¿Por qué/cómo un electrón emite un fotón cuando desacelera?

Esta respuesta es en parte un intento de demostrar cómo a menudo se pueden aplicar perspectivas muy diferentes a la misma pregunta de física.

En su tesis doctoral, Richard Feynman hizo esta pregunta: "¿Por qué un electrón retrocede cuando emite un fotón?" Hizo esta pregunta desde una perspectiva bastante peculiar, en la que asumió que los campos no existen y las partículas solo interactúan directamente".

Su pregunta simplemente invierte el orden de causalidad: "¿por qué un electrón emite un fotón cuando retrocede (desacelera)?"

Entonces, la respuesta de la tesis de Feynman se aplica muy bien a su pregunta. Los detalles de la respuesta de Feynman eran incorrectos en un punto, donde Feynman asumía que un electrón no podía interactuar consigo mismo. @RonMaimon señaló esto aquí en Physics.SE , pero también por qué no socava la respuesta principal de Feynman.

Entonces, ¿cuál sería la respuesta de Feynman a su pregunta? Probablemente habría sido esta: un electrón emite un fotón ordinario en respuesta a ser golpeado por un fotón de tiempo inverso ("avanzado") que ha viajado hacia atrás en el tiempo desde algún punto en el futuro. "Algún punto en el futuro" podría variar desde femtosegundos (o menos) hasta miles de millones de años en el futuro. El fotón real que se emite en respuesta al fotón que retrocede en el tiempo y que induce el retroceso viaja a lo largo del camino del tiempo clásico como un fotón normal o "retrasado" (no, no lo inventé) y, finalmente, incide en el mismo objetivo que emitió el fotón avanzado en algún momento en el futuro.

Las soluciones avanzadas de fotones, dicho sea de paso, eran un segundo conjunto de soluciones a las ecuaciones de Maxwell que tradicionalmente se ignoraban como irrelevantes, por razones obvias. Eso cambió cuando John Archibald Wheeler , el asesor de tesis de Feynman, los sugirió como posibles soluciones a la búsqueda aparentemente desesperada de Feynman de crear una teoría autoconsistente de cómo las partículas podrían interactuar "directamente" (lo que sea que eso realmente signifique), sin usar ningún campo clásico intermedio.

Si bien me doy cuenta de que es probable que este no sea el tipo de respuesta que esperaba, el éxito del marco matemático QED muestra que, como respuesta, es autoconsistente y correctamente predictivo. Simplemente aborda la cuestión más desde la perspectiva de la teoría cuántica que desde la perspectiva de la relatividad especial.

Entonces, para recapitular: (¡Siempre quise usar esa palabra una vez [solo] en mi vida!)

Los electrones emiten fotones ordinarios cuando retroceden en respuesta a ser golpeados por un fotón "avanzado" que ha viajado hacia atrás en el tiempo. Una vez emitido, el fotón ordinario o "retrasado" viaja junto con el resto de nosotros a través del tiempo clásico ordinario hasta que completa el circuito, posiblemente rápidamente, posiblemente muy lentamente, golpeando el mismo electrón que fue la fuente en el futuro de el fotón avanzado.

Addendum 2012-06-13.20:40 EDT - En respuesta a un buen comentario sobre la causalidad:

Sorprendentemente, la causalidad se conserva a lo largo de todo esto, como se demuestra en una serie de artículos de Feynman y Wheeler. Y lo que eso dice es principalmente que nuestro concepto de "ahora" es realmente un poco más complicado de lo que solemos pensar.

Más específicamente, las partículas cuánticas incrustadas en la materia termodinámica ordinaria requieren longitudes de integración más largas en lo que consideramos pasado y futuro, y esas extensiones pueden ser muy largas. Me gusta pensar en este "diente" fluctuante de partículas cuánticas incrustadas en la materia termodinámica ordinaria como el "borde irregular del ahora ", pero esa es solo mi visualización personal... una que el autor de un libro y algunas personas de Hollywood deben haber tenido muchas años antes que yo . Pero dejando de lado las filas de dientes temporales, todo lo que quiero decir con esta divertida visualización es que las distancias de tiempo en las que se deben integrar las integrales de trayectoria aumentan a medida que las partículas permanecen cuánticas durante períodos de tiempo más largos.

Esta es una respuesta agitando la mano.

Preguntas en los comentarios: Veo que esa partícula gana/pierde energía, pero ¿no hay otras formas de hacerlo ?

Abajo, en el mundo de las partículas, todo es mecánico cuántico y las únicas cosas que existen son las partículas del modelo estándar, que a veces pueden actuar como ondas de acuerdo con las estrictas reglas de QM.

¿Cuáles son las posibles interacciones de un electrón? Débil y electromagnético. Débil es un orden de magnitud más débil que el electromagnético (de ahí el nombre) y puede ignorarse.

Por lo tanto, cualquier interacción medible que pueda tener un electrón tiene que ser electromagnética. En la dimensión del microcosmos, cualquier ganancia o pérdida de energía tiene que pasar por fotones.

Las partículas cargadas están permanentemente acopladas al campo electromagnético, es un hecho experimental y la característica más esencial de las cargas. Como cualquier sistema acoplado (compuesto), el sistema (electrón + FEM) tiene sus variables de centro de masa y las variables de "movimiento relativo" (o "internas"). Generalmente, cuando actúas sobre uno de los constituyentes de un sistema compuesto, transfieres energía a su centro de masa ya las variables internas, siendo ambas energías aditivas. Al igual que golpear una pelota: la empujas como un todo y la haces vibrar "internamente" (también excitas la "dinámica de la forma").

Creo que cuando actúas sobre el electrón, el estado anterior de "movimiento relativo" del sistema compuesto (electrón + EMF) se perturba y se observa la relajación de esta perturbación como ondas electromagnéticas.

Ahhh... a ver!

Cualquier electrón que cambia de velocidad o de dirección emite luz azul. Cuando un electrón se mueve a diferentes niveles de valencia emite luz azul y blanca.

Para que un electrón cambie de velocidad o dirección, debe tener interacción con otras partículas u otros campos electromagnéticos. Si el electrón gira alrededor de un átomo, se comportará de acuerdo con la teoría de la radiación del cuerpo negro. Si es un electrón libre, entonces puede retener bandas de energía más amplias o absorber energía de manera diferente que si estuviera en un modelo restringido de nivel de valencia, y si es libre, nunca absorberá ni emitirá uniformemente debido al ángulo de interacción de las partículas y las fuerzas de campo externas encontradas y el punto de partida. la velocidad de cada electrón variará. Los electrones de valencia requieren fotones específicos para saltar los niveles de valencia. Entonces, un electrón libre puede ser más caliente, más rápido cuando se absorbe, más frío y más lento cuando se vuelve a emitir. Entonces, el electrón no está creando los fotones en sí mismo. Está absorbiendo, desviando, transfiriendo energías que ya le han sido dadas desde una fuente externa.

En reposo y frío, un electrón no emite fotones porque no está absorbiendo energía y cambiando su estado de energía. Para que un electrón se mueva, algo tiene que chocar contra él.

La fuente de luz cuando cambia de dirección está relacionada con la fem que llevan los electrones. Esto significa que cualquier fotón proveniente de un electrón no es el fotón del electrón, se le dieron energías adicionales a través del calentamiento, la absorción y la aceleración de velocidades.

Para que cualquier cosa cambie de velocidad o dirección, debe renunciar a su momento y, dado que los electrones tienen muy poca masa, la mayor parte de la energía es creada por la temperatura y la velocidad, cualquiera de las cuales debería cambiar, provocará la emisión de luz.