¿Los campos EM están hechos de fotones o son fundamentales?

En la visión moderna, el campo electromagnético cuántico es el objeto fundamental. Las excitaciones elementales de este campo se denominan fotones. Los campos cuánticos son objetos muy complicados, pero bajo ciertas circunstancias donde hay muchos fotones, pueden ser descritos aproximadamente por un campo clásico, llamado campo electromagnético clásico, que simplemente asigna algunos números a cada punto del espacio-tiempo. Este es el campo que estudió Maxwell.

Así que no hay contradicción aquí. Hay dos nociones de "campo electromagnético" que tienen un estatus básicamente opuesto con respecto a los fotones.

¿Cuál tiene razón, los campos EM están hechos de fotones o son fundamentales?

Un "campo electromagnético" clásico no puede definirse de la forma en que se define clásicamente un campo eléctrico o un campo magnético (o uno gravitatorio). Se necesita una partícula de prueba para medir la fuerza del campo, y no puedo definir una partícula de prueba que mida la fuerza de la radiación electromagnética. Uno puede definir un campo eléctrico y un campo magnético en un punto en el espacio-tiempo, y las ecuaciones de Maxwell los conectan como una entidad que se comporta de manera diferente dada la velocidad del observador. Se necesitan dos tipos diferentes de partículas de prueba para probar campos eléctricos y magnéticos, y eso es parte de la confusión.

Para empezar, dado que a partir de nuestro conocimiento actual, todo lo clásico surge del nivel mecánico cuántico subyacente, son fundamentales las partículas fotónicas representadas en la teoría cuántica de campos por un campo fotónico, sobre el cual los operadores de creación y aniquilación generan los fotones reales.

Tanto las ecuaciones clásicas de Maxwell como las de la mecánica cuántica son modelos matemáticos. Se ha demostrado matemáticamente que los campos clásicos emergen de los campos mecánicos cuánticos, y existe una continuidad suave, pasando de partículas (fotones) a ondas electromagnéticas (clásicas). También se puede demostrar que en el caso límite del comportamiento estático existe esta continuidad, y los fotones virtuales pueden modelar matemáticamente campos estáticos.

Como físicos aceptamos lo que predicen y describen los rigurosos modelos matemáticos, siempre que no haya falsificación experimental. Entonces, en este momento, lo fundamental es el campo de fotones con sus operadores de creación y aniquilación (un campo de operadores). Los fotones virtuales son un precio por usar las matemáticas, ya que no se pueden medir, pero en lo que respecta a la teoría, todo se mantiene unido sin falsificaciones experimentales.

Bueno, estás al borde de lo que podría considerarse más como un borde filosófico de la física en lugar de absoluto. De hecho, una carga en movimiento en el espacio hará que un campo irradie en una dirección u otra y este es el campo eléctrico en su estado excitado, donde los fotones son excitaciones de este campo. Sin embargo, un campo eléctrico estático , que yo mismo tiendo a aceptar como un gradiente potencial, es el espacio. Es una región donde otras cargas colocadas en su interior sienten una fuerza sobre sí mismas.

Un campo eléctrico estático es el campo eléctrico en su estado fundamental, su estado no excitado, aquí el campo no produce fotones.