¿Cuáles son las dimensiones, ancho y largo, de un fotón?

Todo el mundo siempre habla de la longitud de onda del fotón. Pero, ¿qué hay de sus dimensiones? ¿Cuál es la longitud y el ancho de la misma? ¿Y tiene sentido pensar en esas cosas? ¿O esas dimensiones son inexistentes en tales casos?

bueno, la longitud de onda se considera fácilmente su longitud. Pero no hay anchura ni profundidad. ¿Cuál es el ancho o la profundidad de una ola en el océano? ¿Cuál es el ancho del sonido? Un fotón es una onda que a veces puede comportarse de formas que normalmente atribuimos a las partículas, pero no deja de ser una onda. No es necesario que tenga un volumen de ningún tipo.
Aunque ha habido argumentos (incluyendo algunas de las respuestas aceptadas) en su contra, la descripción de un fotón como una onda por lo general (es decir, "clásicamente") parece emplear la forma, el tamaño y las velocidades de la partícula en términos de la probabilidades de que se encuentre en puntos particulares en esa parte de su trayectoria a través del espacio-tiempo que representa el contorno de la onda,

Respuestas (3)

Las partículas fundamentales que conocemos hoy (de las cuales el fotón es uno) se denominan fundamentales precisamente porque no tienen una subestructura o, de hecho, una extensión espacial que conozcamos. Son como puntos cuando están localizados.

Tenga en cuenta que estas "partículas" son objetos cuánticos , no partículas clásicas, por lo que no debe imaginarlas como puntos zumbando en el espacio: poseen estados deslocalizados en los que no toman forma definida (por ejemplo, la "nube de electrones" alrededor de los átomos es un estado tan deslocalizado).

Lo anterior es una visión breve y no relativista de las "partículas". Cuando se va a la descripción relativista que realmente se necesita para la descripción completa de las partículas fundamentales, las cosas se vuelven considerablemente más turbias. Por un lado, perdemos los operadores de posición ingenuos, y la noción de "localización" se vuelve un poco mal definida porque el nuevo "operador de posición", los operadores de Newton-Wigner, no permiten hablar de localización de una manera independiente del observador. . El estado de partícula genérico que se dispersa en los cálculos de QFT suele ser un estado de impulso agudo y, por lo tanto, está fuertemente deslocalizado, por lo que cualquier noción de "punto similar" no puede realmente depender de la localización de un estado de partícula.

En esta imagen, la noción adecuada de una partícula "puntual" es aquella cuyo comportamiento de dispersión indica que no hay subestructura ni extensión espacial. Para los objetos extendidos que consisten en subobjetos, su comportamiento de dispersión generalmente cambiará cuando las escalas de energía/longitud del proceso de dispersión alcancen su tamaño, porque entonces sus partes internas se resuelven y los subobjetos individuales comienzan a participar en la dispersión. Entonces, nuestra noción de tamaño se convierte en que el comportamiento de dispersión es independiente de la escala. Para obtener más información sobre esta noción de tamaño en QFT, consulte, por ejemplo, esta respuesta de Bosoneando .

¿Significa que un fotón es infinitamente ancho y largo, porque hay una densidad de probabilidad de encontrarlo asintóticamente tendiendo a cero? ¿Como en ese conocido ejemplo de un electrón en pozo de potencial finito?
@ user46147: aunque la probabilidad puede comportarse como usted dice, no debe identificar la extensión de la función de onda con el tamaño del objeto. Mecánicamente cuánticamente, no está muy claro lo que uno quiere decir con "longitud" o "anchura" de un objeto cuántico.
@ACuriousMind: ¿qué dices? ¿Y qué pasa con la longitud de coherencia ? Este es nuestro orden práctico de magnitud de la dimensión lineal del paquete de ondas.
@Sofia: aunque la longitud de coherencia es un concepto importante, me da la escala en la que vemos el comportamiento cuántico del objeto, en lugar del tamaño del objeto, me parece.
Creo que puede ser confuso reconocer la longitud de onda de un fotón y al mismo tiempo decir que no tienen "ancho". Matemáticamente, el fotón (o el electrón para el caso) como bloque de construcción en QED puede tratarse como un punto y sin ninguna longitud de onda, pero los fotones del mundo real son estados cuánticos más complicados con "ancho" y longitud de onda. Creo que estás insinuando esto en tu segundo párrafo. En otras palabras, un fotón real con una longitud de onda dada probablemente también tenga una extensión espacial por una definición similar. Es desafortunado que "fotón" se use para ambas definiciones.
Creo que una analogía sería útil. Considere una molécula diatómica: aunque su tamaño característico, es decir, la distancia media entre los átomos, es del orden de angstroms, podemos reducir su velocidad para que la longitud de onda de su centro de masa sea de decenas de nanómetros. O podemos acelerarlo para que su longitud de onda sea del orden de picómetros. Pero el tamaño seguirá siendo esencialmente el mismo. Por lo tanto, no se debe confundir la longitud de onda del objeto como un todo, es decir, de su centro de masa para una partícula masiva y el tamaño de ese objeto: son completamente independientes.
¿No crees que es un poco injusto identificar el fotón con el "punto" en el que lo mides en un detector? ¿Cómo define eso, dado que cualquier aparato de medición (uno que implementa una medición proyectiva) simplemente colapsa el "fotón no localizado" a través de la interacción con un sistema macroscópico? ¿No crees que tiene mucho más sentido identificar el "fotón" con su estado antes de medir su posición, de modo que sus "dimensiones" puedan ser efectivamente lo que quieras, desde completamente deslocalizado en el universo según CBR, hasta confinado en ¿Un paquete de ondas del tamaño de un laboratorio?
@ user46147 Si desea visualizar o imaginar un solo fotón, es mejor no pensar en longitudes de onda u ondas. Además de la polaridad, lo más importante de un fotón que viaja a la velocidad de la luz es su frecuencia o el número de veces que oscila por segundo. Aquí en Physics Exchange encontrarás respuestas conflictivas a eso, ya que algunas personas no creen que los fotones existan como cosas individuales. En cuanto a su pregunta real, no creo que se haya diseñado un experimento para probar el ancho mínimo o máximo de un fotón.
@glS Sí, aunque no estoy seguro de querer identificar el fotón con el punto en una pantalla. La mejor noción formal de "similar a un punto" es probablemente que un experimento de dispersión no resuelve una subestructura, es decir, no hay longitud/energía en la que el comportamiento de dispersión cambiaría debido a la resolución de la estructura interna.
No es realmente cierto que los electrones sean partículas puntuales cuando están localizados. Las soluciones normalizadas de la ecuación de Dirac se localizan como máximo en un volumen del orden de la longitud de Compton. Esto se debe a que el operador de posición que "debería" utilizar es el operador de Newton-Wigner. Esto también explica cómo el acoplamiento mínimo en la ecuación de Dirac puede dar la energía del dipolo magnético y la interacción espín-órbita. Cf. Newton y Wigner (1947, creo), Foldy y Wouthuysen (1950) y Foldy (1952). Por otro lado, los estados propios de Newton-Wigner no permanecen localizados bajo impulso, sino que la verdadera lección de
es decir, la QM relativista no es realmente "agradable" a menos que haga teoría de campos, y cualquier interpretación de partículas siempre será al menos algo problemática. (Quiero decir, experimentalmente, la imagen de partículas funciona muy bien, por lo que debe haber algo. La transformación de Foldy-Wouthuysen explica cómo). Esto es para electrones; para los fotones no existe un análogo del operador de Newton-Wigner, por lo que no hay una manera fácil de hablar sobre el tamaño de un fotón. Cf. Preguntas frecuentes de Arnold Neumaier.
@RobinEkman Creo que no tenía la intención de que esta respuesta se tratara de una noción relativista del tamaño, lo que quizás fue un error. He agregado una discusión sobre "tamaño" y localización en QFT.

Para mí prefiero una definición experimental del tamaño de un fotón. Si pasas luz a través de una apertura, comienzas a ver efectos de interferencia cuando la apertura se acerca a la longitud de onda del fotón, como si estuvieras recortando los bordes. ¿Por qué tenemos que hacerlo más complicado que esto?

Si el fotón es puntual, la densidad de energía sería infinita, lo que parece poco realista.

Debe estar localizado en el espacio ya que los fotones pueden detectarse desde el otro extremo del universo. Si los fotones se dispersan, su densidad de energía tendería a cero en estas distancias.

Se puede demostrar experimentalmente que el fotón no es puntual. El experimento de las rendijas de Young implica la interferencia de un fotón consigo mismo (el fotón se comporta en algunos aspectos como una partícula, en otros como una onda y en otros como una distribución de probabilidad. En realidad, estos son modelos convenientes que le aplicamos: en realidad no es ninguno de estos, es un fotón). Los patrones de interferencia que se muestran en el experimento de la rendija de Young permanecen incluso si la corriente de fotones se reduce en la medida en que los fotones pasan uno a la vez. La diferencia de longitud en los 2 caminos se puede variar para determinar la longitud de coherencia. Creo que esto resulta ser del orden de 1m. Otra prueba experimental de que el fotón debe tener una longitud significativa es que la dispersión de su frecuencia es mínima. si se reduce a 0 amplitud sobre (por ejemplo

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