¿De qué están hechos los campos electromagnéticos?

Al pensar en entidades fundamentales, es bastante fácil hacer una pregunta que, al reflexionar, es contradictoria. Las preguntas de este tipo toman la forma: ¿De qué está hecho [algo fundamental]?

¡La contradicción aquí es que solo puede haber una respuesta si lo fundamental no es fundamental!

El campo electromagnético es una de esas entidades fundamentales. No está hecho de otra cosa, simplemente es lo que es . En el contexto de QFT, los fotones (reales y virtuales) son, en términos generales, "excitaciones" de esta entidad. Los fotones reales están asociados con la propagación de largo alcance de la energía y el momento, es decir, las ondas electromagnéticas. Los fotones virtuales están asociados con la fuerza electromagnética, es decir, la fuerza de Lorentz, así como con las ondas evanescentes y la radiación de antena de campo cercano.

Los campos son más fundamentales en comparación con las partículas (tan fundamentales como las cuerdas). Las partículas, como los electrones, son la excitación de los campos de Dirac (perdón por eso). Posible discusión relacionada de M Strassler que puede ser útil. http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/the-higgs-particle/360-2/ Algunos puntos son los siguientes:" Un campo es algo que

1.is present everywhere in space and time,
2.can be, on average,  zero or not zero, and
3.can have waves in it.
4.And if it is a quantum field, its waves are made from particles.

Así por ejemplo: el campo eléctrico es una parte de la naturaleza que se encuentra en todas partes. En cualquier punto del espacio y en cualquier momento en particular, puedes medirlo. Si es distinto de cero en promedio en alguna región, puede tener efectos físicos, como poner los pelos de punta o provocar una chispa. También puede tener ondas: la luz visible es una de esas ondas, al igual que los rayos X y las ondas de radio.

Ok, so, what is a particle?

Las ondas de un campo cuántico no pueden tener una intensidad arbitraria. La onda menos intensa posible que puede tener un campo se llama partícula, y a menudo se comporta de acuerdo con su noción intuitiva de "partícula", moviéndose en línea recta y rebotando indivisiblemente en las cosas, etc., razón por la cual le damos ese nombre.

En el caso del campo eléctrico, sus partículas se denominan “fotones”; representan el destello más tenue posible. Su ojo absorbe la luz un fotón a la vez (aunque normalmente espera a que lleguen varios fotones antes de enviar una señal a su cerebro). Un láser produce ondas muy intensas, pero si protege un láser con una pantalla para que solo una pequeña fracción de la luz pasa, encontrará, si la protege lo suficiente, que la luz pasa a través de la pantalla en pequeños destellos, fotones individuales, todos ellos igualmente tenues".

Los campos electromagnéticos, que incluyen campos eléctricos y magnéticos estáticos, están hechos de fotones. Desde la perspectiva de la física de partículas, la electrodinámica cuántica como modelo de partículas portadoras de carga eléctrica que interactúan a través de fotones tiene una concordancia espectacular con la experimentación. La cuestión es que esos experimentos son muy especiales porque estamos enviando partículas 'libres' con una tonelada de energía y tratando las interacciones con el campo electromagnético como una perturbación muy pequeña en las partículas libres. Entonces, la imagen que dibujamos en nuestras cabezas de partículas que interactúan a través del intercambio de un solo fotón es un caso simplificado que funciona muy bien en esta situación:

Ahora, hacer que la respuesta sea más precisa para algo como un campo eléctrico estático, que yo sepa, es prácticamente imposible. Para ver esto, podemos mirar algo mucho más simple, estados coherentes (ver http://en.wikipedia.org/wiki/Coherent_states ). Estos estados ni siquiera tienen un número de fotones bien definido, por lo que, si bien están claramente "hechos" de fotones, el estado es una combinación lineal de estados con un número de fotones bien definido:

$|\alpha \rangle = e^{ \frac{- |\alpha|^2}{2}} \displaystyle\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{\alpha^n}{\sqrt{n!}}|n \rangle$

la probabilidad de detectar n fotones es:

$P(n) = e^{-|\alpha|^2} \frac{|\alpha|^{2n}}{n!}$

que claramente no es una función delta para n, lo que sería si n fuera siempre el mismo número. Y por lo que puedo decir, un estado que produce un campo de tipo Coulomb ($\frac{k q}{r^2}$) va a ser aún más complicado que los estados coherentes, por lo que parece inútil tratar de expresarlo en estos términos. Tenga en cuenta que esto está en marcado contraste con, por ejemplo, el número de electrones, que siempre está bien definido. Por lo tanto, pensar en un campo electromagnético compuesto de fotones de la misma manera que un bloque de metal está compuesto de electrones y otras partículas es probablemente una mala analogía para extenderse demasiado.

Un campo magnético es esencialmente una nube de "marcadores de posición" de fotones virtuales en un estado de flujo; es lo que los electrones que producen el campo "deben" a otros electrones cercanos (que han ganado fotones reales), por tener sus momentos de carga de espín alineados en la misma dirección.

Un campo magnético es una entidad aún más fundamental que partículas tales como electrones, protones y neutrones.

Lo más fundamental en física es la forma en que conducimos la física. Y la física será tan buena como la estamos dirigiendo.

Llevamos a cabo la física usando 1) la lógica y 2) el método científico.

En ese contexto, una teoría científica somos solo nosotros los humanos, tratando de dar una descripción precisa de nuestra comprensión de nuestra realidad y nuestros experimentos, mediante la creación de modelos matemáticos que se ajusten mejor a esa comprensión.

Si en algún momento nuestra 1) descripción, 2) comprensión, 3) experimentos son defectuosos, también lo será nuestra física.

Entonces, el mejor modelo que tenemos hoy, es el de un Universo donde los campos son fundamentales y no están "hechos de" nada más simple.

Eso no significa que el Universo sea de esa manera, simplemente lo estamos describiendo, de esa manera.

Si el Universo real resulta estar de acuerdo con nuestro universo teórico, entonces eso es bueno y cuanto más lo haga, más precisas serán nuestras predicciones sobre este mundo... Y, por supuesto, si la teoría resulta no describir nuestra realidad en absoluto, entonces nuestro la teoría no es tan útil.

Entonces, los campos en este modelo no están hechos de nada. Pero tal vez en el futuro, un modelo que tiene campos hechos de algo en lugar de nada demostrará ser aún más preciso para describir nuestra comprensión de nuestra realidad...

Entonces no sabemos de qué están hechos los campos, hasta ahora en nuestros modelos no están hechos de nada.

Los campos electromagnéticos están hechos de fotones. La magnitud y dirección de la intensidad del campo electromagnético en cualquier punto es directamente proporcional a la magnitud y dirección de la fuerza del fotón en ese punto. Las líneas de campo son los caminos que toman los fotones (y dado que según la física cuántica, un fotón toma todos los caminos posibles, entonces las líneas de campo de ese fotón también tendrían más de una dirección).

Dado que los fotones solo se emiten cuando la carga se acelera, no es posible un campo electromagnético estacionario. Una carga estacionaria no tendrá campo.

Sin embargo, parece haber dos excepciones a esto. ¿Por qué las cargas que se mueven con velocidad constante todavía se atraen o se repelen cuando no emiten fotones?

Y en la superficie de la tierra, si un imán está en el suelo y el otro está suspendido sobre él, ambos están en reposo uno respecto del otro, pero cuando el imán suspendido se suelta, los imanes aún se repelen.

Además, esta vista explica la repulsión entre dos cargas aceleradas, pero no explica la atracción.

Si entiendo QFT correctamente, puede pensar en el campo de electrones como un caldero burbujeante que lo impregna todo (llamado fluctuaciones de vacío) de bolas de energía de electrones prematuras, no listas para el horario de máxima audiencia (¿potencial?), que tienen energía por debajo del mínimo ( pero no cero) energía cuántica necesaria para un electrón adulto. Si son golpeados con suficiente energía, pueden comenzar a vibrar al nivel mínimo de energía cuántica de electrones adultos, lo que provoca una ondulación en el campo (como una piedra que se deja caer en un estanque inmóvil). Esta onda ondulada es lo que llamamos un electrón real.

Ahora me doy cuenta de que es una idea poco convencional, pero si cada partícula elemental tiene su propio campo de vacío (campo de fotones, campo de electrones, etc.), entonces debe haber algo único en cada campo que le permita crear su partícula asociada. No basta con decir "el campo es el que es". Así que tiene que haber algo específico sobre cada campo, y eso es lo que digo arriba para tratar de dar algún tipo de teoría sobre de qué están "hechos" los campos. Como nadie lo sabe a partir de ahora, ¿por qué no intentarlo?

Como ha dicho Brian Skinner http://www.ribbonfarm.com/2015/06/23/where-do-electric-forces-come-from/ "para un físico, la construcción de tales "historias de origen" es quizás la parte más importante de la profesión. Es absolutamente integral a la física que sus desarrolladores nunca estén satisfechos con ningún nivel de descripción de la realidad. A cada ley o ecuación o teorema, siempre debemos preguntar "sí, pero ¿por qué es así?" Este cuestionamiento impertinente, cuando tiene éxito, en última instancia siempre convierte una pregunta en otra pregunta. Pero en el camino puede reescribir de manera muy fundamental la forma en que percibimos la naturaleza. Y, cuando esas revisiones tienen éxito, allanan el camino para nuevos conocimientos y descubrimientos significativos mientras recapitulando todos los resultados que vinieron antes".