¿Existen realmente los fotones en un sentido físico o son solo un concepto útil como i=−1−−−√i=−1i = \sqrt{-1}? [cerrado]

Hay mucha evidencia experimental de que el campo electromagnético intercambia energía con los átomos en fragmentos discretos, y si llamamos fotones a estos fragmentos , entonces existen fotones. Lo cual está muy bien, pero supongo que está realmente interesado en saber si el fotón existe como una pequeña bola de luz que atraviesa el espacio a toda velocidad.$c$, y si es así, bueno, esa es una pregunta complicada.

En realidad, todas las partículas son más escurridizas de lo que piensas. Muchos de nosotros habremos comenzado nuestro viaje hacia la mecánica cuántica con la ecuación de onda de una partícula libre y nos sorprenderá que la solución fuera una onda plana que no se parecía en nada a una partícula. Entonces el maestro nos dice que podemos construir un paquete de ondas para formar una partícula pero, bueno, esto no es tan convincente. Hacer una partícula mediante la construcción de un paquete de ondas parece terriblemente arbitrario para los objetos que se supone que son fundamentales.

De hecho, la mecánica cuántica no relativista no nos dice nada acerca de por qué existen las partículas y de dónde vienen. No es hasta que llegamos a la teoría cuántica de campos que obtenemos una razón por la que existen las partículas y una explicación de sus propiedades, pero incluso entonces las partículas resultan ser cosas más extrañas de lo que pensábamos.

Cuando aprende QFT, tradicionalmente comienza cuantificando un campo libre escalar. Si hacemos esto, encontramos que los estados de campo son estados de Fock , e interpretamos que estos estados contienen un número bien definido de partículas. Actuando sobre el estado de vacío con un operador de creación.agrega una partícula a un estado y, del mismo modo, al actuar sobre un estado con el operador de aniquilación, se elimina una partícula. Todo esto puede sonar un poco abstracto, pero en realidad nos da una descripción concreta de lo que son las partículas. Las propiedades de las partículas, como la masa, el espín, la carga, etc., son propiedades del campo cuántico, y todas las partículas son idénticas porque todas están descritas por el mismo campo. Entonces, la teoría nos dice inmediatamente por qué, por ejemplo, todos los electrones son idénticos, y describe cómo se pueden crear y destruir partículas en colisionadores como el LHC. En este momento, la teoría cuántica de campos es la teoría definitiva para describir qué son las partículas y cómo se comportan.

Pero estos modos de campo que representan partículas se parecen mucho a las ondas planas con las que comenzamos cuando aprendimos QM por primera vez. Entonces, las partículas descritas por QFT todavía no se parecen realmente a partículas en el sentido intuitivo de una pequeña bola. Y lo peor está por venir. Los estados de Fock solo existen para el campo libre, es decir, uno en el que las partículas no interactúan entre sí. Y ese es obviamente un modelo inútil para partículas como electrones y fotones que interactúan fuertemente. En una teoría interactiva, los estados de campo no son estados de Fock, y ni siquiera son superposiciones de estados de Fock. De hecho, ahora mismo no sabemos cuáles son los estados de un campo interactivo. Lo mejor que podemos hacer es calcular sus propiedades utilizando un enfoque perturbativo o una aproximación reticular .

Pero volvamos a los fotones. No cuantificamos el campo electromagnético porque no es manifiestamente covariante de Lorentz, por lo que en su lugar construimos un campo llamado cuatro potenciales electromagnéticos y lo cuantificamos. Y ahora tenemos una definición del fotón en términos de los estados de este campo. Siempre que estemos lidiando con situaciones en las que se pueden ignorar las interacciones, tenemos una definición clara y agradable de un fotón. Y podemos describir la creación de fotones agregando energía a los modos descritos por el campo cuántico y la aniquilación de fotones puede quitar energía de los modos y agregarla, por ejemplo, a un átomo de hidrógeno. En este sentido, los fotones son cosas reales que definitivamente existen.

Pero este fotón no parece una pequeña bola de luz. De hecho, no parece un rayo de luz en absoluto. Construir un rayo de luz implica tomar un estado coherente de fotones de una manera que confieso que no entiendo pero sé que es complicada. Este es el dominio de la óptica cuántica y les deseo muchas horas felices intentando aprenderlo.

Este es el punto señalado en el artículo de WE Lamb que mencioné en un comentario. Hay una larga e innoble historia de personas que imaginan que los rayos de luz son solo una lluvia de fotones y, como resultado, se confunden. La única vez que realmente vemos la luz comportándose como un fotón es cuando intercambia energía con algo. Entonces, cuando un átomo de hidrógeno excitado se desintegra, se emite un fotón. Asimismo, un fotón puede ser absorbido por un átomo y excitarlo. A medida que la luz se propaga hacia o desde el átomo, rara vez es útil describirla en términos de fotones.

Siento que he seguido una y otra vez sin responder realmente a su pregunta, pero eso es porque su pregunta realmente no tiene una respuesta. QFT, específicamente la electrodinámica cuántica , nos brinda una descripción muy, muy precisa de lo que son los fotones y sospecho que la mayoría de nosotros diría que, por supuesto, los fotones realmente existen. Simplemente no son los objetos simples que la mayoría de la gente piensa.

Como puede adivinar por las respuestas que varían ampliamente de "sí" a "no", su pregunta toca un tema muy delicado para quienes siguen la ciencia. La respuesta se reducirá rápidamente a preguntas formuladas de manera frustrante como "qué es real" porque lo que preguntas es lo suficientemente engañoso.

En el mundo de la filosofía, la ciencia se clasifica como parte del "empirismo". El empirismo es la filosofía de lo que podemos saber usando nuestros sentidos (también conocido como "observaciones empíricas"). El empirismo es una subdisciplina de la epistemología, el estudio de lo que podemos saber. La epistemología está separada de la ontología, el estudio de lo que es "real", por lo que, desde una perspectiva filosófica, la ciencia en realidad no hace afirmaciones sobre lo que es real y lo que no lo es.

Cuando observa la evidencia del "fotón", lo que se proporciona es una gran cantidad de observaciones empíricas realizadas por científicos. En cada caso, encontramos que si modelamos el mundo como si existieran fotones, los resultados del experimento son consistentes con las predicciones de ese modelo. No dice que los fotones existen, y no dice que no existen. Simplemente dice que un modelo que declara que existen fotones es efectivo para predecir los resultados de experimentos pasados.

Si cree que los resultados pasados ​​predicen el rendimiento futuro, no juegue con el mercado de valores, pero la ciencia ha demostrado que sus modelos tienen un historial sorprendentemente bueno de predicción de resultados. Yo diría que sus resultados son mucho mejores que cualquier otro sistema, aunque para hacer tal afirmación primero tendríamos que sentarnos y acordar una métrica para comparar sistemas. Si necesita predecir lo que sucederá en un sistema, es más probable que modelar el sistema de una manera que incluya fotones le dé una respuesta sólida. La ciencia se premia a sí misma por su capacidad para hacer predicciones que ningún otro sistema puede hacer, y cumplir con esas predicciones.

La ciencia ha sido tan efectiva en esto que comenzamos a volvernos perezosos con nuestra terminología. Empezamos a decir "los fotones existen" o "los fotones son reales". A nivel filosófico, esto se llama abducción. La abducción está en la misma categoría que la deducción y la inducción; es asumir que la hipótesis más probable es verdadera. Suponemos que, sin ninguna hipótesis mejor, los fotones simplemente deben existir. Esto no es parte del método científico; no es una afirmación empírica. Sin embargo, los modelos son tan buenos para predecir el futuro que la frase más larga "el universo está bien modelado con la suposición de que los fotones son reales" simplemente no vale la pena.

Desafortunadamente, este paso abductivo puede meternos en problemas . Usted mencionó que ha oído hablar de los fotones como "nubes de probabilidad". Esto se debe a que, a medida que mirábamos más y más profundamente en el universo, notamos que modelar las cosas como fotones dejaba de describir completamente lo que veíamos. Experimentos extraños como el experimento de doble asiento comenzaron a sugerir que no podemos modelar la luz simplemente como un grupo de fotones individuales. Experimentos como ese fueron diseñados intencionalmente para empujar casos de esquina donde los modelos antiguos simplemente se rompieron. Luego los reemplazamos con nuevos modelos que son mucho mejores para predecir resultados.

Por supuesto, estos nuevos modelos deben alinearse con toda la evidencia empírica anterior recopilada antes de que se formara este nuevo modelo. Al alejarnos de los difíciles casos de esquina propuestos por el experimento de la doble rendija, encontramos que había una fuerte conexión entre algunas de las distribuciones de probabilidad que surgieron de las funciones de onda de la mecánica cuántica y los "fotones" que se supusieron en el experimento. viejo modelo.

Esto, para mí, es una de las partes brillantes de la ciencia. Al hacer estas conexiones entre los modelos, podemos decir "siempre y cuando se mantenga alejado de estos casos de esquina particulares, puede salirse con la suya modelando la luz como fotones, porque los errores que detecta son pequeños". Piensa en lo increíble que es eso. Nos sentimos lo suficientemente cómodos con nuestros modelos como para decir "incluso si no está utilizando el modelo más avanzado que la ciencia tiene para ofrecer, aún podemos usarlo de manera segura y poner límites a los errores".

De todos modos, en la mecánica cuántica, en su nivel más profundo, no hay "fotones". Hay formas de onda que son continuas a través del espacio y el tiempo. Sin embargo, en muchos casos, el comportamiento de estas formas de onda es lo suficientemente discreto como para que podamos capturar parte de la forma de onda y decir "esta parte es un fotón". Pero es realmente nuestra decisión llamarlo fotón. Empíricamente hablando, es una buena decisión. En más del 99 % de los casos, es una decisión lo suficientemente buena como para hacer predicciones, y eso es lo que queremos de la ciencia.

Entonces, ¿existen los fotones? Nadie lo sabe. Nuestros mejores modelos del mundo subatómico, los de la mecánica cuántica, todos muestran un comportamiento que está justo en el lugar donde deberían estar los fotones. No tenemos ninguna razón particular para suponer que no existen. Si eso es suficiente para usted es realmente una cuestión de preferencia personal y filosofía.

Todos los experimentos necesitan un marco teórico dentro del cual se interpretan. Los datos sin procesar por sí solos no te dicen nada.

Los fotones (y otras partículas) son parte de un marco extremadamente útil para comprender muchos fenómenos diferentes, desde experimentos esotéricos de colisionadores de alta energía hasta cosas que experimentamos todos los días, como el espectro del cuerpo negro. Entonces, uso ese lenguaje para comprender e interpretar una amplia clase de experimentos.

Sin embargo, al mismo tiempo, nunca podemos decir que nuestra teoría actual es definitivamente la forma correcta de ver las cosas. Siempre existe la posibilidad de que futuros experimentos o ideas nos lleven a comprender que nuestra teoría actual es simplemente una aproximación a una teoría diferente, o que es una de varias representaciones equivalentes para la misma física.

Si alguien viniera mañana y propusiera una forma alternativa de ver las cosas en la que los fotones no aparecieran explícitamente, pero que explicara adecuadamente todos los fenómenos observados, no tendría objeciones en usar ese lenguaje. (Hasta cierto punto, podría decir que la teoría cuántica de campos le permite hacer esto al interpretar las secciones transversales de dispersión como una cierta proyección de las funciones de correlación de n puntos de un campo cuántico). De hecho, incluso podría convencerme de preferir la nueva teoría, si la nueva teoría fuera capaz de explicar nuevos fenómenos que la vieja teoría no pudiera explicar.

Sin embargo, esta nueva teoría aún necesitaría dar cuenta de muchas de las observaciones que asociamos con la existencia de fotones, como los clics en un tubo fotomultiplicador. Bien podría darse el caso de que la nueva teoría dé una explicación menos intuitiva de estos fenómenos. Entonces todavía preferiría pensar en los fotones como una aproximación útil: capturan lo suficiente de lo que está sucediendo que diría que son una buena descripción en un límite apropiado, incluso si no son objetos fundamentales en la nueva teoría.

Entonces, ¿existen los fotones? Es difícil decir que no, ya que brindan una explicación tan elegante de tantos hechos observados. Pero no puedo decir que sí de manera inequívoca, ya que siempre es posible que haya otras formas de explicar los mismos datos, y es posible que algunas de estas otras teorías conduzcan a una comprensión más profunda de la física.

PD: este es un comentario adicional, pero no acepto la premisa de que$i$no existe (para cualquier definición de 'existir' que use para objetos matemáticos) ... si acepta la existencia de números irracionales, entonces$i$no es realmente extraño.

¿Existen realmente los fotones en un sentido físico o son solo un concepto útil como i = sqrt (-1)

Realmente existen en un sentido físico.

Al leer sobre fotones, escucho diferentes explicaciones como "partícula elemental", "nube de probabilidad", "cuantos de energía", etc.

Estoy seguro de que todo el mundo está familiarizado con el término "partícula elemental", y que a mucha gente le parecerá bien "cuantos de energía", pero yo nunca he oído a nadie describir un fotón como una "nube de probabilidad". ¿Me puede dar una referencia para eso?

Dado que probablemente nadie ha visto nunca un fotón

En cierto modo, ahora mismo estás viendo una gran cantidad de fotones. Tantos que construyen una imagen. Y la gente definitivamente ha detectado fotones en experimentos.

(si "visto" supuestamente, y bastante convenientemente, deja de existir)

No siempre. El fotón tiene una naturaleza de onda E=hf o E=hc/λ. Piense en detectar un fotón como algo así como detectar una gelatina que se tambalea con un palo grande. Detiene el tambaleo de la gelatina. Pero existe tal cosa como una medición débil . La medición débil es como usar un palillo de dientes en lugar de un palo grande. También hay dispersión de Compton . El fotón es "detectado", pero no deja de existir.

pero muchos experimentos parecen verificar sus propiedades (o tal vez se ajustan para adaptarse al experimento). Por lo tanto, no puedo evitar preguntarme si el "fotón" es solo una herramienta física/matemática con propiedades inexplicables (como masa cero, pero afectada por campos de gravedad, y velocidad constante c en el espacio) inventada para explicar algunos fenómenos inexplicables de otro modo y para complementar las partículas elementales y sus interacciones. En resumen: ¿Son reales o imaginarios? ¿Alguien sabe? O tal vez la respuesta es "soplando en el viento" porque para la mayoría de los físicos probablemente no importe mientras funcione (como dicen los curanderos alternativos). Lo siento si parezco un poco sarcástico aquí y allá.

son reales Podemos hacer electrones (y positrones) a partir de fotones en la producción de pares. Y estás hecho de electrones y otras partículas que son igualmente reales.

Los fotones existen y se describen mejor como paquetes de energía o partículas. Por supuesto, el término partícula siempre se trivializa con la descripción del hombre de paja de una bola o bola de luz. Una partícula es parte de otra cosa y no necesita ser una bola sólida. De hecho, es solo otro sistema propio. Un fotón podría describirse como un sistema oscilante propio que se propaga a través del espacio a la velocidad de la luz. Un fotón individual podría construirse sobre un mínimo de cuatro principios.
(1) Una masa de masa acumulativa demasiado pequeña para calcular en este momento. (2) Una dirección y velocidad (3) Una frecuencia que podría indicar una oscilación sistemática propia. (4) y el momento angular general del sistema que podría percibirse como polaridad. A medida que el fotón se propaga a través del espacio, estos cuatro principios juegan aparte, siendo el más importante la frecuencia de oscilación. La energía de esta oscilación interna contribuye a la energía de los fotones y al efecto fotoeléctrico. La velocidad y la masa de los fotones tienen algo que ver con eso. Esta es solo una forma de describir físicamente un fotón sin recurrir al modelo sarcástico de una bola.