaciones predecibles.

Es realmente la dualidad "onda-partícula" la que se muestra en esta imagen simple, donde "onda" sustituye "teoría cuántica de campos".

Si los experimentos en el futuro validan una "Teoría del Todo" , estaría dispuesto a adoptar la idea platónica, porque significa que cualquier medición será predecible por el TOE. Pero como cada generación de físicos piensa que ha resuelto todas las preguntas de física y solo quedan problemas de ingeniería, lo más probable es que los platónicos caigan en la arrogancia de pensar que hemos llegado al final de nuestras observaciones de la naturaleza y que no necesitamos herramientas matemáticas nuevas o incluso radicales para describir eso.

El punto de vista moderno es que no hay partículas, solo campos. Sin embargo, las excitaciones de estos campos se comportan como partículas, y puedes interpretar muchos estados en una teoría de campo dada en una imagen de partículas donde las consideras como partículas. Nada de esto es intrínsecamente incorrecto siempre que conozca la física subyacente.

Por lo que puedo decir, aparte del hecho de que cuando detectamos excitaciones de campo, se comportan como partículas, la razón por la que lo llamamos "física de partículas" es porque es más fácil de decir y explicar, y se relaciona bien con la terminología más antigua que es No es incorrecto para los experimentos que la mayoría de la gente está haciendo.

Actualmente tengo problemas para pensar en un nombre que sea técnicamente más preciso que no sea demasiado largo y complicado. La "física de campo" no funcionaría porque los campos son un concepto demasiado general y no suele llegar al núcleo de lo que hace la gente; La "física de excitación de campo" es solo un bocado y, en general, requeriría dar demasiada explicación. La "física de partículas" va directamente a los asuntos importantes de una manera que los profesionales entienden y pueden entenderse fácilmente sin tener una idea realmente equivocada de lo que está pasando.

Bueno, el "punto de vista moderno" en la respuesta de @Jared Dziurgot no es compartido por todos. Es igualmente posible decir que solo hay partículas y que los campos son simplemente herramientas matemáticas útiles para describirlas. Por ejemplo, un famoso promotor de esta perspectiva es Nima Arkani-Hamed . Le gusta decir:

"las partículas son físicas, los campos no lo son; solo pregunte a sus colegas experimentales qué miden..."

Esto también se aplica a la respuesta de @Darkseid. Los campos magnéticos y eléctricos que medimos consisten en muchas partículas si miramos más de cerca.

Esta es una pregunta ontológica. Diferentes personas pueden expresar diferentes puntos de vista sobre el tema. Hay algo de verdad en que tanto las partículas como el campo son fundamentales.

En cierto sentido, todos nuestros experimentos involucran partículas. Aceleramos y colisionamos hadrones, leptones y, en general, estamos interesados ​​en las partículas que producen. Si se ve de esta manera, se podría decir que los campos son solo un instrumento conveniente para describir esto.

Por otro lado, los campos magnéticos y eléctricos son observables (p. ej., a través de las huellas de partículas en una cámara de niebla). Lo que puede sugerir que los campos son fundamentales.

Con todo, ambos puntos de vista son correctos siempre que sepa cómo funciona a partir de los principios subyacentes.

El concepto de "partícula" proviene de nuestra necesidad de explicar la naturaleza en términos que podamos entender. No significa necesariamente que exista tal cosa como una partícula. Simplemente significa que podemos observar ciertos fenómenos y nos parece conveniente decir que corresponden a una partícula.

Cualquiera que sea la definición que desee usar, siempre debe depender del contexto en el que la esté usando. Y ahí también es donde es válida. El concepto de partícula es muy útil en la mecánica clásica y en algunos aspectos de la mecánica cuántica. A medida que profundizamos en el mundo microscópico, pierde su validez.

La descripción actual y mejor que tenemos de ese mundo subatómico está descrita por la teoría cuántica de campos y los "bloques de construcción" subyacentes son los campos. Este es un contexto diferente al de la mecánica clásica. Los campos en la teoría cuántica de campos crean fenómenos que encontramos conveniente decir que son creados por partículas si deseamos explicarlos utilizando términos con los que estamos más familiarizados.

En resumen, si existen "partículas" es una cuestión ontológica/epistemológica y no debería preocupar a un físico. Déjalo para los filósofos.

Vale la pena recordar, como han indicado otros, “Todos los modelos están mal pero algunos son útiles” . La elección de un modelo de onda o de partículas encaja justo ahí. Las personas a menudo adoptan posiciones muy particulares sobre este tipo de cosas cuando procastinan en público, aunque pueden ver algún sentido en las alternativas en privado.

La discusión Onda - Partícula tiene dos aspectos diferentes.

La primera es la distinción Clásica - Cuántica, y con frecuencia es este el caso que se plantea. El enfoque newtoniano clásico comienza a fallar en algún momento y se vuelve útil un método más amplio. En este caso, las distinciones se hacen artificialmente groseras y exageradas, utilizando una fraseología llamativa que trata de exprimir cualquier pensamiento.

El segundo es el concepto de dualidad onda-partícula , por lo que existe una equivalencia matemática entre los dos enfoques. Por lo general, aquí ambos lados dejan caer algún factor supuestamente menor para su enfoque que luego rompe la dualidad. Las partículas no tienen ancho. Las ondas no tienen centro. La mayoría de los enfoques de onda pretenden que la onda es plana e infinita, por lo tanto tiene energía infinita (o tiene una existencia insignificante). O es polarizado y esférico (Mott), por lo tanto sin polos.

Una vez que se obtiene el origen y la dirección de una onda, se tiene una 'partícula'. Así como las 'partículas' necesitan ganar un ancho para su existencia de bola de pelusa. Entonces son cuánticamente realistas, mientras que la vista de onda plana / impulso perfecto era un ideal matemático no físico.

La información adicional es que la mayor parte de la física parece haberse perdido los desarrollos en Wavelets que proporcionan un conjunto de funciones de onda 'wavelets' que tienen un soporte compacto para su energía finita y forman un conjunto completo de bases para estas 'partículas'. En particular, " The Friendly Guide to Wavelets " de Gerald Kaiser (matemático) cubre cómo resuelven la ecuación de onda EM y la ecuación de Schrödinger, y de dónde proviene el principio de incertidumbre (Fourier), y que Heiseberg lo vinculó al sistema cuántico.

Ni las ondas simples ni las partículas puntuales son buenas representaciones de la realidad física.

La clave para resolver su confusión es recordar que SM, QM, QFT, etc., son solo modelos, cuyo propósito es ayudarnos a comprender nuestro mundo. Además, debe comprender que cada uno de estos modelos tiene su propio vocabulario, jerga y expresiones, que se utilizan para describir sus teorías. Entonces, si QFT quiere usar "campos de excitación" para algo que SM llama "partículas", no debería causarle problemas. Solo tienes que aprender la "jerga" de cada modelo, para que puedas entenderlo.