¿Por qué decimos que los fotones son partículas? [cerrado]

El modelo estándar de física de partículas tiene un Lagrangiano de mecánica cuántica donde las partículas elementales de la tabla entran como "partículas" puntuales con la masa y los números cuánticos de la tabla. Este es un modelo físico muy exitoso que ajusta una enorme cantidad de datos de resonancias organizadas en forma óctuple , a datos LEP con la culminación del descubrimiento de Higgs en LHC.

"Partículas" entre comillas porque no son bolas de billar clásicas, son entidades mecánicas cuánticas manifestadas en experimentos microscópicos con distribuciones de probabilidad.

La razón por la que uno llama fotones y gluones y gravitones y partículas Z y W es por la validación del modelo estándar.

Lo anterior es el estado actual de la física de partículas, la experimentación y la teoría que las describe y puede predecir nuevos comportamientos.

El fotón emergió como una partícula, en ese momento no separada de una partícula clásica debido al efecto fotoeléctrico . Era una prueba de que la luz estaba compuesta por cuantos y estos se denominaron fotones, para finalmente llamarse entidades mecánicas cuánticas, "partículas". Con la teoría del campo cuántico, la aparición de la radiación electromagnética clásica del campo de fotones se muestra en esta publicación de blog de @Motl.

Hay algo llamado efecto Compton , donde un electrón y un fotón interactúan entre sí, y la dispersión ocurre con un gran cambio de impulso al estilo de una bola de billar, en lugar del tipo de interacción "suave" que esperaría de un fluido. o campo continuo.

Todas las partículas elementales se describen como excitaciones de campos cuánticos . Lo que piensas que es una partícula es en realidad un objeto mucho más extraño. Es una excitación en un campo de operador que abarca todo el espacio-tiempo.

Si bien esto puede parecer una teoría extraña, funciona muy bien y deja muy claros algunos aspectos previamente misteriosos del comportamiento de las partículas. Por ejemplo, las partículas pueden crearse agregando energía al campo cuántico y destruirse eliminando energía del campo cuántico, lo que explica claramente cómo la materia se puede convertir en energía y viceversa. También explica claramente la dualidad onda-partícula. Las partículas no son ni partículas ni ondas: la energía en un campo cuántico se puede comportar como una onda o como una partícula en diferentes circunstancias.

El punto de todo esto es que los fotones son descritos por la teoría cuántica de campos exactamente de la misma manera que todas las demás partículas, por lo que no hay razón para considerarlos diferentes a las otras partículas. Los fotones son bosones vectoriales de calibre sin masa, y su comportamiento es algo diferente al de los fermiones masivos como los electrones, pero estas diferencias están bien descritas por la teoría cuántica de campos.

Las reglas de selección observadas de la emisión de luz atómica permiten que se emita un fotón solo cuando se produce un cuanto de cambio de momento angular en el complemento de electrones del átomo emisor. Entonces, por conservación del momento angular, debemos tener una partícula saliente que contenga ese momento angular: este es un bosón, llamado fotón. Las ecuaciones de movimiento de un fotón son las del electromagnetismo continuo, pero la interacción con la materia muestra que los fotones tienen propiedades de partículas.