¿Qué es exactamente un fotón?

La palabra fotón es una de las palabras más confusas y mal utilizadas en la física. Probablemente mucho más que otras palabras en física, se usa con varios significados diferentes y uno solo puede tratar de encontrar cuál es el significado en función de la fuente y el contexto del mensaje.

El fotón que el experimentador de espectroscopia usa para explicar cómo se conectan los espectros a los átomos y las moléculas es un concepto diferente del fotón del que hablan los experimentadores de óptica cuántica cuando explican sus experimentos. Esos son diferentes del fotón del que hablan los experimentadores de alta energía y todavía hay otros fotones de los que hablan los teóricos de alta energía. Probablemente haya aún más variantes (e innumerables modificaciones personales) en uso.

El término fue introducido por GN Lewis en 1926 para el concepto de "átomo de luz":

[...] uno podría haber estado tentado de adoptar la hipótesis de que estamos tratando aquí con un nuevo tipo de átomo, una entidad identificable, increable e indestructible, que actúa como portador de energía radiante y, después de la absorción, persiste como un constituyente esencial del átomo absorbente hasta que luego se envía de nuevo con una nueva cantidad de energía [...]
- "El origen de la palabra "fotón""

Por lo tanto, me tomo la libertad de proponer para este hipotético nuevo átomo, que no es luz pero juega un papel esencial en todo proceso de radiación, el nombre de fotón.
– "La conservación de los fotones" (18 de diciembre de 1926)

Hasta donde yo sé, este significado original de la palabra fotón ya no se usa, porque todas las variantes modernas permiten la creación y destrucción de fotones.

El fotón del que suele hablar el experimentador en espectroscopia UV-visible es un objeto que tiene una frecuencia definida$\nu$y energía definida$h\nu$; su tamaño y posición son desconocidos, quizás indefinidos; sin embargo, puede ser absorbido y emitido por una molécula.

El fotón del que suele hablar el experimentador en óptica cuántica (estudios de correlación de detección) es un "objeto cuántico" deliberadamente misterioso que es más complicado: no tiene una frecuencia definida, tiene una posición y un tamaño algo definidos, pero puede abarcar todo el aparato experimental y solo parece como una partícula localizada cuando se detecta en un detector de luz.

El fotón del que habla el experimentador de alta energía es una partícula pequeña que no es posible ver en las fotos de las huellas de partículas y sus eventos de dispersión, pero facilita la explicación de la curvatura de las huellas de partículas de materia con un punto de origen común dentro del marco. de la conservación de la energía y el momento (por ejemplo, la aparición de un par de partículas con carga opuesta, o la dispersión de Compton). Este fotón suele tener un momento y una energía definidos (por lo tanto, también una frecuencia definida) y una posición bastante definida, ya que participa en eventos de dispersión bastante localizados.

Los teóricos también usan la palabra fotón con varios significados. El denominador común son las matemáticas utilizadas para describir el campo electromagnético y su interacción con la materia. Ciertos estados cuánticos especiales del campo EM, los llamados estados de Fock, se comportan matemáticamente de una manera que permite usar el lenguaje de "fotones como cosas contables con energía definida". Más precisamente, hay estados del campo EM que se pueden especificar declarando un conjunto infinito de números enteros no negativos. Cuando uno de estos números cambia por uno, esto se describe mediante una forma de hablar como "creación de fotones" o "destrucción de fotones". Esta forma de describir el estado permite calcular fácilmente la energía total del sistema y su distribución de frecuencia. Sin embargo, este tipo de fotón no puede localizarse excepto en todo el sistema.

En el caso general, el estado del campo EM no es de un tipo tan especial, y el número de fotones en sí mismo no es definitivo. Esto significa que el objeto principal de la teoría matemática del campo EM no es un conjunto de partículas puntuales con un número definido de miembros, sino un campo EM continuo. Los fotones son simplemente una forma de hablar útil cuando el campo es de un tipo especial.

Sin embargo, los teóricos todavía hablan mucho de fotones, en parte porque:

• está bastante arraigado en el currículo y los libros de texto por razones históricas y de inercia;

• los experimentadores lo usan para describir sus experimentos;

• en parte porque causa una buena impresión en las personas que leen relatos populares de física; es difícil hablar de manera interesante$\psi$función o el espacio de Fock, pero es fácil hablar de "partículas de luz";

• en parte debido a cómo se enseña el método del diagrama de Feynman .

(En el diagrama de Feynman, a menudo se introduce una línea ondulada en el espacio-tiempo como representación de un fotón. Pero estos diagramas son una ayuda de cálculo para la teoría de perturbaciones para ecuaciones de campo complicadas; la línea ondulada en el diagrama de Feynman no representa necesariamente una partícula puntual real que se mueve a través de espacio-tiempo El diagrama, junto con el fotón al que se refiere, es solo una representación gráfica útil de ciertas integrales complicadas).

_{Nota sobre la necesidad del concepto de fotón}

_{Muchos experimentos famosos que alguna vez se consideraron evidencia de fotones se explicaron más tarde de forma cualitativa o semicuantitativa basándose únicamente en la teoría de las ondas (teoría EM clásica de la luz, a veces con la ecuación de Schroedinger añadida). Estos son, por ejemplo, el efecto fotoeléctrico , la dispersión de Compton , la radiación de cuerpo negro y quizás otros.}

_{Siempre hubo un grupo minoritario de físicos que evitaron por completo el concepto de fotón para este tipo de fenómenos y prefirieron la idea de que las posibilidades de la teoría EM no están agotadas. Consulte estos documentos para conocer los enfoques de la física que no son de fotones:}

_{R. Kidd, J. Ardini, A. Anton, Evolución del fotón moderno, Am. J. física. 57, 27 (1989) http://www.optica.machorro.net/Lecturas/ModernPhoton_AJP000027.pdf}

_{CV Raman, Una derivación clásica del efecto Compton. Revista india de física, 3, 357-369. (1928) http://dspace.rri.res.in/jspui/bitstream/2289/2125/1/1928%20IJP%20V3%20p357-369.pdf}

_{Trevor W. Marshall, Emilio Santos: El mito del fotón, Arxiv (1997) https://arxiv.org/abs/quant-ph/9711046v1}

_{Timothy H. Boyer, Derivación del espectro de radiación de cuerpo negro sin suposiciones cuánticas, Phys. Rev. 182, 1374 (1969) https://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.182.1374}

El fotón es una construcción que se introdujo para explicar las observaciones experimentales que mostraban que el campo electromagnético se absorbe y se irradia en cuantos. Muchos físicos toman esta construcción como una indicación de que el campo electromagnético consiste en partículas puntuales adimensionales, sin embargo, de este hecho en particular no se puede estar absolutamente seguro. Todas las observaciones experimentales asociadas al campo electromagnético implican necesariamente el proceso de absorción y/o radiación.

Entonces, cuando se trata de una respuesta estrictamente ontológica a la pregunta "¿Qué es un fotón?" tenemos que ser honestos y decir que realmente no sabemos. Es como esas viejas preguntas sobre la esencia de las cosas; pregunta que en realidad nunca podría ser respondida de manera satisfactoria. El camino hacia una mejor comprensión a menudo requiere que uno se sienta cómodo con la incertidumbre.

Esta es la tabla de partículas elementales utilizada en el modelo estándar de física de partículas, ya sabes, la que se valida continuamente en el LHC a pesar de las esperanzadas búsquedas de extensiones.

El modelo estándar de partículas elementales (representación más esquemática), con las tres generaciones de materia, los bosones de calibre en la cuarta columna y el bosón de Higgs en la quinta.

Tenga en cuenta la palabra "partícula" y tenga en cuenta que cada vez que se calcula un proceso físico para dar números para comparar con las medidas experimentales, estas partículas se tratan como partículas puntuales. es decir, en estos diagramas de Feynman para la dispersión de fotones:

El fotón entrante es real, es decir, en capa de masa, 0 masa, energía$h\nu$. El vértice es un punto y es la razón por la que los físicos de partículas siguen hablando de partículas puntuales (hasta que tal vez se valide la teoría de cuerdas, y entonces estaremos hablando de partículas de cuerdas). El concepto de un fotón como partícula es tan realista como el concepto de un electrón, y su existencia está validada por el ajuste a los datos de las predicciones del modelo estándar.

Entonces, la respuesta es que el fotón es una partícula en el modelo estándar de la física que se ajusta a las medidas en dimensiones mecánicas cuánticas, es decir, dimensiones acordes con$\hbar$.

Mirarse el ombligo sobre el "significado de un fotón" más que sobre el "significado de un electrón" en un modelo matemático ya no es física, sino metafísica. es decir, las personas transfieren sus prejuicios de creencias sobre la explicación.

Llamamos a un electrón una "partícula" en nuestras configuraciones experimentales porque la huella macroscópica a medida que pasa a través de los detectores es la de una partícula clásica. Lo mismo ocurre con los fotones medidos en los calorímetros del LHC, su "huella" macroscópica es una partícula de masa cero con energía$h\nu$y gira uno.

Este evento de difotón CMS no tiene dudas sobre si la huella es un fotón o no. Es un fotón de la tabla de partículas elementales. Es sólo en los vértices de la interacción donde la indeterminación de la mecánica cuántica es importante.

Usted pregunta:

¿Cómo podemos entender la producción de pares si no entendemos qué es el fotón?

Parece que uno tiene que enfatizar continuamente que las teorías de la física están modelando datos ; no son una proposición metafísica de cómo comenzó el mundo. Tenemos un modelo QFT exitoso para la física de partículas, que describe el comportamiento de las partículas elementales a medida que se registra su huella en los experimentos y predice con éxito nuevos resultados. Eso es todo.

Entendemos los procesos modelados por QFT , la comprensión de la naturaleza de la configuración axiomática de partículas en la tabla pertenece a la metafísica. Suponiendo los postulados de la mecánica cuántica y las partículas de la tabla, podemos modelar las interacciones de las partículas. Es similar a preguntar "¿por qué$SU(3)\times SU(2)\times U(1)$La única respuesta es porque el modelo basado en estos supuestos describe los datos de partículas existentes y predice con éxito nuevas configuraciones.

Me gustaría dar el enlace en una publicación de blog de Motl que ayuda a comprender cómo el campo electromagnético clásico emerge de una gran confluencia de fotones. Necesita las matemáticas de la teoría cuántica de campos. Los campos eléctrico y magnético están presentes en la función de onda del fotón, que es una función de número complejo y no es medible, excepto su complejo conjugado al cuadrado, un número real da la densidad de probabilidad de encontrar el fotón en$(x,y,z,t)$.

Es la superposición de las innumerables funciones de onda de fotones lo que construye la onda EM clásica. La frecuencia de la función de onda del fotón individual aparece en los exponentes complejos que la describen. No debería sorprender que sea la misma frecuencia para la probabilidad que la frecuencia en la onda electromagnética clásica que emerge de innumerables fotones de la misma energía (misma frecuencia). Ambas expresiones matemáticas se basan en la estructura de las ecuaciones de Maxwell, el fotón una forma cuantificada, el EM las ecuaciones clásicas.

El punto de partida para explicar los fotones desde un punto de vista teórico deberían ser las ecuaciones de Maxwell. En forma covariante, las ecuaciones en el vacío sin fuentes son

$$\begin{align} \partial_\mu F^{\mu\nu}&=0\\ \partial_\mu(\epsilon^{\mu\nu\alpha\beta}F_{\alpha\beta}) &=0 \end{align}$$ Es bien sabido que la segunda ecuación se verifica automáticamente si $F$se define en términos del potencial $A$ $$F_{\mu\nu}=\partial_\mu A_\nu-\partial_\nu A_\mu$$ Las ecuaciones de Maxwell se pueden obtener del Lagrangiano $$\mathcal{L}=-\frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}$$ cuando se utilizan las de Euler-Lagrange variando el potencial .

Este Lagrangiano clásico es la base para la formulación de la teoría cuántica de campos. Dado que las ecuaciones de Maxwell definen una teoría de campo clásica, es natural buscar una descripción QFT, y no solo una descripción QM. Sin entrar en una discusión sobre el significado de la cuantización (que sería demasiado matemático-filosófico y no aclararía su pregunta), supongamos que la formulación de un QFT se puede hacer, de manera equivalente, a través de la integral de trayectoria y la cuantización canónica. Sólo hablaré de esto último.

En la cuantización canónica, el potencial$A_\mu$y su momento conjugado$\Pi^\mu=\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial(\partial_0 A_\mu)}$convertirse en operadores con valores de campo que actúan sobre algún espacio de Hilbert. Estos operadores están obligados a satisfacer la relación de conmutación

$$[A_\mu(t,x), \Pi_\nu(t, x')]=i \eta_{\mu\nu}\delta(x-x')$$

Debido a esta relación, las dos polarizaciones físicas para$A$se puede expandir en modos normales que deben interpretarse como operadores de aniquilación y creación,$a$y$a^\dagger$. Si el estado de vacío (es decir, el estado de mínima energía de la teoría) es$|0\rangle$, entonces los estados$a^\dagger|0\rangle$se denominan estados de 1 fotón. Por tanto, el fotón es la mínima excitación del potencial electromagnético cuántico .

Todo lo anterior considera solo campos electromagnéticos libres. Eso significa que los fotones se propagan para siempre, no pueden ser emitidos ni absorbidos. Esto está claramente en conflicto con la vida real (y es demasiado aburrido).

Volviendo al electromagnetismo clásico, el Lagrangiano para el campo EM con 4 corrientes$J$que actúa como fuente es

$$\mathcal{L}=-\frac{1}{4}F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}-A_\mu J^\mu$$ El ejemplo más común es la corriente creada por un fermión cargado (por ejemplo, un electrón o un muón) $$J_\mu = ie\bar{\psi}\partial_\mu\psi$$

Pero este tipo de lagrangianos presenta un gran inconveniente: no sabemos cuantizarlos de forma exacta . ^* Las cosas se complican con las interacciones. Sólo podemos hablar, con cierto rigor, de estados asintóticos: estados mucho antes o mucho después de cualquier interacción se asemejan a los de los campos libres. Por tanto, el fotón real es la excitación del potencial electromagnético cuántico que en el límite$t\to \pm\infty$tiende al fotón libre como se definió anteriormente.

Así que sí, en cierto sentido, tienes razón en que no sabemos qué es un fotón. Pero este obstáculo [formal] no nos impide hacer predicciones, como el caso de la producción de pares que les preocupa. El punto clave es que no sabemos lo que sucede durante la interacción, no podemos saberlo y no necesitamos saberlo . Solo necesitamos comparar los estados asintóticos antes y después de la interacción. Para hacer eso, necesitamos realizar alguna aproximación, generalmente una expansión perturbativa (que da como resultado diagramas de Feynman, las mal llamadas "partículas virtuales" y todo eso). La comparación entre los estados de entrada y salida, codificada en el$S$matriz${}^\dagger$, es suficiente para predecir tasas de descomposición, secciones transversales y relaciones de ramificación para cualquier proceso que pueda imaginar. Y esos observables son los únicos que podemos medir. En conclusión, las cosas que no puedes definir con precisión son las cosas que no puedes verificar experimentalmente.

Esta respuesta es solo un boceto, una respuesta completa requeriría que escriba un libro sobre el tema. Si quieres saber más, te animo a leer cualquier libro sobre QFT, como Peskin & Schroeder, Weinberg, Srednicki, etc.

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^* En una teoría interactiva, las ecuaciones clásicas de movimiento no son lineales y no se pueden resolver usando una expansión de Fourier que produce operadores de creación y aniquilación. En la formulación de la integral de trayectoria, solo sabemos cómo resolver integrales gaussianas (es decir, campos libres). Para resolver las integrales de trayectoria para campos que interactúan, todavía necesitamos métodos aproximados como expansiones perturbativas o QFT de celosía. Según Peskin y Schroeder:

No se conocen teorías de campos interactivos exactamente resolubles en más de dos dimensiones del espacio-tiempo, e incluso allí los modelos resolubles implican simetrías especiales y una complicación técnica considerable.

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${}^\dagger$Para más detalles sobre esto, te remito a esta excelente respuesta de ACuriousMind a otra pregunta tuya.

Respuesta ontológica

No hay una respuesta corta.

El fotón es exactamente lo que obtienes cuando estudias todo nuestro conocimiento sobre él en forma de teorías matemáticas, la mayoría de las cuales tienen la gran Q en sus nombres. Y luego, probablemente, algunos más que aún no hemos encontrado. No hay atajos.

Justificación, referencia

Esta es, a todos los efectos, una respuesta de escape. Una pregunta que pregunte "¿cómo se comporta un fotón?", "¿qué sabemos sobre las interacciones de un fotón con XXX?", etc. sería fácil (más o menos) de responder. Pero sugiero que la pregunta "¿qué es un fotón?" (en el sentido de "¿qué es realmente , dejando de lado todas las matemáticas?") no puede tener ninguna respuesta significativa, al igual que la pregunta "¿qué es un XXX?" (donde XXX es cualquier partícula o campo del Modelo Estándar) no tiene significado.

En lugar de escribir mucho, sugiero la entrevista de Feynman, Richard P Feynman - FUN TO IMAGINE (full) ; la parte relevante para esta respuesta (" verdadero significado de las cosas") va desde 01:03:00 hasta el final (resumen: incluso si tenemos las teorías correctas sobre las partículas y, por lo tanto, podemos explicar sus efectos, todavía no tenemos forma para explicarlos en términos cotidianos/prácticos sin las matemáticas, y nunca habrá una, ya que no hay leyes "mundanas" subyacentes). También en parte, con respecto a las respuestas cortas y fáciles, una parte que comienza en 17:20 (resumen: es difícil describir algo completamente en una "resolución" particular, va cada vez más profundo; como dije, solo parcialmente relacionado, pero bastante perspicaz todavía).

EDITAR: se agregaron resúmenes.

Se necesitan muchas páginas para responder realmente a la pregunta de qué es un fotón, y diferentes expertos dan respuestas diferentes. Esto se puede ver en una interesante colección de artículos que explican diferentes puntos de vista actuales:

La naturaleza de la luz: ¿Qué es un fotón? Noticias de óptica y fotónica, octubre de 2003

Mis preguntas frecuentes sobre física teórica contienen una entrada con el título "¿Qué es un fotón?". Aquí hay un breve extracto; pero para responder a la pregunta con cierta profundidad, es necesario leer la entrada de Preguntas frecuentes. Desde el principio:

De acuerdo con la electrodinámica cuántica, la teoría verificada con mayor precisión en la física, un fotón es una excitación de una sola partícula del campo electromagnético cuántico libre. Más formalmente, es un estado del campo electromagnético libre que es un estado propio del operador de número de fotones con valor propio 1.

Los estados puros del campo electromagnético cuántico libre son elementos de un espacio de Fock construido a partir de estados de 1 fotón. Un vector de estado general de n fotones es una combinación lineal arbitraria de productos tensoriales de n vectores de estado de 1 fotón; y un estado puro general del campo electromagnético cuántico libre es una suma de vectores de estado de n fotones, uno para cada n. Si solo contribuye el término de fotón 0, tenemos el estado oscuro, generalmente llamado vacío; si solo contribuye el término de 1 fotón, tenemos un solo fotón.

Un solo fotón tiene los mismos grados de libertad que un campo de radiación de vacío clásico. Su forma se caracteriza por un 4-potencial A(x) real arbitrario distinto de cero que satisface las ecuaciones libres de Maxwell, que en el calibre de Lorentz toma la forma$\nabla \cdot A(x) = 0$, expresando la masa cero y la transversalidad de los fotones. Por lo tanto, para cada tal A hay un estado de fotón puro correspondiente |A>. Aquí A(x) no es un operador de campo sino una amplitud de fotones; los fotones cuya amplitud difiere en un factor de fase independiente de x son los mismos.

Y casi al final:

La conversación sobre fotones generalmente se hace de manera inconsistente; casi todo lo que se dice en la literatura sobre los fotones debe tomarse con pinzas. Incluso hay gente como el ganador del premio Nobel Willis E. Lamb (el descubridor del cambio de Lamb) que sostiene que los fotones no existen. Ver hacia el final de
http://web.archive.org/web/20040203032630/www.aro.army.mil/phys/proceed.htm La referencia mencionada allí al final apareció como WE Lamb, Jr., Anti-Photon , Física Aplicada B 60 (1995), 77-84. Esto, junto con la otra referencia mencionada por Lamb, está reimpreso en WE Lamb, Jr., The interpretation of quantum mechanics, Rinton Press, Princeton 2001.

Creo que la interpretación más adecuada de un fotón 'observado' como se usa en la práctica (en contraste con el fotón definido formalmente como se mencionó anteriormente) es como un estado coherente de baja intensidad, cortado arbitrariamente en segmentos de tiempo que transportan una energía de$h\nu = \hbar\omega$, la energía de un fotón en frecuencia nu y frecuencia angular omega. Dicho estado consiste principalmente en el vacío (que no es directamente observable, por lo que generalmente se puede despreciar), y las contribuciones de los estados multifotónicos son insignificantes en comparación con la contribución de un solo fotón. Con tal noción de fotón, la mayoría de los experimentos reales realizados tienen sentido, aunque no explica la aleatoriedad cuántica del proceso de detección (que proviene de los electrones cuantificados en el detector).

Vea también las diapositivas de mis conferencias aquí y aquí .

Para mí, las otras partículas elementales son igualmente misteriosas. Esto se debe a su naturaleza no intuitiva.

ontología ingenua del mundo

Los humanos crecemos en un mundo con objetos . Estos objetos tienen masa y volumen, tienen límites discretos. Nuestros cerebros suelen considerar los objetos como cosas separadas , y cada cosa puede, por ejemplo, ser captada e inspeccionada de otro modo por los sentidos. En consecuencia, las cosas se denotan con nombres ordinarios.

Luego están los fluidos, que son casi como cosas pero no del todo. Tienen masa y volumen, y se puede interactuar con ellos a través de los sentidos (aunque darse cuenta de que el aire no es vacío al notar la resistencia del aire es un salto de comprensión no trivial), pero no están separados. Se fusionan entre sí y se pueden dividir arbitrariamente, a diferencia de las cosas , por lo que nunca se puede saber exactamente qué es un fluido. En consecuencia, los conocemos por sustantivos incontables, y entendemos que en última instancia tiene sentido pensar en partes de un único fluido universal . El fluido universal se convierte en la única cosa , ya que otras subdivisiones son discutibles, excepto en el caso especial de gotas o cantidades secuestradas en recipientes, donde ella cosidad se está imponiendo artificialmente (es decir, puede fingir que el café y la leche son cosas separadas siempre que estén en sus tazas separadas, pero en el momento en que permite que entren en contacto, esta simulación se desmorona).

Todo lo demás lo consideramos fenómeno . Por ejemplo, el fuego es algo que sucede: no es algo que puedas recoger y manipular (solo puedes recoger el combustible, y el fuego se adhiere extrañamente a él), ni es algo que puedas atrapar en contenedores y subdividir. o combinar (aunque el combustible puede ser una cosa o un fluido, y puede operarse, con el fuego a veces acompañando el viaje). Lo mismo ocurre con el sonido, la luz, la temperatura y conceptos similares.

Por supuesto, ahora sabemos que el fuego es solo plasma, es decir. un fluido que se "descompone" en otra cosa muy rápidamente y que, de hecho, es posible atraparlo con el recipiente exótico adecuado. Por lo tanto, la imaginación puede verse obligada a aceptar el fuego como un fluido , aunque en la vida cotidiana todavía aparece como un fenómeno , por lo que no es una cosa verdaderamente intuitiva.

La teoría del átomo

Cuando surgió la teoría del átomo, estoy seguro de que los griegos en algún momento esperaban que los "átomos" tuvieran cierta masa, forma y tamaño, es decir. ser cosas . Por lo tanto, se emplea un ingenioso truco conceptual: para el ojo descuidado, la arena parece un fluido , ya que cantidades de ella parecen fusionarse y dividirse libremente (tenga en cuenta que la arena es incontable). Pero en una inspección más cercana, la arena es solo un montón de pequeños objetos, que en sí mismos son claramente cosas .

Entonces me di cuenta de que el mundo tendría sentido si todo fuera una especie de arena formada por muchas partículas diminutas, que son en sí mismas cosas. Esto es bueno porque une fluidos y cosas: el fluido es solo una clase aparente, y en el fondo son todas las cosas, lo cual es bueno. Las cosas son muy intuitivas para nosotros los humanos, y puede ser más fácil razonar sobre un montón de millones de cosas diminutas que sobre un solo líquido debido a lo extraños que son los fluidos. Afortunadamente, resultó que tanto los fluidos como las cosas estaban compuestos de partículas, y estas partículas parecen cosas de buena fe .

Aquí comienzan las advertencias. Las moléculas no son del todo sólidos newtonianos. Se comportan casi como ellos: por ejemplo, pueden tener masa y volumen. Casi todos se pueden romper, pero si consideras la regla muy rígida de romper una molécula versus romper una roca, ya comienza a parecer divertido. Tienen un límite y chocan entre sí... Pero ten cuidado de no golpearlos demasiado fuerte, o se fusionan extrañamente (a diferencia de las rocas). Pero la peor parte es el límite, que es solo un límite falso: el radio de Van der Waals no es un delimitador binario "puede/no puede pasar", sino que es una consecuencia de una ecuación de fuerza continua. En realidad, no es mucho más difícil estar ligeramente dentro de la molécula que estar ligeramente fuera . Comparar estar ligeramente adentrode una roca - imposible.

Aparte, creo que es interesante que los griegos propusieron una teoría del átomo en lugar de una teoría del fluido, donde todos los objetos sólidos son de hecho fluidos en algún estado temporal de rigidez. Las diversas teorías de los elementos vienen a la mente, pero no hacen las observaciones físicas correctas: uno podría observar que piezas discretas de hierro se pueden derretir y combinar sin problemas, y luego concluir que seguramente debe ser posible derretir cualquier cosa , por lo tanto sólo hay cosas aparentes, y todo es esencialmente un fluido. Tal vez sea porque esta teoría de los fluidos hace que el mundo sea más confuso, no menos.

Partículas subatómicas

Moléculas, como se vio después, eran simplemente pequeñas agregaciones de cosas. ¿Seguramente cuando se rompe una cosa, el resultado debe ser cosas más pequeñas ? Pronto nos enteramos de los átomos y luego de las partes del átomo. Aquí es donde nos detenemos, ya que, que yo sepa, ninguna de las partículas elementales se sabe que sea divisible en otros constituyentes. Los fotones son una de esas partículas elementales.

La apariencia de una cosa puede mantenerse para los átomos y las moléculas a través de dispositivos como el volumen de Van der Waals. Para las partículas elementales, esta pretensión es inútil. Como se ha demostrado una y otra vez, las partículas elementales no solo no tienen volumen, sino que descaradamente no tienen volumen: si lo tuvieran, la física claramente no funciona, y obtienes cosas como "superficies" de electrones girando Más rápido que la velocidad de la luz. Entonces se hizo la observación de que el mundo tendría sentido si solo estas partículas fueran puntos.

Por supuesto, nadie sabe realmente qué es una masa puntual. Nadie ha visto nunca algo así (bueno, excepto lo que deseamos bautizar como masa puntual en primer lugar). Sus implicaciones parecen extrañas: por ejemplo, su densidad es infinita y, en teoría, todo el universo podría comprimirse en un solo punto. Si las partículas hubieran sido cosas , tales locuras estarían cómodamente excluidas: las rocas no se pueden apretar arbitrariamente, ni siquiera con una fuerza infinita.

No ser comprimible, por cierto, es otra propiedad de las cosas . Incluso las cosas blandas como las esponjas resultan tener bolsas de aire en ellas. Una vez que se exprimen todos los agujeros, una cosa no se puede comprimir más: los líquidos respetan cortésmente este principio de labios para afuera, aunque se puede decir (por ejemplo, por el experimento del agua en una jeringa) que sus corazones realmente no están en él, y a los gases simplemente no podría importarles menos, otra forma en la que los fluidos son extraños y diferentes a las cosas . O al menos, para un observador ingenuo sin acceso a las energías extremas que requieren nuestros experimentos físicos modernos.

El nivel subatómico es donde la intuición se rompe por completo. Puedes crear analogías , como cuerdas y ollas de agua, pero nunca puedes imaginar realmente cómo es una partícula en términos de objetos de la vida cotidiana. El Universo nos ha jugado un truco muy cruel, en el sentido de que es de una manera , pero es tal que en el nivel macro en el que necesariamente comenzamos a entenderlo, es completamente de otra manera , sin apariencia de uno . manera de ser visto. Entonces estamos condenados a crecer esperando y acostumbrándonos de otra manera ., solo para tomar Física 201 en la universidad y descubrir que todo lo que sabemos es una ilusión y ninguna intuición es posible para la verdadera naturaleza del mundo. La intuición, en efecto, es una comprensión basada en la experiencia: ¿Quién puede experimentar lo subatómico? En el mejor de los casos podemos experimentar aparatos experimentales .

El enfoque de arriba hacia abajo para comprender el Universo falla, y falla precisamente en el nivel subatómico.

La versión de abajo hacia arriba

Uno puede debatir el verdadero significado de la intuición, pero creo que se puede restaurar algo de cordura al comenzar de nuevo y arreglar todo. Podemos olvidarnos de todo el bagaje ingenuo sobre las cosas y los fluidos , hacer borrón y cuenta nueva y empezar con la verdad fundamental de que en el mundo hay partículas . Las partículas tienen impulso, son puntos, interactúan entre sí y con el vacío de ciertas formas descritas por la mecánica cuántica. Son elementales y no están hechos de unidades más pequeñas. Los fotones, entonces, son una de esas partículas, con propiedades específicas descritas en otra parte (no las repetiré, ya que usted dijo explícitamente en su pregunta que estas descripciones no son lo que desea).

Cuando realmente un gran número de partículas actúan juntas, a nivel macro se producen algunos fenómenos extraños, como "volúmenes" y "transiciones de estado". Realmente no puedes intuir estas rarezas a partir de nuestro conocimiento de las partículas . Pero lógicamente , es decir. si sigue las matemáticas, sabrá que es una consecuencia simple y directa, aunque no intuitiva.

Desafortunadamente, esta intuición de abajo hacia arriba no es muy útil. Toda nuestra vida cotidiana se refiere a macrofenómenos. Muchas de las cosas interesantes en el universo (básicamente, todas las disciplinas además de la física subatómica) son de escala macro. Uno espera que después de aprender física, el mundo se vuelva más fácil de entender, pero aprender la intuición de abajo hacia arriba solo hace que todo sea más difícil. Sospecho que incluso la física subatómica no se hace mucho más fácil, ya que todo el trabajo real se hace con las matemáticas, no con la intuición.

Entonces, en conclusión, la pregunta no puede ser respondida satisfactoriamente. Hay dos formas de entender una pregunta como "qué es una X":

• "Dime las propiedades más destacadas de X": para el fotón, no faltan varios textos, e incluso en este sitio hay respuestas perfectamente útiles que te han faltado.
• "Ayúdame a comprender intuitivamente X": Como dije, ninguna intuición es posible sin derribar toda la intuición que has construido a lo largo de tu vida. Si lo derriba, la intuición que se puede obtener no es satisfactoria y solo sirve para causarle dolor de cabeza.

Pero dicho esto, un fotón es una partícula elemental. Se comporta como si fuera un punto. Tiene impulso y se mueve a la velocidad de la luz (lo que implica que no puede detenerse). Tiene una onda electromagnética asociada. La energía transportada por esta onda está cuantificada. El fotón puede interactuar con otras moléculas, por ejemplo, al ser absorbido y emitido; con suficiente energía puedes crearlos "desde cero", y parecen llevar siempre paquetes de energía con ellos.

Uno puede preguntarse si todas las partículas son meramente alguna forma o disposición de fragmentos discretos de energía, que cuando se agregan de cierta manera, conducen a la apariencia de masas puntuales (¿o debería decir "masas"?) y partículas, y si las unidades individuales de energía de Planck son realmente la base de todo lo demás en el universo, y quizás el fotón está muy cerca de cómo se ven estas "energías" "por sí mismas". Tal vez esto se acerque más a lo que estabas preguntando, pero en este punto estoy firmemente en territorio ombligo, así que me detendré aquí.

¿Quién puede decirme qué es un fotón real? ¿O referirme a algún tipo de definición informativa autorizada que sea aceptada y confiable por los físicos de partículas? Digo todo esto porque creo que es de suma importancia. Si no tenemos una idea clara de qué es realmente un fotón, carecemos de fundamento...

¿Cómo podemos entender la producción de pares si no entendemos qué es el fotón? ¿O el electrón? ¿O el campo electromagnético? ¿O todo lo demás? Todo comienza con el fotón.

Creo que esto es realmente un problema filosófico, no un problema de física. Ninguna respuesta te satisfará, porque estás haciendo una pregunta que es imposible responder con carácter definitivo: ¿Cuál es la esencia de una cosa?

Exactamente el mismo problema existe con cada concepto del pensamiento humano, no solo en la ciencia (¿Qué es la energía? ¿Qué es el tiempo? ¿Qué es el color? ¿Qué es la conciencia?...) sino también en las humanidades (¿Qué es el amor? ¿Qué es la belleza? ? ¿Qué es la felicidad?...). En cada caso, cuanto más tratamos de definir algo, más elusivo se vuelve, menos entendemos realmente cuál es su esencia. Y cuando creemos que lo comprendemos, surge una nueva propiedad que vuelve a desordenar nuestra comprensión.

Estoy de acuerdo con AnoE (quizás porque soy discípulo de Richard Feynman) en que las cosas solo pueden entenderse como la suma de sus propiedades, sus interrelaciones con otras cosas .

En la vida no es necesario saber qué es el amor para experimentarlo, ni saber qué es la justicia para actuar con justicia o reconocer la injusticia. La única definición que podemos dar es resumir nuestra experiencia de una cosa en uno o más "modelos" idealizados que aíslan las características que consideramos "esenciales".

De la misma manera, no es necesario tener una definición definitiva de un fotón como base sólida antes de que podamos estudiar la luz o desarrollar teorías poderosas como QED. Una definición o modelo de trabajo es adecuado, uno que nos permita identificar y estar de acuerdo sobre la experiencia común y las propiedades que estamos investigando.

La historia de la ciencia muestra que los conceptos que usamos se refinan gradualmente durante décadas o siglos, en particular la pregunta "¿Qué es la luz?" Esta falta de definición definitiva no nos ha impedido desarrollar teorías elaboradas como QED y la Relatividad General que nos permiten predecir con una precisión asombrosa y ampliar nuestra comprensión de cómo funciona el universo.

"Fotón", "electrón" y "campo magnético" son solo nuestros modelos de las cosas que encontramos en el universo, para ayudarnos a predecir y encontrar relaciones entre las cosas. Como dice Elias, estos modelos son, necesariamente, conceptos aproximados . No son lo que realmente existe. Es inevitable que cambien a medida que refinamos nuestras aproximaciones para tratar de encajar nuevas propiedades, nuevas observaciones, en el marco de nuestra comprensión, nuestras teorías.

Estoy molesto por las definiciones de fotón como se describe en la pregunta. No es que se equivoquen, sino que me engañaron casi como si me impidieran entender qué es un fotón. A continuación se muestra lo que pienso ahora. Eso, por supuesto, no es física nueva, y cada interpretación es subjetiva. Examinaré esto introduciendo algunas antítesis.

1. Los fotones no son discretos

Términos como 'partícula', 'cuanto de luz' o 'unidad de intercambio de energía' hacen creer que los fotones son algo discreto y repentino. La segunda cuantización complementa esta idea. Por ejemplo, en la segunda cuantización, el hamiltoniano de un solo estado (por ejemplo, una onda estacionaria particular en una cavidad) se puede escribir como

$$H = \hbar \omega (a^\dagger a + 1/2)$$

Este es también el hamiltoniano de un oscilador armónico. En consecuencia, podemos escribir fácilmente la 'función de onda' de este estado como$\Psi(q)$y hamiltoniano con energía cinética clásica como$p^2$y energía potencial como$q^2$términos. Podemos escribir esta función de onda como una combinación lineal,

$$\Psi(q,t) = \sum_n c_n(t) \psi_n(q),$$

y nos damos cuenta de que la dinámica de los fotones no es tan diferente de la dinámica de los electrones. En medio de la dinámica cuántica (es decir, entre mediciones), puede haber cualquier tipo de paquete de ondas descrito por$\Psi(q,t)$o los coeficientes de combinación lineal$c_n(t)$. Por lo tanto, el número de fotones no es discreto y no se intercambian instantáneamente en cantidades discretas.

En cambio, todo lo que es, es el campo, y está sujeto a la evolución de onda cuántica típica. Este campo se acopla a la materia.

2. La cuantificación no es única

Discutamos los dos modos transversales de un fotón que se propaga (en realidad hay dos más, longitudinal y similar a la energía, pero eso está fuera del alcance). A menudo se dice que un fotón tiene un momento angular de$\pm \hbar$, que corresponde a partículas de luz polarizadas circularmente. Esto conduce a una representación similar a un espinor para un fotón.

$$\left[ \begin{array}{c} \Psi_L(q) \\ \Psi_R(q) \end{array} \right]$$

Sin embargo, en algunas aplicaciones, es mejor analizar solo fotones polarizados linealmente ($\Psi_{x,y}(q) = \frac{1}{2} (\Psi_L(q) \pm i \Psi_R(q))$). Ahora, es fácil ver que, al igual que el espín de los electrones, uno ha elegido solo un marco de referencia preferido y no hay nada extremadamente especial en la elección de estas coordenadas discretas. (Por supuesto, hay algo especial en la elección de coordenadas: la intuición física para describir bien un problema). Pero, de hecho, creo que incluso la transversalidad de una polarización es una elección de referencia.

3. El colapso de la función de onda crea la aparente discreción.

Digamos que una molécula de colorante se excita en nuestro ojo-receptor, y posteriormente cambia su forma, y ​​se transmite un impulso nervioso. Este proceso se asemeja a una medida cuántica, ya que involucra tantos grados de libertad descontrolados en altas temperaturas, y ocurre un fenómeno llamado decoherencia. Por lo tanto, si la función de onda de fotones fue previamente$(\frac{1}{\sqrt{2}}|1> + e^{i\theta} \frac{1}{\sqrt{2}}|0>$, la función de onda efectiva (integrando los grados de libertad macroscópicos) está en un estado discreto con probabilidades dadas por sus amplitudes. Es por eso que los fotones se pueden ver y escuchar como clics. Como un grano de sal, es el colapso de la función de onda lo que produce el sonido :)

4. Los fotones de campo lejano y de campo cercano son diferentes

A menudo se dice que un fotón tiene una energía y un momento definidos que deben conservarse (es decir, sigue la relación de dispersión$E=\hbar k$y un fotón que llega al detector siempre tiene esto (E,k). Pero, por ejemplo, hay cristales fotónicos, donde las energías de los fotones tienen bandas prohibidas y los fotones parecen tener masas (relaciones de dispersión no lineales). Una vez más, se pueden cuantificar las ecuaciones de Maxwell en un cristal fotónico mediante alguna elección de estados y asignar partículas a estos estados. Aquí también se puede hablar de fotones, e incluso decir que tienen masa ya que sus ecuaciones de movimiento se comportan como si tuvieran masa.

Sin embargo, dado que la medición generalmente se realiza en campo lejano, donde los fotones son asintóticamente libres, se miden fotones como$E=\hbar k$.

5. Los modos no son únicos

Ahora imagina más modos que solo uno antes. La función de onda es ahora$\Psi(q_1,q_2 \ldots q_N)$. Ahora imagine crear una combinación lineal de estos modos$q'_i = \sum_j A_{ij} q_j$para localizarlos tanto como sea posible. De hecho, vamos a localizar en la medida en que un modo$q'$corresponderá a una ubicación particular en el espacio. Ahora tienes una 'unción de onda' de un fotón, lo que da una amplitud de probabilidad del campo de fotones en diferentes posiciones del espacio.

$$\Psi(r_1, r_2, \ldots r_N)$$

Limitándonos a N coordenadas que describen un fotón aproximadamente alrededor de posiciones ($r_1 \ldots r_N$), hemos impuesto efectivamente un corte de energía a nuestras ecuaciones y todo está bien.

Ahora imagine extender este proceso a un límite continuo (lejos de ser trivial) y encender la interacción luz-materia, y nos hemos encontrado con el problema de la renormalización y todas las cosas realmente duras y duras.

Dado todo eso, uno quiere por razones prácticas y por el bien de las intuiciones físicas volver a la segunda cuantización y hablar sobre un fotón en el modo 15. En otras palabras, la segunda cuantización y la conversación sobre partículas como excitaciones de osciladores armónicos es simplemente instrumentos creados por y para la intuición física. Pero si uno quiere entender qué es un fotón, necesita ir debajo del capó.

Voy a comenzar mi respuesta refiriéndome a otra diferente: ¿Qué es más fundamental, campos o partículas ?

El fotón es realmente solo un caso especial de lo que se describe en esta respuesta. Citando a Daniel Sank:

Considere una cuerda de violín que tiene un conjunto de modos de vibración. Si desea especificar el estado de la cuerda, enumera los modos y especifica la amplitud de cada uno, por ejemplo, con una serie de Fourier

$$\text{string displacement}(x) = \sum_{\text{mode }n=0}^{\infty}c_n \,\,\text{[shape of mode }n](x).$$

Los modos de vibración son como los estados propios cuánticos, y las amplitudes$c_n$son como el número de partículas en cada estado. Con esa analogía, la primera notación de cuantización, en la que indexas las partículas y especificas el estado de cada una, es como indexar las unidades de amplitud y especificar el modo de cada una. Eso es obviamente al revés. En particular, ahora ve por qué las partículas son indistinguibles. Si una partícula es solo una unidad de excitación de un estado cuántico, al igual que las unidades de amplitud de una cuerda vibrante, no tiene ningún sentido decir que la partícula tiene identidad. Todas las unidades de excitación son iguales porque son solo construcciones matemáticas para realizar un seguimiento de cuán excitado está un modo en particular.

Una mejor manera de especificar un estado cuántico es hacer una lista de cada estado posible y decir qué tan excitado está.

Un fotón es exactamente eso: una unidad de excitación ⁽¹⁾ de un modo del campo electromagnético.

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El principal problema con el fotón es que la gente trata de trivializarlo demasiado. Esto tiene raíces en la historia. En los primeros días de la mecánica cuántica, se invocaba a las partículas y, en particular, a los fotones para explicar las "características de las partículas de la luz". En la visión moderna de la teoría cuántica de campos, esta imagen se reemplaza por lo que DanielSank describe en la pregunta vinculada.

Como tal, un fotón es complicado . No es a priori un paquete de ondas o una pequeña partícula puntual. La teoría del campo unifica ambas imágenes. Los campos de ondas de fotones reales son superposiciones de estas excitaciones fundamentales y pueden mostrar tanto el comportamiento del campo como el de las partículas. La respuesta a la siguiente pregunta del OP...

¿Cómo podemos entender la producción de pares si no entendemos qué es el fotón? ¿O el electrón? ¿O el campo electromagnético? ¿O todo lo demás?

... yace allí. Si quieres saber qué sucede con los objetos físicos reales, te estás alejando de los fotones. Los estados de un solo fotón en la naturaleza son raros, si no inexistentes.

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Entonces, ¿qué es un fotón fundamentalmente ?

Citando de la pregunta:

[...] "el fotón es una excitación del campo de fotones". Eso no me dice nada.

Dice mucho, el formalismo matemático es muy claro y muchas personas han tratado de explicarlo en las respuestas aquí y en otros lugares.

[...] porque da la impresión de que los fotones siempre surgen y vuelan de un lado a otro ejerciendo fuerza. Este concepto también está en el artículo de Wikipedia sobre fotones. no es verdad Como dijo anna, las partículas virtuales solo existen en las matemáticas del modelo. Entonces, ¿quién puede decirme qué es un fotón real? [...]

El problema aquí es realmente la relación entre el formalismo matemático y la "realidad". Un fotón "real" no es una cosa, el fotón es una construcción matemática (que se describió anteriormente) y lo usamos (con éxito) para describir los resultados experimentales.

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^{(1) cortesía de DanielSank.}

Cuando Max Planck estaba trabajando para comprender el problema de la radiación del cuerpo negro, solo tuvo éxito cuando supuso que la energía electromagnética solo podía emitirse en forma cuantificada. En otras palabras, asumió que había una unidad mínima de luz que podía emitirse. Al asumir esto, por supuesto encontró$E = h v$dónde$h$es la constante de Planck.

En 1905, Einstein tomó esto en serio y asumió que la luz existe como estas unidades fundamentales (fotones) con su energía dada por$hv$dónde$v$es la frecuencia de la radiación. Este fotón explicó muchos resultados experimentales y dio a la luz su dualidad onda-partícula.

Muchas cosas tienen un "trozo" mínimo: la longitud de Planck, por debajo de la cual la distancia pierde sentido, el quark, el gluón y otras unidades fundamentales de la materia, el tiempo de Planck (se supone que es la medida mínima del tiempo, es el tiempo necesario para que la luz para viajar en el vacío la distancia de una longitud de Planck).

Entonces, ¿qué es un fotón?

Es la "unidad" mínima de luz, la pieza fundamental. Diría que el átomo de luz, pero eso no transmite la imagen correcta. (¿El "quark" de la luz?)

También es importante recordar que no podemos "ver" un fotón, al igual que (bueno, incluso más) que no podemos "ver" un quark. Lo que sabemos sobre ellos es a partir de experimentos y cálculos, y como tal, no hay realmente una imagen física de ellos, como ocurre con la mayor parte de la mecánica cuántica.

Con cualquier concepto en física existe una dicotomía entre modelo y sistema físico. En la práctica nos olvidamos de esta dicotomía y actuamos como si modelo y sistema físico fueran lo mismo. Muchas respuestas a la pregunta "¿qué es un fotón?" reflejará esta identificación de modelo y sistema físico, es decir, un fotón es una partícula puntual ideal; un fotón es un cuanto de campo; un fotón esuna línea en un diagrama de Feynamn, etc. Estas definiciones de un fotón están profundamente arraigadas en los modelos. Nuestra predilección por identificar el modelo y el sistema físico se basa en la falsa suposición de que la intuición y las imágenes que desarrollamos para comprender el modelo se aplican igualmente al sistema físico. Nos convencemos de que la pequeña mota blanca que zumba a través del espacio tridimensional a la velocidad de la luz en nuestra cabeza es un fotón, cuando en realidad son imágenes asociadas con un modelo.

A la luz de esto, hay dos formas esenciales de responder a la pregunta "¿qué es un fotón?" La primera forma es referirse a un modelo y decir "el fotón es el concepto X en el modelo Y". Muchos usuarios han tomado esta ruta. La segunda forma es referirse a un experimento y decir "el fotón es lo que es responsable de este valor de datos". Tiendo a preferir esta ruta cuando respondo a la pregunta "¿qué es un ___?" porque evita la suposición de que el modelo y el sistema físico son idénticos. Aplicado al fotón diría "un fotón es un paquete de radiación electromagnética que satisface$E=h\nu$y es el paquete más pequeño de radiación electromagnética".

Si no está satisfecho con ambos tipos de definición, no tiene suerte. Nuestros modelos siempre permanecerán en nuestras cabezas y el mundo físico que describen con tanta precisión siempre permanecerá fuera de nuestro alcance.

Mi entrada:

Para un campo electromagnético libre o de interacción débil, que tiene radiación en alguna región a una frecuencia y energía definidas, hay una cantidad mínima de energía distinta de cero que se puede agregar o quitar del campo. Esa cantidad es un "fotón".

Ahora la letra pequeña:

• Por supuesto, muchas otras respuestas aquí son más precisas, y creo que algunas también son perspicaces, pero tomé la pregunta como "explícalo como si fuera un niño, pero con la verdad", y traté de acercarme lo más posible. posible a esto.

• Como otros han señalado, el fotón no siempre se usa de manera consistente, pero para prácticamente todos los usos que se me ocurren, la afirmación anterior es cierta (si cree que tiene un contraejemplo, indíquemelo). Digo "virtualmente" porque la única excepción que se me ocurre es el llamado "fotón virtual". Sin embargo, creo que esta terminología es ampliamente utilizada por los no expertos de todos modos y debe evitarse, o al menos debe discutirse por separado.

• El acoplamiento "fuerte" versus "débil" tiene una definición estándar precisa entre los físicos, pero en realidad la transición entre fotones libres más excitaciones de materia a excitaciones fuertemente acopladas como polaritones ocurre sin problemas, y en ningún momento hay un cambio cualitativo brusco.

• Experimentalmente, el requisito de "una frecuencia definida" a menudo se relajará ligeramente a "una frecuencia bien definida", porque cualquier fuente real de luz siempre tiene una amplitud espectral finita. Esta es una de las cuestiones que a veces provoca una ligera diferencia entre las nociones experimentalistas y teóricas de "fotón".

• Esta definición, expresada en términos de la energía de una parte particular de un campo, es difícil al principio cuadrar con la imagen de "partícula similar a una bola de billar" que podría tener de los fotones como objetos discretos que vuelan y rebotan en las cosas. . Esto se debe simplemente a que esa imagen es, en muchos casos, gravemente defectuosa. En algunas situaciones muy específicas (tal vez la dispersión de Compton), es posible que pueda salirse con la suya. Sin embargo, a menudo es tan engañoso que probablemente sería mejor descartarlo por completo hasta que comprenda las condiciones bajo las cuales es válido aproximadamente, lo cual es un tema sutil que merece una discusión completamente separada. La mayoría de las veces, los fotones no son en absoluto como pequeñas "bolas de luz de billar".

Estoy totalmente de acuerdo con la respuesta de flippiefanus . En primer lugar, un fotón es un concepto útil introducido para describir fenómenos para los que no tenemos un enfoque intuitivo y, aparte de eso, no sabemos realmente qué es un fotón. Aunque es cierto, esto no es particularmente satisfactorio. Lo que quiero agregar a su respuesta es por qué se introdujo el concepto de fotón.

Durante mucho tiempo se discutió si la luz es una partícula o una onda. Newton apoyó y desarrolló gran parte de la "teoría corpuscular de la luz" . Su argumento más fuerte fue que la luz viaja en línea recta, mientras que las ondas tienden a dispersarse espacialmente. Huygens, por otro lado, argumentó que la luz es una onda. La teoría ondulatoria de la luz podría explicar fenómenos como la difracción, que la teoría corpuscular no pudo explicar. Cuando Young realizó su famoso experimento de la doble rendija , que mostró patrones de interferencia como los que se conocen de las ondas de sonido o de las ondas de agua, la cuestión pareció resolverse de una vez por todas.

[Una nota al margen interesante: las ondas necesitan un medio para propagarse, pero la luz también se propaga a través del vacío. Esto condujo a la postulación del llamado éter , un medio que se suponía que impregnaba todo el espacio. Las propiedades de este éter, sin embargo, eran contradictorias y no se encontró evidencia experimental de ello. Esto jugó un papel en el desarrollo de la teoría de la relatividad, pero esa es otra historia]

Luego, alrededor de 1900, Max Planck pudo describir correctamente el espectro de un cuerpo negro con lo que al principio pensó que era solo un truco matemático: para sus cálculos asumió que la energía se irradia en pequeñas porciones, en lugar de continuamente, como usted supondría si la luz fuera una onda. El espectro del cuerpo negro era una de las preguntas sin resolver más importantes en ese momento y su explicación fue un gran avance científico. En consecuencia, su método recibió mucha atención.

Poco después, Einstein utilizó el método de Planck para explicar otro problema no resuelto de la física: el efecto fotoeléctrico . Nuevamente, este fenómeno podría describirse si la luz se imagina como pequeños paquetes de energía. Pero a diferencia de Planck, Einstein consideró estos paquetes de energía como una realidad física, a los que luego se denominó fotones .

Este neologismo estaba a todas luces justificado, porque para entonces ya estaba claro que los fotones tenían que ser algo más que pequeñas bolas de billar como imaginaba Newton. A veces exhibe propiedades ondulatorias que no pueden explicarse con partículas clásicas, a veces exhibe propiedades similares a partículas que no pueden explicarse con ondas clásicas.

Esto es lo que sabemos:

• La luz se emite en un número discreto de paquetes. Esto significa que hay entidades contables de luz (a las que hoy llamamos fotones). Esta afirmación es probablemente la más fundamental de la idea del fotón. También sería mi "respuesta de una oración" si alguien me preguntara qué es un fotón.

• Llevan propiedades físicas como energía y cantidad de movimiento y pueden transferirlas entre objetos físicos (p. ej., cuando la radiación térmica se absorbe y calienta un cuerpo).

• Dado que los fotones tienen un momento, también deben tener masa .

• Más tarde también se demostró que los fotones tienen otras propiedades como el espín .

• Se propagan en línea recta sin necesidad de un medio (se demostró que el éter que mencioné antes no existe).

Todas estas propiedades se asocian comúnmente con las partículas. Como mínimo, muestran que un fotón es algo (en el sentido de que una colección de propiedades físicas normalmente califica como una cosa ). Pero un fotón también tiene propiedades diferentes a las de los objetos clásicos:

• Cuando los fotones se propagan muestran difracción , refracción e interferencia .

• La energía y el momento de un fotón corresponden a la longitud de onda y la frecuencia de la luz, que gobiernan el comportamiento de interferencia y difracción.

La conclusión es que un fotón no es ni una onda ni una partícula, sino un objeto cuántico que tiene propiedades tanto de onda como de partícula. En general, se puede decir que las propiedades similares a las partículas son dominantes cuando observas

• pequeñas cantidades de fotones

• sus interacciones con la materia (como el proceso de producción de pares que mencionaste)

• altas energías

mientras que las propiedades ondulatorias son dominantes cuando miras

• gran cantidad de fotones

• su propagación en el espacio

• bajas energías

Creo que esto es lo más lejos que se puede llegar con las analogías clásicas. Un fotón es lo que nos dicen sus propiedades y su comportamiento, y todo lo demás es solo una analogía incompleta. Personalmente, me gusta imaginar los fotones (al igual que con cualquier visualización, esto no es correcto, pero funciona bien en muchas situaciones y ayuda a controlarlo) como partículas pequeñas, duras y discretas que se mueven en el espacio como lo harían las ondas.

La radiación se emite cuando un electrón se desacelera y se absorbe cuando se acelera según la conocida fórmula de Larmor. Esta radiación es un campo electromagnético continuo. Dentro del átomo, los electrones cambian de órbita y se aceleran rápidamente en el proceso, lo que da como resultado la emisión y absorción de radiación tan rápido que aparece como líneas de espectros. Pero aparte de las líneas espectrales, los átomos y las moléculas emiten a muchas otras frecuencias debido a los diversos movimientos de oscilación en ellos y la correspondiente aceleración/desaceleración que lo acompaña. Estas frecuencias de fondo serían naturalmente de menor frecuencia que la de los espectros de línea para el mismo sistema. La radiación de Cherenkov es quizás la más cercana a un espectro continuo.

Por eso la radiación de toda la materia se compone de líneas espectrales nítidas sobre un fondo de radiación continua. El fotón es la unidad de energía de radiación intercambiada entre electrones enlazados (no libres). Es como la moneda del dinero... y como la moneda, los fotones no son todos de la misma denominación/energía. La fórmula E=nhf da n como el número de fotones intercambiados de frecuencia f que dan como resultado la energía E. Pero como f es variable y ni siquiera discreta, E no es discreta, pero el fotón sí lo es.

El fotón también se describe como un paquete de energía. Esto es correcto, pero solo significa la energía mínima (n=1) de un cierto color que se puede intercambiar en una determinada interacción entre átomos. Normalmente la energía de las ondas es directamente proporcional al cuadrado de su amplitud y nada que ver con la frecuencia. Para conciliar esto con la definición del fotón, muy necesaria para la interacción nuclear, se introduce el número de fotones n para compensar la fórmula original E=hf. Tenga en cuenta que, si bien un fotón es un paquete de energía, la cantidad de energía en el paquete puede variar. Un solo fotón azul tiene mucha más energía que un fotón rojo, por ejemplo. Los rayos gamma tienen el mayor contenido de energía debido a su mayor frecuencia.

Si lee un libro sobre fotónica, encontrará que la palabra fotón aparece en casi todas las líneas. Esto muestra cuán importante es el concepto de fotón, a pesar de su definición y uso inusuales y un poco confusos.

Según tengo entendido estamos de acuerdo:

Usamos la palabra fotón cuando de alguna manera observamos que un objeto material cambia el contenido de energía, el impulso y el giro y no hay otro objeto material en las proximidades directas para interactuar.

Sabemos que hay fuerza magnética y fuerza eléctrica y que estas fuerzas se pueden unificar a la fuerza electromagnética y el desarrollo espacial y temporal de esas fuerzas permite ondas electromagnéticas muy parecidas a otras ondas que se pueden observar directamente como ondas de agua.

Del agua y del aire sabemos que pueden existir ciertas excitaciones como ondas planas o circulares. Las formas de onda especiales son vórtices o solitones más generales.

Sabemos que los solitones pueden existir como excitaciones cuantificadas como en los superfluidos. Entonces, existe una cierta probabilidad de que tales solitones puedan ser soluciones de las Ecuaciones de Maxwell. Eso permitiría imaginar lo que realmente "es" un Fotón.

Mientras escribía, tuve la idea de buscar en Google "fotón solitón". An encontré este documento abierto como punto de partida para mí: Photons as solitons y allí: acceso directo

PD: no rebaje esta respuesta, ya que es un trabajo en progreso y reaccionaré ante cualquier comentario para ser más claro. Y no puedo comentar a otros responder en este momento. Gracias

Un amigo me preguntó esto en la universidad, y esto es más o menos lo que le dije.

L os experimentadores estaban descifrando el comportamiento de los fenómenos eléctricos y magnéticos a fines del siglo XVIII y principios del XIX, y para mediados del siglo XIX todo se estaba juntando. James Clerk Maxwell dio los "toques finales" a las ecuaciones que describían los fenómenos eléctricos y magnéticos (clásicos).

Una de esas ecuaciones (ley de Faraday) describe cómo un campo magnético cambiante puede inducir una corriente eléctrica , mientras que otra ecuación (ley de circuito de Ampère) describe cómo una corriente eléctrica puede inducir un campo magnético .

Así que piense en los electrones, tienen carga eléctrica, si "sacudimos" uno correctamente , podemos crear un campo eléctrico cambiante, que induce un campo magnético cambiante, que induce un campo eléctrico cambiante, y así sucesivamente... Estas pequeñas ondas de los campos eléctrico y magnético, induciéndose uno al otro, eso es lo que son los fotones .

En algún momento leí un relato fascinante de Maxwell, sobre cómo una vez que había resuelto las ecuaciones para describir el electromagnetismo, observó que podían usarse para derivar una ecuación de onda. Las ecuaciones de onda tienen una constante que describe la velocidad de propagación de las ondas y su ecuación de onda derivada tenía$\frac{1}{\sqrt{\mu\epsilon}}$para esa constante (con$\mu$siendo la permeabilidad y$\epsilon$la permitividad).

Si no recuerdo mal, estos valores podrían medirse mediante experimentos con electricidad. Algo así como enviar una cantidad conocida de corriente a través de dos cables paralelos, generarán una fuerza magnética que separará los cables (si la corriente está en la misma dirección, y los juntará si está en direcciones opuestas, ¿creo?). Medir la fuerza resultante puede decirle el valor (supongo que solo uno de ellos).

Así que estos valores se habían medido, y conectándolos a Maxwell se obtuvo algo cercano a la velocidad de la luz, que los experimentadores habían estado midiendo con mayor precisión en ese momento (especialmente en 1849 y 1862). Y esta fue la primera vez que alguien (Maxwell) pudo darse cuenta de que la luz era una especie de fenómeno electromagnético. [Mirando hacia arriba veo que en realidad , Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch en 1855 habían notado las unidades de$\mu$y$\epsilon$podían producir una velocidad, y las midieron experimentalmente y llegaron a un número muy cercano a la velocidad de la luz, pero no dieron ese salto final de lógica, que Maxwell hizo en 1861.] (Del artículo de wikipedia History of Maxwell's ecuaciones )

No soy un experto, pero mi impresión es que Maxwell también notó que sus ecuaciones parecían incompletas, porque sugerían que la velocidad de la luz permanecía constante independientemente de la velocidad del observador o del emisor. Es común que la gente piense que el trabajo de Einstein sobre la relatividad especial estaba resolviendo el famoso resultado nulo de los experimentos con interferómetro de Michelson y Morley en busca de un éter luminífero, pero Einstein en realidad estaba abordando esta invariancia indicada por las ecuaciones de Maxwell, si entiendo bien.

(Tenga en cuenta que ha pasado mucho tiempo desde que conté la mayor parte de esto, y solo tengo una licenciatura en matemáticas y física, y no he usado nada de este conocimiento en mucho tiempo, por lo que es posible que yo' Me equivoco en algunos detalles, pero creo que la esencia general está bastante cerca).

Antes incluso de intentar preguntar qué es un fotón "exactamente", tenemos que preguntarnos: ¿existen los fotones?

Puedes recorrer un largo camino creyendo que no lo hacen. Los átomos, las moléculas y los cristales tienen estados discretos que determinan la naturaleza cuántica de la materia, por lo que emiten y absorben cuantos de energía mientras que la entidad en sí misma puede ser continua, al igual que el vino es una entidad continua que solo se cuantifica en 70 cl debido a las botellas que contiene. se vende en. La mecánica cuántica utiliza el campo EM clásico. Las líneas onduladas en los diagramas de Feynman, a menudo vagamente llamadas fotones, son solo una notación gráfica para los términos en una expansión de perturbación.

Sin embargo, sigue existiendo un problema: ¿cómo es que los fotones se absorben en reacciones muy locales? ¿Cómo puede ser absorbida por un solo átomo una onda electromagnética clásica extendida? Para mí, una interpretación sensata de estos fenómenos es que el campo EM describe la probabilidad de que se produzca una absorción/emisión.

Por esta razón, ahora estoy convencido de que existen fotones discretos y que la ecuación de onda subyacente a las ecuaciones de Maxwell es una ecuación de onda cuántica relativista que describe partículas cuánticas sin masa, al igual que las ecuaciones de Schrödinger, Dirac y Klein-Gordon describen partículas cuánticas masivas. La ecuación de onda electromagnética en mi interpretación es una ecuación de Klein-Gordon sin masa que describe las partículas cuánticas conocidas como fotones.

Esto no responde a la pregunta de qué es exactamente un fotón. Propone una respuesta a la pregunta anterior si existen fotones.

Esta es la gran pregunta "zen" de la física durante siglos, gracias por preguntarla. Otras respuestas son buenas/aceptables, esta (riesgosa para la reputación, pero sincera/detallada) adopta, de alguna manera, un ángulo/enfoque radicalmente diferente. Otras respuestas miran hacia el pasado, esta intentará hacer lo casi imposible de anticipar el futuro de una manera visionaria pero = --- todavía científicamente fundamentada. En otras palabras, las partes cuestionables pueden considerarse hipotéticas, es decir, hipótesis bajo consideración, pero todas cuidadosamente respaldadas por hallazgos de investigación actuales/sólidos (en algunos casos, muy recientes).

La historia del fotón tiene un dramático "aspecto de ciegos y elefantes" que atraviesa muchos siglos.[1] La naturaleza de onda versus partícula de la luz incluso se debatió en la época de Newton en el siglo XVII, ahora cerca de hace ~ 4 siglos y las unidades de luz o partículas se denominaron "corpúsculos" en contraste con la teoría de onda de Huygens. [2] La teoría de Newton dominó durante algo así como un siglo sobre el último "en parte debido al gran prestigio de Newton", a pesar de que Huygens se formuló casi / inicialmente al mismo tiempo. Esto muestra un ejemplo del efecto "inverso" de la reputación humana en el pensamiento científico de la época.

Los experimentos recientes de Lacour-Ott son un gran avance y muestran "un modelo de medición cuántica basado en detectores y determinista localmente".[3][4] Este es un hallazgo sorprendente que aún no ha sido ampliamente considerado. Demuestra que un formalismo mecánico cuántico completo puede surgir en el análisis de meros sistemas clásicos. Entonces, esto pone en serio cuestionamiento las afirmaciones de casi un siglo de que la mecánica cuántica es intrínsecamente diferente de la mecánica clásica, ahora vista no solo como un sistema de creencias, sino como un dogma virtual del campo. Hay muchos otros desarrollos recientes que ponen grietas/abolladuras en esta armadura larga y parecen forzar una reevaluación/reconsideración[7] (pero este seguramente será un proceso largo y apenas comienza).

Las nuevas teorías se están comparando con la mecánica de Bohm, pero tienen aspectos claramente diferentes y nuevos, y no deben descartarse instintivamente como refutadas. Una de las encuestas más completas hasta ahora es la de Bush.[5] ¡Está recientemente respaldado por experimentos! [6]

Entonces, ¿cómo es esto posible conceptualmente/teóricamente? Una novedad sorprendente es que la ley probabilística de Borns en la mecánica cuántica puede surgir en los sistemas clásicos. Véase, por ejemplo, Qiaochu Yuan, "Probabilidad no conmutativa finita, la regla de Born y el colapso de la función de onda" [8] y otro análisis mucho más detallado de los detectores proviene de Khrennikov y "PCST", "Prequantum Classical Statistical Field Theory", lo que también se conoce como teorías más o menos semiclásicas.[9][10]

[9] Habla sobre un detector que descarta energía donde la energía entrante no coincide con el umbral de energía del detector (p9) y el detector "come una porción de energía" (p10). Llamemos a esto un detector disipativo. otro concepto similar en la medición es el tiempo muerto del detector[10p5] donde "el detector no puede interactuar con un pulso entrante".

Parece que estos conceptos son similares a un estudio muy sofisticado/comprehensivo del teorema de Bell donde el sistema de señalización puede tener los llamados eventos de "aborto" y que encuentra que las versiones más estrictas de las desigualdades de Bell no son violadas por los experimentos actuales.[11][13 ]

Estos son similares a la "laguna de muestreo"[12] que no es necesariamente lo mismo que las llamadas lagunas de eficiencia, porque la primera aún puede persistir incluso cuando la eficiencia del detector se mide al 100%.

Exploremos el concepto de un detector disipativo con más cuidado y cómo se vería teóricamente. Considere el siguiente esquema. Un frente de onda único esférico viaja a través del espacio. Ahora imagínelo pasando por el detector. el detector puede estar en la región de tiempo muerto y no detectará el frente de onda. O puede que lo detecte. Esta es la naturaleza probabilística de la luz. Parece que posiblemente el tiempo muerto no se puede reducir a cero como una ley física relacionada/similar al principio de incertidumbre de Heisenberg.

Otra forma de decir todo esto es que los detectores perfectos no existen. Los únicos detectores que tenemos están hechos de átomos, también conocidos como partículas. El misterio del fotón finalmente se desentraña. Un fotón es una interacción (probabilidad) entre un frente de onda y un dispositivo de medición, es decir, un átomo u otra partícula. La interacción sólo puede ser referenciada a posteriori y no a priori . En otras palabras, incluso un detector hecho de un solo átomo tendrá esta propiedad de tiempo muerto y disipación de energía. Así que ahí también tenemos alguna interpretación para las llamadas partículas virtuales .

Otros pueden cuestionar "un frente de onda único esférico" que viaja por el espacio. Exactamente esa imagen ahora está respaldada por un nuevo modelo de espacio-tiempo descrito exhaustivamente por Tenev/Horstemeyer, el "tejido del espacio-tiempo".[14] no parecen considerar mucho el tensor de estrés EM, pero una generalización obvia de su trabajo es que las ondas EM son ondas s en el tejido del espacio-tiempo.

Un experimento bastante sencillo que demuestra estas ideas es el efecto HBT. Imagine una línea de detectores a la misma distancia exacta de una fuente de "fotón único" como una forma sencilla de aumentar la sensibilidad de detección del frente de onda. La idea de una fuente de "fotón único" puede visualizarse mejor como una fuente de "frente de onda único". A medida que el frente de onda pasa a través de los detectores, cada detector puede hacer clic o no. Si hubo algún clic, hubo un frente de onda. Si ninguno hace clic, es posible que haya pasado el frente de onda, pero es posible que todos hayan estado en su período de tiempo muerto "sin respuesta". La matriz combinada general detectará el frente de onda con mayor precisión.

Este efecto ya se observa pero no se interpreta bajo este punto de vista. Se llama (anti) agrupamiento de fotones en la literatura. Muchos otros efectos se malinterpretan actualmente bajo la niebla/neblina de nuestra teoría actualmente nublada. Tomará mucho tiempo volver a trabajarlo todo. Pero tales reelaboraciones no son desconocidas en la historia de la ciencia, aunque tienden a tratarse de eventos que ocurren una vez cada siglo y literalmente conducen a/requieren, por ejemplo, que se reescriban los libros de texto (¡pero no todos a la vez!).[17] No se pueden cronometrar exactamente (análogamente a los terremotos ) e incluso son difíciles de reconocer en el medio, pero algunos signos (referencias recopiladas, por ejemplo, también [18], muchos otros no citados debido a limitaciones de espacio/formato, cita siguiente, etc.) están presentes actualmente y parece que estamos atrasados ​​para uno.

“Desearía que las personas que estaban desarrollando la mecánica cuántica a principios del siglo pasado tuvieran acceso a estos experimentos”, dijo Milewski, “porque entonces toda la historia de la mecánica cuántica podría ser diferente”.[7]

[1] ciegos y elefantes / wikipedia

[2] Teoría corpuscular de la luz / wikipedia

[3] Un modelo de medición cuántica basado en detectores y determinista localmente / La Cour

[4] Computadora cuántica emulada por un sistema clásico / physorg

[5] Hidrodinámica de onda piloto / Bush

[6] nuevo soporte para vista cuántica alternativa / Wolchover

[7] ¿Hemos estado interpretando mal la mecánica cuántica todo este tiempo? / Wolchover

[8] Probabilidad no conmutativa finita, la regla de Born y el colapso de la función de onda Qiaochu Yuan

[9] Regla de Born a partir de mediciones de señales clásicas mediante detectores de umbral debidamente calibrados / Khrennikov

[10] Teoría de campos estadísticos clásicos precuánticos: simulación de probabilidades de detección de fotones con la ayuda del movimiento browniano clásico / Khrennikov

[11] Desigualdades robustas de Bell desde la complejidad de la comunicación / La Plante

[12] Lagunas en los experimentos de prueba de Bell / wikipedia

[13] Violación de la desigualdad de Bell sin lagunas utilizando espines de electrones separados por 1,3 kilómetros / Hensen et al

[14] La mecánica del espacio-tiempo: una perspectiva de mecánica sólida sobre la teoría de la relatividad general / Tenev, Horstemeyer

[15] Tensor de energía de estrés EM / wikipedia

[16] efecto HBT / wikipedia

[17] Cambio de paradigma / wikipedia

[18] EmQM13: Conferencia / Actas de Mecánica Cuántica Emergente 2013

La forma más fácil de entender un fotón es que es una partícula que obedece a la mecánica cuántica más que a la mecánica clásica. En mecánica cuántica, las partículas no tienen una posición, pero podemos calcular la probabilidad de dónde se encontrará la partícula (o, en el caso de un fotón, dónde será aniquilada). Como dijo Dirac

“En el caso general, no podemos hablar de que un observable tenga un valor para un estado particular, pero podemos… hablar de la probabilidad de que tenga un valor específico para el estado, es decir, la probabilidad de que se obtenga este valor específico cuando se hace una medida de lo observable”.

El cálculo de las probabilidades cuánticas es necesariamente diferente al de las probabilidades clásicas, porque la mecánica cuántica describe procesos realmente indeterminados, mientras que en la teoría estándar de la probabilidad los resultados están determinados por incógnitas. Por razones profundas y sutiles en los fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica (que generalmente no se tratan en los libros de texto estándar), la interpretación de la probabilidad requiere que el cálculo siga las leyes de la mecánica ondulatoria, creando la ilusión de que las partículas tienen propiedades ondulatorias.

He mostrado el argumento matemático en The Mathematics of Gravity and Quanta

Citas pertinentes de Einstein :

• Todos los cincuenta años de cavilaciones conscientes no me han acercado más a responder la pregunta: “ ¿Qué son los cuantos de luz? Por supuesto, hoy en día todo bribón cree saber la respuesta, pero se engaña a sí mismo.

• Por el resto de mi vida reflexionaré sobre lo que es la luz .

¿Hay algo más en el fotón que los cambios en las propiedades de su emisor y absorbente solos? (Respuesta reexpresada 6-11-16)

Después de un poco más de respuestas negativas que positivas, y también de una corrección útil, en general es hora de dejar de cavarme en un agujero.

No obstante, revisando la literatura reciente, quisiera terminar llamando la atención de los críticos sobre un artículo reciente en Quantum Stud.: Math. Fundar. (2016) 3: 147–160 (copia adjunta Rashkovskiy (2016) ) que también argumenta a favor de la inexistencia del fotón, pero a través del enfoque semiclásico. Aunque aborda el asunto con mucha mayor profundidad y detalle de lo que yo podría lograr, creo que es consistente con la opinión de que, en última instancia, las características del fotón podrían buscarse mejor en las propiedades del emisor y el absorbente, en lugar de atribuirse a un fotón ficticio… ¿o tiene alguna diferencia si lo consideramos o no como 'real'?

Como los comentarios indicaron que parte de mi argumento es defectuoso, se han eliminado las referencias a "puntos coincidentes de espacio-tiempo" y "interacción de contacto" en el espacio de Minkowski.

Sin embargo, las referencias en la contribución anterior de Arthur Neumaier incluyen casos de físicos eminentes que argumentan la inexistencia de fotones:

• PCW Davies: "En su provocativamente titulado artículo 'Las partículas no existen', Paul Davies avanza varias dificultades profundas para cualquier concepción de partícula convencional del fotón"

• Se dijo que el ganador del premio Nobel Willis Lamb "sostenía que los fotones no existen".

Ofrezco un argumento elemental , basándome en las conferencias de Feynman (Vol 1, final de la sección 17-2 en la página 17-4),

"En nuestro diagrama de espacio-tiempo, por lo tanto, tendríamos una representación similar a esta: a 45° hay dos líneas (en realidad, en cuatro dimensiones serán "conos", llamados conos de luz) y los puntos en estas líneas son todo a intervalo cero desde el origen.Donde la luz va desde un punto dado siempre está separado de él por un intervalo cero, como vemos en la ecuación (17.5).Por cierto, acabamos de probar que si la luz viaja con velocidad c en un en otro sistema, viaja con velocidad c en otro, pues si el intervalo es el mismo en ambos sistemas, es decir, cero en uno y cero en el otro, entonces afirmar que la velocidad de propagación de la luz es invariable es lo mismo que decir que la el intervalo es cero".

en el que afirma que los puntos en el cono de luz están a una distancia cero del origen y entre sí. Por supuesto, él quiere decir cero 4 distancias en el espacio-tiempo, como resultado de la métrica de Minkowski que requiere una resta entre el intervalo de 3 espacios yc veces el intervalo de tiempo.

Entonces, se puede argumentar que los fotones no tienen una existencia independiente en el espacio-tiempo: "aparecen" solo como una pérdida, por emisión de una fuente, y una ganancia por absorción [se elimina el resto de la oración original].

Desde este punto de vista, los fotones son, en cierto sentido (como otros han mencionado en respuestas más sofisticadas) simplemente ficciones convenientes de las matemáticas que explican lo que sucede en la transferencia de energía observada entre el emisor y el absorbente, a través de un intervalo de tiempo y espacio tridimensional que hacemos un puente usando las matemáticas que describen los movimientos de onda. Esto sugiere que las características del fotón (por ejemplo, el espín) deben buscarse en las propiedades del emisor y el absorbente , en lugar de atribuirse al fotón ficticio...