¿La naturaleza cuántica de la luz surge de su interacción con la materia? [cerrado]

Si queremos un tratamiento correcto del campo electromagnético, entonces vamos a tener que incluir un tratamiento correcto de los efectos como el cambio de Lamb, la relación giromagnética del electrón y cosas por el estilo. Por su pregunta, supongo que no está muy familiarizado con ellos. Son efectos que son tratados con mucha precisión por la teoría cuántica de campos llamada electrodinámica cuántica, en la que la luz no es ni onda ni partícula sino campo cuántico.

Entonces, para responder a su pregunta, es cierto que muchos de los efectos físicos que tienden a mencionarse en el contexto de los fotones se refieren a la forma en que la luz interactúa con la materia, y si la materia tiene niveles de energía discretos, entonces puede sentir que la discreción radica solo allá. Pero también debe considerar, por ejemplo, el efecto Compton, donde la luz dispersa los electrones en el espacio libre. Aquí no hay discreción en los estados del electrón, pero es difícil explicar los resultados en términos de ondas de dispersión, mientras que los resultados se explican fácilmente en un modelo de partículas. El modelo totalmente exacto es el de la teoría cuántica de campos, como ya dije, en el que la luz no es ni partícula ni onda. Y para entender el Lamb shift, el efecto Casimir, la teoría electrodébil,

De hecho, una forma de "visualizar lo no visualizable" es pensar que la luz en vuelo consiste en fotones, que cuando se les pide que interactúen con materia cargada, comienzan a exhibir características ondulatorias en un conjunto de circunstancias (difracción de doble rendija, por ejemplo) y, sin embargo, conservan sus características similares a las de los fotones en otro conjunto de circunstancias (efectos fotoeléctricos).

Y como señaló Anna V, un examen más detallado del experimento de difracción de un solo fotón de doble rendija revela que el mismo objeto (el fotón/onda) se comporta como un fotón en un punto en el tiempo y como una onda en otro punto en el tiempo. tiempo (ver su referencia vinculada a continuación).

No sé si esta imagen de lo incognoscible se puede hacer completamente consistente con la electrodinámica maxwelliana, pero es la única forma en que puedo envolver mi cerebro alrededor de la dualidad onda-partícula.

¿Seguiríamos teniendo éxito en detectar la naturaleza fotónica de la luz si generáramos luz sin materia y detectáramos luz sin materia, es decir, que no implicara ninguna interacción con la materia?

$c$es la velocidad a la que "en otro lugar y en el futuro" se convierte en "aquí y ahora" y luego en "en otro lugar y en el pasado". La luz que sale (y otras cosas sin masa) van irremisiblemente desde "aquí y ahora" a otra parte en el futuro, mientras que la luz que entra viene aquí exclusivamente de otra parte en el pasado.

Si no usamos un masivo (es decir:$v<c$) detector en algún punto del proceso, la interacción de nuestro detector y nuestro fotón está siempre en otro lugar y en el futuro de nuestro observador. Nunca se observa.

Del mismo modo, si no usamos una fuente masiva en algún punto del proceso, nuestra fuente siempre está en otro lugar y en nuestro pasado, por lo que nuestro experimento debe comenzar infinitamente lejos y hace un tiempo infinito.

Podemos empujar el asunto detrás de algunas capas de abstracción como "voltaje" y "momento magnético" y hacer creer que no está hecho de un gran número de partículas masivas que interactúan entre sí y con el espacio que las rodea, pero eso es un error lógico.

Podemos generar microondas con un magnetrón y modelar el sistema con gran eficacia predictiva pretendiendo que el magnetrón es un solo dipolo magnético, no innumerables átomos, cada uno con un momento magnético, pero sabemos que este último es una mejor descripción de la realidad.

Podemos medir un patrón de interferencia y pretender que lo que hemos medido es la onda, no el efecto de la onda en un sensor, con gran eficacia descriptiva. Pero sabemos que esto último es lo que realmente sucedió.

Hubo dos revoluciones en la física a principios del siglo XX. La primera liderada por Einstein y otros revolucionó nuestra comprensión del espacio y el tiempo. La segunda, la revolución cuántica, transformó nuestra comprensión de cómo son las cosas, eso es ontología. Antes de esta revolución, las cosas se entendían principalmente como partículas en el espacio u ondas en un medio. Después, se entendieron en términos de campos cuánticos sobrevenidos en el espacio-tiempo y cuyas excitaciones eran los cuantos.

¿La naturaleza cuántica de la luz surge de sus interacciones con la materia?

Dado que la luz puede existir en el vacío (piense en la luz que viaja desde el sol), es difícil ver cómo surge la naturaleza cuántica de la luz debido a sus interacciones con la materia.

La premisa de la pregunta es incorrecta, ya que no hay contradicción entre la teoría de Maxwell y la cuantización de la luz.

El campo EM cuantificado es consistente con las ecuaciones de Maxwell
La cuantificación del campo electromagnético impone la no conmutatividad entre diferentes partes del campo. Matemáticamente se logra transformando las amplitudes del campo, cuando el campo se expande en términos de sus modos propios. Estos modos propios son las soluciones de las ecuaciones de Maxwell. En otras palabras, el campo EM cuantificado satisface automáticamente las ecuaciones de Maxwell.

Estados coherentes
Otro vínculo lo proporciona el teorema de Ehrenfest , que para los campos EM cuantificados toma la forma de las ecuaciones de Maxwell. En particular, el campo EM cuantificado se acerca a las propiedades ondulatorias del campo EM clásico cuando se encuentra en un estado coherente .

Dualidad onda-partícula
Finalmente, es incorrecto pensar en un fotón como una partícula puntual, similar a un electrón; más bien es un cuanto de excitación del campo EM. La cuantificación no convierte los fotones en partículas o los electrones en ondas, sino que significa que ambos exhiben propiedades ondulatorias y similares a las partículas; esto es lo que llamamos dualidad onda-partícula ( ver aquí y aquí )