¿Volumen de un fotón?

Entiendo que los fotones, como las otras partículas elementales, son partículas puntuales y técnicamente no tienen límites definidos.

Sin embargo, los protones y otra materia bariónica tienen un radio atómico medio o "radio de carga".

Pero debido a que la materia bariónica está hecha de partículas elementales (a saber, quarks); lo que significa que hay algún volumen al que los quarks están fundamentalmente confinados.

¿Tienen otras partículas elementales, a saber, los fotones , tales volúmenes, aunque vagos?

Pregunto debido a mi comprensión de la cuantización. Si los fotones no tienen "volumen", ¿no puede existir un número infinito de fotones en el mismo espacio? ¿No debería haber algún área alrededor de un fotón que se mantenga para sí mismo? (Tal vez ni siquiera necesariamente fotones, sino cualquier partícula elemental).

Los protones y otros bariones no son partículas elementales. Están construidos a partir de quarks y, por lo tanto, tienen una subestructura.
En cuanto a la parte de empaquetamiento apretado de su pregunta, es posible que desee buscar "condensado de Bose-Einstein". Los bosones (partículas con espín entero, incluidos los fotones) no se ven afectados por el principio de exclusión de Pauli y puede poner tantos como desee en un solo estado cuántico.
@dmckee Sé que los bariones no son partículas elementales, sino que están compuestos por ellas. Quiero decir que dado que los quarks se unen para formar un protón, el protón tiene un volumen (casi) constante. Entonces, los límites superiores de los volúmenes de los quarks se pueden describir a través del volumen del protón u otras partículas bariónicas. ¿Esto esta mal?
Se prueban escalas mucho más pequeñas en experimentos de dispersión inelástica profunda. Los quarks, como los electrones y otros leptones, no tienen un tamaño conocido y, en teoría, tienen forma de punto. No creo que el límite experimental en el tamaño de los quarks sea tan bueno como el de los electrones, pero es mucho más pequeño que un protón.

Respuestas (2)

En el régimen cuántico, la respuesta a tales preguntas realmente depende de lo que entiendas por "volumen".

Un fotón no tiene volumen en el sentido de que teóricamente puede estar confinado en una región del espacio arbitrariamente pequeña. Aunque tal confinamiento daría como resultado que el fotón tuviera fluctuaciones de energía extremadamente altas (básicamente debido al principio de incertidumbre), por lo que para tamaños extremadamente pequeños probablemente sucedería algo más, como la creación de pares en el vacío o efectos similares de la teoría cuántica de campos complicados.

Un fotón también puede tener cualquier volumen que desee, si piensa en el volumen como la región del espacio en la que estará seguro de detectar el fotón: un fotón puede tener cualquier forma y tamaño.

Según la última parte de su pregunta, sí, es absolutamente posible tener una cantidad arbitrariamente grande de fotones en el mismo estado, en particular, tener una cantidad arbitrariamente grande de fotones idénticos en la misma región idéntica en el espacio. Esta es una propiedad general de las partículas bosónicas , y el fenómeno se llama condensación de Bose-Einstein .

No estoy seguro de su afirmación de que un fotón confinado tendrá grandes fluctuaciones de energía. Una cavidad en el espacio puede hacerse pequeña, pero el campo interior tendrá una sola frecuencia bien definida. El patrón de campo espacial (solución de la ecuación de Helmholtz) está confinado, pero ya se asumió una sola frecuencia cuando se escribió la ecuación de Helmholtz.

Según los conocimientos actuales (es decir, en la medida en que se construye el modelo estándar de la física de partículas), las partículas se describen como "excitaciones" de algún campo que impregna el espacio-tiempo. Ahora bien, los términos interactivos que escribimos en las ecuaciones que describen el modelo son funciones locales de los campos, es decir, dependen del valor del campo en un solo punto.

Frases como "hay un electrón/fotón/otra partícula elemental está en el punto X realmente significa "hay una excitación del campo relacionado en el punto X ". En este sentido, escribir una interacción local es equivalente a pensar en partículas como puntos, y en el estado actual de la física experimental no hay evidencia de discrepancia alguna con esta suposición.

Por otro lado, las partículas no elementales son estados ligados de partículas elementales, eso significa que no hay un campo asociado a ellas (puedes construir modelos efectivos válidos en alguna escala de energía, pero esta es otra historia). Estos estados ligados no se pueden describir fácilmente en términos de sus constituyentes (en realidad, hablar de constituyentes es impropio), si se miran "lo suficientemente lejos" parecen tener un volumen debido a todas las interacciones entre los campos fundamentales. Una buena analogía proviene de la química: sabemos que los átomos están básicamente vacíos, ¡aunque la materia nos parezca continua y sólida!

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