¿Los fotones tienen seis grados de libertad?

Los cálculos que involucran las relaciones de presión y volumen del gas fotón durante la expansión cosmológica del universo postulan un proceso de enfriamiento adiabático con una relación de capacidad calorífica de 4/3. Esta relación parecería sugerir que los fotones tienen seis grados de libertad. Sin embargo, supongo que un fotón tendría tres grados de libertad espacial y dos más para cada una de las dos helicidades (polarizaciones). Supongo que incluso se podría argumentar que un gas de fotones tiene un número infinito de grados de libertad para cada frecuencia. ¿Hay alguna manera de que alguien pueda explicar esta aparente discrepancia?

Respuestas (1)

Los fotones tienen dos grados de libertad, la helicidad. Pero no son un gas ideal con ecuación de estado.

PAG V = norte k T ,
por lo que no se aplica la derivación habitual del exponente adiabático. Necesitas usar la ecuación de estado
tu = PAG V
lo cual es válido para cualquier gas ultrarrelativista. Puede obtenerla de la misma manera que la ley de los gases ideales, considerando las colisiones con el recipiente, pero recordando usar la relación ultrarrelativista entre energía y cantidad de movimiento, mi = pag C , y v = C .

He visto el siguiente argumento utilizado: si L es una regla que se expande con el universo, entonces
tu 1 L 4
ya que la densidad de energía disminuye con el aumento de volumen (factor de longitud al cubo - el universo es plano) y dado que la energía de cada fotón disminuye directamente con el factor de longitud (desplazamiento al rojo). Entonces
V L 3 ( 1 tu 1 / 4 ) 3 1 PAG 3 / 4
, desde
PAG = ( 1 / 3 ) tu
. Esto implica que
PAG V 4 / 3 = C o norte s t a norte t
. Es como si el gas fotónico (CMB) se expandiera adiabáticamente con la expansión del universo. Así que si uno usa
γ = 1 + ( 2 / F )
entonces f (grados de libertad) sería igual a 6 para los fotones.
Ahora veo que los fotones tienen solo dos grados de libertad. Desde mi propio punto de vista limitado que no es QED, los fotones no pueden ser desviados por campos de otras partículas (como, por ejemplo, un electrón desviado en su movimiento alrededor de un núcleo cargado) sin ser creados o destruidos. Entonces, los fotones están, en cierto sentido, atrapados en una dirección del espacio en el cono nulo del espacio 3+1. Por supuesto, los fotones son desviados por la gravedad. Pero esto se debe a la geometría del espacio-tiempo más que a un grado de libertad.