Astronomía

¿Qué pasa con los fotones que no interactúan con algo?

¿Qué pasa con los fotones que no interactúan con algo?


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Digamos que un fotón dejó una de las primeras estrellas jamás creadas en nuestro universo. Este fotón ha viajado durante más de 13 mil millones de años a través de la inmensidad del espacio sin golpear nada. Claro, probablemente ha sido arrastrado por interacciones gravitacionales, pero aún así viaja felizmente a la velocidad de la luz sin interacción directa con la materia.

Como sabemos, la mayor parte del universo se compone principalmente de espacio vacío. Las probabilidades de que un solo fotón golpee algo (como la Tierra como luz de las estrellas, etc.) parecerían ser muy pequeñas.

¿Qué pasará finalmente con este fotón? ¿Llegará finalmente al otro extremo del universo y, de ser así, qué le pasaría allí?


Su afirmación "la mayor parte del universo se compone principalmente de espacio vacío" es muy vaga. En realidad, el Universo está incrustado en campos de fotones de fondo difusos, desde baja energía (como el llamado fondo cósmico de microondas, que es una reliquia del Big Bang) hasta muy alta energía (de los objetos extremadamente compactos, como los AGN). Por supuesto, también existe materia oscura desconocida. Parece que la materia oscura probablemente solo participa en una interacción débil. Por lo tanto, probablemente no interactuará con los fotones (el mismo argumento con los neutrinos de fondo cósmico). La posibilidad de interacción fotón-fotón e interacciones fotón-campos electromagnéticos depende de la energía de los fotones. Para energías altas, no es tan bajo como esperabas. Incluso si un fotón tiene suerte y no interactúa con las otras partículas, no llegará al borde del Universo. La razón es que el Universo se está expandiendo.


Un fotón como ese simplemente viajará para siempre, ya que es difícil interactuar con lo que encuentra a su alrededor (otros fotones y materia no bariónica). Pero como el Universo se está expandiendo, la frecuencia de los fotones está disminuyendo.

Mire el fondo cósmico de microondas que observamos hoy: esos fotones de radio han estado viajando durante toda la Era del Universo hasta que golpearon la Tierra, pero una vez fueron rayos gamma y hoy son microondas.


Incluso el vacío está lleno de pares de partículas virtuales, por lo que los fotones siempre interactuar con algo. Consulte Wikipedia sobre el efecto Scharnhorst para obtener una pequeña explicación:

Debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, un espacio vacío que parece ser un verdadero vacío en realidad está lleno de partículas subatómicas virtuales. Estos se denominan fluctuaciones de vacío. Cuando un fotón viaja a través del vacío, interactúa con estas partículas virtuales y es absorbido por ellas para dar lugar a un par virtual electrón-positrón. Este par es inestable y se aniquila rápidamente para producir un fotón como el que fue absorbido previamente. El tiempo que pasa la energía del fotón como pares subluminales de electrón-positrón reduce la velocidad observada de la luz en el vacío.


Según la teoría del absorbente de Wheeler, el fotón es un concepto derivado. El fotón es la acción entre dos cargas. La acción se llama "acción a distancia", es decir, aaad. Por lo tanto, el fotón debe comenzar desde un emisor terminado en un absorbedor. Incluso el fotón se acaba de emitir desde un emisor, conoce su absorbedor final, que tal vez sea el ojo de un hombre que aburrirá en cientos de años más tarde.


Gran pregunta. El campo eléctrico crea una fuerza tan fuerte que sería muy difícil mover grandes cantidades de un solo tipo de carga. Entonces, los sistemas astrofísicos generalmente expulsan el mismo número de protones y electrones. En particular, el viento solar es eléctricamente neutro. Entonces, estos rayos cósmicos se crean en números casi iguales, pero cuando llegan a la Tierra, hay muchos menos electrones.

La principal interacción que hace que estos electrones se "pierdan" es la dispersión de Compton inversa. Lo que sucede es que los electrones que viajan entre las galaxias interactúan con el fondo cósmico de microondas y pierden la mayor parte de su energía, básicamente rebotan en los fotones. Aquí es donde se pierden la mayoría de los electrones de los rayos cósmicos, lo que significa que todos los electrones de los rayos cósmicos en la Tierra vendrán del interior de nuestra galaxia. Por supuesto, la dispersión también ocurre para los protones y los iones más pesados, pero es mucho más débil para ellos. (La tasa de pérdida de energía es inversamente proporcional a la masa, y los protones y otros iones son lejos más pesado que los electrones.)

En cuanto a los cargos netos, todavía quedan muchas preguntas abiertas. Pero básicamente, si acumulamos mucha carga, pronto atraeremos mucha carga del tipo opuesto y volveremos a ser neutrales nuevamente. Así que no creemos que la Tierra tenga mucha carga neta, aunque no conozco límites precisos.


Le está pidiendo al lector que acepte una mala imagen que nunca podría tener sentido.

En su experimento mental, los dos fotones se convierten en varias variedades de virtual pares de fermiones que luego se recombinan para formar un Higgs. (En realidad, en el laboratorio, LHC / CERN, ocurre el proceso inverso en el tiempo, el Higgs se desintegra en dos fotones, en cambio, muy raramente).

Este es un lenguaje técnico que recuerda a los usuarios de QFT cómo calcular la frecuencia / probabilidad de ese evento: no hay "inicio" de la interacción. La interacción es una característica de la partícula de Higgs y los fotones y está en la lista de respuestas, "desde el principio": el Higgs simplemente se divide en dos fotones en un instante. La intermediación de ese acoplamiento a través de un par fermión-antifermión es una nota simbólica para las calculadoras sobre cómo estimar el acoplamiento a partir del SM Lagrangiano, el punto de partida de sus estimaciones. Parece estar extendiendo una metáfora compartida para un cálculo a algo más allá de una fantasía útil.


Respuestas y respuestas

En general, cuando un fotón interactúa con la materia, puede ocurrir cualquiera de los procesos que usted nombra, siempre que no viole ninguna ley de conservación. Por ejemplo, la producción de pares solo puede ocurrir si el fotón tiene al menos energía suficiente para crear las masas del electrón y el positrón, es decir, 1.022 MeV.

De lo contrario, un fotón con una energía dada, interactuando con un tipo de material dado, puede interactuar a través del efecto fotoeléctrico con una cierta probabilidad, a través del efecto Compton con alguna otra probabilidad, etc. Estas probabilidades generalmente se expresan a través de una cantidad llamada interacción & quot; sección transversal & quot para cada proceso. Se pueden calcular utilizando electrodinámica cuántica.

5. Interacción fotón / fotón. en la banda de luz visible, responsable del color & amp & quot; blancura & quot.

Qué. Por favor, proporcione detalles. ¿Qué entiende por "interacción fotón-fotón"?

Según la teoría del & quot; color aditivo & quot en & quot los libros de texto & quot son:

rojo + verde + azul = blanco
magenta + amarillo + cian = blanco
rojo + cian = blanco
azul + amarillo = blanco
magenta + verde = desconocido
rojo + verde = amarillo
azul + verde = cian
etcétera etcétera.

Y qué teoría es esa. Definitivamente no es el que explica las combinaciones de colores en la pintura (rojo + verde nunca es amarillo). ¿Y cuál es la conexión con las "interacciones fotón-fotón", si es que hay alguna?

Según la teoría del & quot; color aditivo & quot en & quot los libros de texto & quot son:

rojo + verde + azul = blanco
magenta + amarillo + cian = blanco
rojo + cian = blanco
azul + amarillo = blanco
magenta + verde = desconocido
rojo + verde = amarillo
azul + verde = cian
etcétera etcétera.

Aquí no hay nada que pueda llamarse interacción fotón-fotón.

Estas son las reglas aditivas para combinaciones de colores. Estas percepciones
tienen lugar en las neuronas de nuestro cerebro únicamente, combinando las entradas de la
Sensores rojo, verde y azul.

Por cierto, magenta + verde = blanco y no & quotdesconocido & quot

La pintura es sustractiva (blanco - rojo - verde = azul)
no aditivo (rojo + verde = amarillo).

Como señaló Hans, la teoría aditiva a la que me referí es para la luz (fotones). ¿Por qué debería mencionar la pintura (sustractiva)?

Soy consciente de los aspectos fisiológicos de la luz y el color, pero no hablo de ellos.
Sin embargo, los aspectos de la interacción de frecuencia que regulan la estimulación de los conos están ahí porque el ojo ha evolucionado haciendo uso de las frecuencias EM conocidas como "luz visible". Estos aspectos son inherentes a todas las frecuencias. Si la interacción fotón / fotón fuera imposible, ¿cómo produciría la resonancia coherente conocida como L.A.S.E.R.? Cuando dije "los libros de texto", me refiero a la física y no a la biología.

Mi otra razón para el aditivo entre comillas fue porque tiene fallas. Uno de los grandes es magenta + verde. El magenta es un color al que no se le puede asignar frecuencia. No existe en el gráfico de espectro E-M utilizado actualmente y, por lo tanto, no se puede agregar a nada.

Newton postuló que "la luz blanca contiene todos los colores". Esto no ha sido rechazado por la ciencia moderna, y la rueda de colores para la mezcla de luz usa magenta porque la teoría sustractiva lo usa perfectamente (televisión en color, impresoras, etc.) y debe ser lógicamente inversa a la teoría aditiva. Pero nuevamente, no hay evidencia de una frecuencia de luz que pueda describirse como magenta en ningún texto científico.

Ante una evidencia tan abrumadora ...

prueba 1. & quot; Quizás esto debería trasladarse al & quotart-forum & quot.
prueba 2 "Realmente, esto es un montón de tonterías".

Un láser es posible debido a la resonancia de fotones / fotones. Una interacción capaz de resonancia, también debe ser capaz de disonancia. Es por eso que algunos colores reflejan ciertos colores y absorben otros.

Si desea eliminar la evidencia basada en las neuronas & quot; percepción & quot, entonces también debe eliminar todos los símbolos, números y palabras, ya que son solo combinaciones de luz y oscuridad que activan los conos en el ojo, y luego & quot; percibidos & quot por el cerebro como significados. alguna cosa. En otras palabras, es un argumento vacío, intente nuevamente convencerme de que esta no es una interacción que tiene lugar fuera del cerebro.

La dispersión fotón-fotón tiene lugar (o más precisamente, según QED, si tuviera lugar) a través de pares intermedios virtuales electrón-positrón, por lo que las interacciones fotón-fotón sí existen. Sin embargo, ¿qué tiene eso que ver con los láseres? ¿Y qué tiene que ver con los colores?

Por "colores", solo me refiero a una frecuencia específica. No veo por qué molesta a algunas personas. Si la ciencia tuviera una definición precisa de cada color (por frecuencia), esto no sería tan difícil. Entonces podría decir, por ejemplo, una onda de 730 nm, y todo el mundo sabría que me estaba refiriendo a un fotón estándar "NIST".

Mi primera publicación fue simplemente que también había interacciones fotón / fotón. Fue después de ser interrogado que me exalté sobre lo que considero física & quot; elemental & quot ;.

Los láseres son monocromáticos, lo que por definición significa "1 color". Comenzaron con un láser rojo, luego pudieron producir el verde más refinado (datos expandidos - cd). El azul es el siguiente.
¿Es eso una razón suficiente para mencionar & quot; láser & quot; y & quot; color & quot; en la misma publicación? Un láser no es un fotón, sino un haz de muchos fotones coherentes (resonantes) que interactúan.

¿Otro ejemplo? Una cita de la Enciclopedia Británica:

“Además de la espectroscopia de saturación, existen otras técnicas que son capaces de obtener espectros sin Doppler. Un ejemplo importante es la espectroscopia de dos fotones, otra forma de espectroscopia que fue posible gracias a las altas intensidades disponibles con los láseres. Todas estas técnicas se basan en el desplazamiento Doppler relativo de los haces en contrapropagación para identificar la frecuencia de resonancia correcta y se han utilizado para medir espectros con una precisión extremadamente alta. Sin embargo, estas técnicas no pueden eliminar otro tipo de desplazamiento Doppler. & quot

Gracias por no ser "personal", después de todo esto es un foro. ¡Estoy aquí para expandirme, no contraer!


Seguimiento n. ° 3: ¿cómo funciona una onda piloto?

Ajá, veo lo que te estás preguntando: si se puede dar algún mecanismo para la fuerza de la onda piloto en la coordenada de la partícula en la imagen de Bohm. tal vez algún tipo de pequeñas colisiones con las fluctuaciones de partículas locales, etc. Es una buena idea, pero creo que si algo sale de un intento como ese, será aún más extraño que la vista en la que la función de onda es el único ingrediente . La razón es que todos estos procesos pueden violar las Desigualdades de Bell. Eso significa que no hay ninguna imagen local (aparte de las conspiraciones universales) que pueda reproducir las observaciones. Así que hay poca motivación para buscar otra imagen local.

La foto emitida en una imagen de Hawking es un fotón real y, como Pinocho, puede hacer todas las cosas que puede hacer un fotón real.


¿Existe alguna evidencia experimental de que los fotones no tengan masa?

Cuando hablamos de evidencia experimental, siempre hay limitaciones e inexactitudes en cada medición, que en última instancia proviene del hecho de que nada se puede medir con una precisión infinita.

En el caso de la masa de un fotón, no es realmente posible medirlo como exactamente cero. Después de todo, ¿cómo se mide algo que no existe?

Debido a esto, estos experimentos deben realizarse indirectamente a través de mediciones de, por ejemplo, fuerzas eléctricas.

Esto, por supuesto, introduce cierta imprecisión en los resultados, lo que significa que la masa de un fotón no se puede medir como exactamente cero. Lo mejor que podemos hacer es poner límites superiores a la masa de un fotón, que se ha realizado con un alto grado de precisión.

Ahora bien, vale la pena señalar que estos límites superiores generalmente son números muy pequeños, extremadamente cercanos a cero. Esto, por supuesto, indica que la masa de un fotón también es extremadamente pequeña (probablemente se podría probar que es exactamente cero, si fuera posible medirlo con la suficiente precisión).

La forma más sencilla de medir la masa de un fotón es medir campos eléctricos producidos por partículas cargadas. Resulta que si el fotón tuviera una masa, resultaría en ecuaciones diferentes para la ley de fuerza de Coulomb y el campo eléctrico.

Es decir, la ecuación para un campo eléctrico producido por una carga Q tendría algunos términos adicionales: Observe que si la masa de un fotón es cero, esto se reduce a la ecuación de campo eléctrico normal y correcta, lo que indica que un fotón no debería tener masa.

Por supuesto, estos campos eléctricos se pueden observar y midiendo estos llamados "factores de amortiguación" producidos por la masa del fotón, es posible deducir un límite superior para la masa de un fotón.

Estos experimentos han proporcionado una límite superior comprendido entre 10-42 y 8 × 10-51 kg para la masa del fotón, dependiendo del tipo de experimento realizado (según una publicación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong).

Incluso existen métodos para medir la masa de un fotón que implican mediciones de campos magnéticos planetarios.

Uno de estos experimentos, utilizando datos de la nave espacial Pioneer 10 que volaba por Júpiter, midió un límite superior de 7 × 10 -52 kg en la masa de fotones (fuente: una revisión del Instituto C.N. Yang de Física Teórica y el Laboratorio Nacional de Los Alamos).

Se obtuvo un resultado aún mejor a partir de experimentos que incluían mediciones de los vientos solares (un viento solar es básicamente plasma procedente del sol, que lleva consigo un campo magnético).

Resulta que si el fotón tuviera masa, este plasma se comportaría de manera diferente, es decir, se produciría corriente y el plasma se aceleraría.

Ahora, al observar el plasma del viento solar y la máxima aceleración posible que podría tener (que es muy pequeña o nula), es posible calcular un límite superior de 2 × 10-54 kg para la masa de un fotón (según la misma fuente que para el otro valor anterior).

Soy el fundador de Profound Physics, un sitio web que creé para ayudar especialmente a aquellos que intentan estudiar física por sí mismos, ya que eso es lo que me apasiona hacer. Me gusta explicar lo que he aprendido de una manera comprensible y relajada y seguiré haciéndolo a medida que aprenda más sobre las maravillas de la física.

Mensajes recientes

Cuando comencé a aprender física, el impulso y la energía cinética me parecían casi lo mismo. No entendí por qué era útil tener dos cantidades muy similares.

Las ecuaciones de campo de Einstein son un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales de segundo orden no lineales, que a menudo se describen como extremadamente complicadas y, en la mayoría de los casos, muy difíciles de resolver. Esa es.


Trayendo la luz

Como no sabemos de qué está hecha la materia oscura, somos libres de inventar todo tipo de escenarios, tanto mundanos como fantasiosos. La imagen más simple de la materia oscura dice que es grande y básica. Sí, constituye la gran mayoría de la masa del universo, pero consta de una sola partícula muy prolífica que no hace nada más que tener masa. Eso significa que el material puede darse a conocer a través de la gravedad, pero por lo demás nunca interactúa a través de ninguna de las otras fuerzas. Nunca, jamás, vislumbraremos la materia oscura haciendo otra cosa.

Los escenarios fantasiosos son más divertidos.

Cuando los teóricos se aburren, inventan ideas sobre lo que podría ser la materia oscura y, lo que es más importante, cómo podríamos detectarla. El siguiente nivel en la escala de las interesantes teorías de la materia oscura dice que la sustancia ocasionalmente puede hablar con la materia normal a través de la fuerza nuclear débil. Esa idea motiva los experimentos y detectores de materia oscura en todo el mundo de hoy.

Pero aún así, ese escenario asume que todavía hay solo cuatro fuerzas de la naturaleza. Si la materia oscura es un tipo de partícula nunca antes vista, entonces es perfectamente razonable sugerir (porque no tenemos idea de si tenemos razón o no) que viene empaquetado con una fuerza de la naturaleza previamente desconocida & mdash o quizás una pareja, ¿quién sabe? Esta fuerza potencial podría permitir que la materia oscura hable solo con la materia oscura, o podría entrelazar la materia oscura y la energía oscura (que tampoco entendemos), o podría abrir un nuevo canal de comunicación entre los sectores normal y oscuro de nuestro universo. .


¿Cómo atrapan los gases de efecto invernadero el calor en la atmósfera?

¿Qué CO2, el metano y el vapor de agua tienen en común? Si su primer pensamiento fue "gases de efecto invernadero", ¡estaría en lo cierto! Los gases de efecto invernadero atrapan el calor en la atmósfera, en un proceso llamado "efecto invernadero". 1 Pero, ¿cómo calientan realmente estas moléculas nuestro planeta?

Comenzaremos nuestra exploración de gases de efecto invernadero con un solo dióxido de carbono (CO2) molécula. Digamos este CO2 molécula proviene del escape de su automóvil. Desde su tubo de escape, se eleva a la atmósfera y se difunde entre los otros gases. Allí, partículas de luz, fotones, golpean nuestra molécula.

Entonces, ¿qué pasa con esos fotones? “Las moléculas de gas de efecto invernadero absorberán esa luz, haciendo que los enlaces entre los átomos vibren”, dice Jesse Kroll, profesor de Ingeniería Civil y Ambiental e Ingeniería Química en el MIT. "Esto atrapa la energía, que de otro modo volvería al espacio, y por lo tanto tiene el efecto de calentar la atmósfera". Básicamente, los enlaces entre los átomos de carbono y oxígeno en nuestro CO2 la molécula se dobla y estira para absorber fotones. (Con otros gases de efecto invernadero, los enlaces moleculares son diferentes, pero en todos los casos, absorben fotones, impidiendo que abandonen la atmósfera).

Finalmente, nuestro CO2 molécula liberará estos fotones. A veces, los fotones continúan hacia el espacio. Pero otras veces, regresan a la atmósfera de la Tierra, donde su calor permanece atrapado.

Y lo que es más importante, los gases de efecto invernadero no absorben todos los fotones que se cruzan en su camino. En cambio, en su mayoría captan fotones que salen de la Tierra hacia el espacio. "CO2 las moléculas absorben luz infrarroja en unas pocas longitudes de onda, pero la absorción más importante es la luz de unas 15 micras ”, dice Kroll. La luz entrante del sol tiende a tener longitudes de onda mucho más cortas que esta, por lo que el CO2 no impide que esta luz solar caliente la Tierra en primer lugar. Pero cuando la Tierra reemite esta luz, 2 tiene una longitud de onda más larga, en el espectro infrarrojo.

Y el rango de longitudes de onda de alrededor de 15 micrones es una ventana particularmente crucial. El gas de efecto invernadero más común, el vapor de agua, no absorbe eficientemente fotones en este rango. Entonces, cuando CO2 captura fotones con longitudes de onda de alrededor de 15 micrones, está seleccionando la misma luz que normalmente tiene el tiempo más fácil para escapar de la atmósfera de la Tierra.

Hay otra razón por la que el CO2 es un gas de efecto invernadero tan importante: tiene una larga vida atmosférica. Esto tiene que ver con la forma en que el CO2 reacciona (o mejor dicho, no reacciona) con la atmósfera. “La atmósfera es un entorno muy oxidativo debido a la presencia de oxígeno y radiación ultravioleta”, dice Kroll. La oxidación ocurre cuando el oxígeno roba electrones de otro átomo; es la misma reacción química que hace que el hierro se oxide. El metano, otro gas de efecto invernadero, reacciona fácilmente con el oxígeno, que lo elimina de la atmósfera en unos 12 años. Eso es lo suficientemente largo como para afectar el clima, pero no se acerca a la vida útil del CO2, que no reacciona con el oxígeno y puede durar más de un siglo.

CO2La larga vida útil es la razón clave por la que las actividades humanas están provocando el cambio climático. A medida que seguimos extrayendo compuestos a base de carbono como el carbón y el petróleo del suelo, y colocamos ese carbono en la atmósfera en forma de CO2, el CO añadido2 se acumula mucho más rápido de lo que se puede eliminar de forma natural.

Gracias a Brittney Andrews de Clearlake, California, por la pregunta. Puede enviar su propia pregunta a Ask MIT Climate aquí.


Atracción virtual

El otro día me alegré de ver que no estaba solo en mi perplejidad acerca de cómo el llamado intercambio de bosones (como & # 8220 portadores de fuerza & # 8221) produce tanto repulsión como atracción. Modelado en mecánica clásica como partículas en la teoría cuántica de campos (QFT) como campos de bosones gauge & # 8212 campos de fuerza. En el caso de campos electromagnéticos (EM), estos son fotones.

En física un campo de fuerza es un campo vectorial que describe una fuerza sin contacto que actúa sobre una partícula en varias posiciones en el espacio.

Otras formas de hacer esta pregunta en foros en línea son:

  • QED y atracción y repulsión electrostática.
  • ¿Cómo provoca atracción el intercambio de fotones virtuales?
  • ¿Cómo son los fotones virtuales responsables no solo de las fuerzas EM repulsivas sino también de las atractivas?
  • ¿Alguien puede explicar cómo funciona la atracción [QFT]?
  • ¿Qué corresponde a un campo estático en QFT?
  • ¿Cuál es la imagen QFT de fuerzas?
  • ¿Derivando la ecuación de fuerza de Coulomb a partir de la idea del intercambio de fotones?

La configuración de esta pregunta proviene de declaraciones como en este artículo de Wiki (a continuación) que cita el libro The New Physics editado por Paul Davies (Cambridge University Press, 28 de agosto de 1992). Un enlace a books.google.com muestra la Sección 15.5 & # 8220Partículas virtuales, & # 8221 que establece que & # 8220La fuerza entre dos partículas cargadas resulta del intercambio de fotones virtuales que llevan impulso pero no energía [masa cero]. & # 8230 para que dos partículas cargadas puedan intercambiar fotones virtuales de impulso arbitrariamente pequeño y desequilibrio de energía dando lugar a la fuerza de Coulomb que tiene un rango infinito & # 8221 [también se incluye un ejemplo de un diagrama de Feynman].

Los fotones median las interacciones electromagnéticas entre partículas en la electrodinámica cuántica. Un electrón aislado a una velocidad constante no puede emitir o absorber un fotón real, hacerlo violaría la conservación de la energía y el momento. En cambio, los fotones virtuales pueden transferir impulso entre dos partículas cargadas. Este intercambio de fotones virtuales, por ejemplo, genera la fuerza de Coulomb.

El comentario sobre este tema en foros en línea es un viaje salvaje desde principios de la década de 2000 y # 8217 hasta 2015 [1]. Los primeros hilos a veces son extravagantes. Modelos de física de partículas. Los posteriores hacen más referencia a QFT (esta es una buena tendencia, según físicos como Sean Carroll). Un diagrama de Feynman muy citado sobre la transferencia fotónica a veces se compara con dos personas lanzando pelotas de baloncesto de un lado a otro, y tal intercambio explica la repulsión general entre cargas similares (electrones). Mmm.

Pero, ¿cómo explica el intercambio de tales bolas la atracción entre cargas diferentes: un electrón y un protón? Hay una gran variedad de comentarios sobre ese punto. Algunos comentaristas usan analogías de pelotas de baloncesto unidas al & # 8220thrower & # 8221 con una cuerda elástica para que la pelota avance pero con una transferencia de impulso negativa. Otros hablan de energía negativa o masa negativa o incluso de retroceder en el tiempo. Pares de antipartículas. Algunos profundizan en las matemáticas (por ejemplo, la teoría de la perturbación) y cómo los vectores probabilísticos dan como resultado una transferencia de momento adecuada.

Como se señaló anteriormente, las partículas virtuales (fotones virtuales) a menudo se citan como clave para cualquier & # 8220mecanismo & # 8221. Muchas de ellas. Eso introduce la noción de fluctuaciones transitorias y líneas internas (términos intermedios) en los diagramas de Feynman. ¿Las & # 8220partículas & # 8221 virtuales siguen las mismas reglas que las partículas reales?

En el punto de vista de la teoría cuántica de campos, las partículas reales se consideran excitaciones detectables de campos cuánticos subyacentes. Las partículas virtuales también se ven como excitaciones de los campos subyacentes, pero aparecen solo como fuerzas, no como partículas detectables.

Entonces, tal vez ese diagrama de Feynman en particular no sea tan útil. Hablar de lanzar pelotas de un lado a otro puede ser demasiado complicado.

Por supuesto, he pensado en esta situación antes. Básicamente, en cualquier caso, atracción o repulsión, debe haber un gradiente de potencial de campo apropiado. Y cualquier modelo (con o sin partículas asociadas sin masa) debe surgir clásicamente como la ley de Coulomb & # 8217 para partículas cargadas y un (vector) eléctrico extendido adecuado. potencial de campo variando inversamente con la distancia.

  • Considere un sistema aislado (idealizado como espacio vacío) que contiene dos & # 8220partículas & # 8221 cargadas libres que se mueven una hacia la otra a velocidades no relativistas.
  • Dos casos: (A) las partículas son electrones (B) una partícula es un electrón y la otra un protón.
  • El modelo QFT emerge al nivel clásico con propiedades de Coulomb & # 8230
  • De tal manera que los gradientes de potencial de campo son continuos y & # 8220 suaves & # 8221 y el movimiento es de potenciales más altos a más bajos. (El desplazamiento de estados de potencial más bajo a más alto es posible si las partículas están restringidas & # 8212 se realiza trabajo en el sistema).
  • Los caminos están definidos por el principio de acción.

Para cada tipo de bosón hay & # 8217s un campo. Dentro de ese campo, los bosones pueden & # 8220 apilarse & # 8221 entre sí. Entonces, podríamos imaginar una distribución de densidad probabilística de fotones (virtuales) tal que el energía (impulso) degradado obedece (emerge como) la ley del cuadrado inverso. Pero eso es un montón de fotones virtuales, eh.

Pero dejemos & # 8217s con un modelo QFT. Muchos cuantos de campo. No es gran cosa, eh. Para dos electrones, los gradientes de potencial EM dan como resultado una fuerza repulsiva neta. El potencial de campo (& # 8220resistance & # 8221) aumenta cada vez más a medida que se reduce la distancia. El principio de acción & # 8220 & # 8221 alinea la fuerza a lo largo de la línea que une las dos cargas. Quizás haya & # 8217s interferencia constructiva & # 8212 superposición cada vez más aditiva de valores vectoriales potenciales (vibraciones cuánticas en la función de onda).

Para un electrón y un protón, puede haber algún tipo de interferencia destructiva cuando sus campos de potencial EM se superponen o el carácter de los campos respectivos es diferente (las líneas de campo de Coulomb apuntan radialmente hacia adentro para una carga negativa y hacia afuera para una carga positiva). El último nos lleva a la primera posibilidad de todos modos (si alguna propiedad como el espín o la fase influyen en la superposición). Una superposición de vibraciones cuantificadas puede ser aditiva o sustractiva. Un potencial de campo neto más bajo entre las partículas produce una atracción & # 8212 muy parecida a la fuerza neta & # 8220 de empuje & # 8221 en las placas de Casimir.

Entonces, ¿hay alguna analogía coloquial que pueda ser útil? No más balística, eh.

La figura muestra la interferencia entre dos ondas esféricas. La longitud de onda aumenta de arriba a abajo y la distancia entre las fuentes aumenta de izquierda a derecha.

[1] Una muestra de comentarios en línea

Evidentemente, todo esto puede explicarse de alguna manera en el (costoso y técnico) libro Quantum Field Theory in a Nutshell: (Second Edition) by A. Zee, como señaló un crítico: & # 8220 Ahora, para que el lector no se confunda, soy un matemático nuevo en la teoría cuántica de campos. Pero debo confesar que nunca esperé entender como lo hago ahora & # 8211 y por p. 36 nada menos & # 8211 por qué las masas atraen! & # 8221

Búsqueda general: campo de Coulomb en QFT

¿Cómo puede el intercambio de fotones generar una fuerza atractiva?

Realmente, lo que sucede es que tanto el electrón como el protón tienen un campo eléctrico unido a ellos porque ambos llevan carga eléctrica. Cuando dos objetos cargados eléctricamente se acercan entre sí, sus campos eléctricos se acumulan, lo que da como resultado un cambio de energía del campo eléctrico, o lo que es lo mismo, una fuerza entre los objetos cargados. Al menos eso es lo que me gusta pensar al respecto.

QED y atracción y repulsión electrostática

¿Las partículas mensajeras de fuerza realmente explican la atracción entre partículas?

Esto ha sido descrito en detalle por Deser, http://arxiv.org/abs/gr-qc/0411026

La conclusión es que las partículas de espín par median las fuerzas de atracción, las partículas de espín impar median las fuerzas repulsivas. Hay que mirar un poco más detenidamente para comprender las aparentes excepciones y cómo encajan.

Re: ¿Cómo causa atracción el intercambio de fotones virtuales?

Creo que el problema con esta analogía es que realmente tienes que imaginar una virtual baloncesto, y reconocer que tiene propiedades diferentes a las de un baloncesto real. Una pelota de baloncesto real se mueve en una dirección y lleva impulso en esa dirección. Cuando atrapas una pelota de baloncesto que viene de tu izquierda, por supuesto que debe tener impulso para empujarte hacia la derecha. Una pelota de baloncesto virtual podría venir hacia ti desde la izquierda, pero llevaría impulso en cualquier dirección.

Richard Feynman fue la primera persona en notar que la ecuación parece la ecuación para el intercambio de partículas, por lo que él (y otros) idearon la descripción de & # 8220 partícula virtual & # 8221 que usamos hoy. (Esa es una línea útil de razonamiento científico: vale la pena señalar qué tan cerca se parece la ecuación de las olas del océano & # 8220 & # 8221 a la ecuación de una cuerda de violín vibrante, o un haz de luz o cómo la ecuación de un condensador de descarga parece el drenaje de un tanque de agua.) La descripción es un poco extraña & # 8212 eso & # 8217 es por qué tienes que aguantar las masas cambiantes, y los momentos de retroceso & # 8212pero esa & # 8217 es la única forma en la que hemos pensado.

¿Cómo son los fotones virtuales responsables no solo de las fuerzas electromagnéticas repulsivas sino también de las atractivas?

Este fenómeno ciertamente no es una imagen tan intuitiva como la que se describe en la pregunta (los fotones se emiten y absorben y, por lo tanto, transmiten el impulso), pero se puede entender de la misma manera. Considere por el momento una partícula con masa negativa, y cómo respondería a un & # 8220push & # 8221 del fotón. De hecho, movería la partícula en la dirección opuesta, provocando la atracción mencionada. Ahora imagine que de alguna manera el hecho de que la carga sea opuesta hace que el fotón virtual se comporte como si la partícula tuviera masa negativa.

Otro comentarista: Los fotones virtuales se denominan fotones & # 8220virtual & # 8221 por una razón. No son reales. Son trucos matemáticos para tratar de dividir cálculos complejos en pequeños fragmentos. Virtual & # 8220particles & # 8221 describen campos estáticos. As such, there is not really any definite particle with a definite location that shoots from one charge to another to deliver the electromagnetic force. Popular media gets this concept wrong all the time. There is just the static electromagnetic field. Like charges repel and opposite charges attract according to how the electromagnetic field operates.

Otro: This is a great question!

If you look at Feynman’s 1949 paper where he introduces virtual photons, he explains them in a surprising way. Basically, he treats the reaction of two charged particles to be directly on each other. The only reason he explains virtual photons is to explain the delayed reaction. So his virtual photons don’t have any photon-like properties that you might expect. They just act as a conduit for the properties of the originating particle, and they introduce a delay.

Now virtual photons also appear in quantum field theory. But quantum field theory preserves the mathematics of the classical theory as much as possible. In this case it means that the electromagnetic interaction is described by a potential, which bends the particle motion much as a gravity potential well bends a planet’s orbit. Quantum field theory doesn’t add much to the classical description except to capture the fact that there is probability involved. For example, if the source of the radiation is an atom, there is a probability that the atom never emitted any radiation, so the atom is still in an excited state and the radiation field is zero.

It’s therefore useful to look at this classically. Suppose that the charges are a long way away (such as a light year), and are held in place so they don’t move. Wait for their emitted electric fields to propagate to each other. Now suppose you release one particle.

The particle starts to move the other particle, but it doesn’t “know” that there is another particle in that direction. All that it can know is that there is a gradient that is pushing is an that direction. It could just as easily be a particle of the opposite charge that pushing it away. No momentum is received from the other particle.

The released particle accelerates, and emits radiation according to the Larmor formula. This radiation is in all directions, but strongest perpendicular to the direction of acceleration. This radiation carries momentum, and if you add it up for all directions it balances the change in momentum of the accelerating particle.

Meanwhile, the other particle is one light-year away, and obviously is not affected at all by recent events such as the acceleration of its partner. If you were to release it, it too would start to move and emit radiation. Momentum and energy will be conserved.

This new theory was the quantum theory of *fields*, from which anti-particles are a necessary consequence if you want to have certain conserved quantum numbers…something that observation tells us we should have. This is the framework from which I was working in my repsonse to the original question. Using this framework, we *do* see how particles can attract (and repel) each other via mediators. In fact, you can construct a measurable (macroscopic) electrostatic potential with a basis of positive energy photons as we should be able to do if we are to make contact with the macroscopic world…this potential is the one coming from the classical Maxwell equations.

What corresponds to a static field in QFT

For example for quantized EM field the Hilbert space is made up of photon states which correspond to EM waves classically. However what corresponds to static EM field in QFT? It can’t live in the Hilbert space of photons because any superposition of photon states will still correspond to a traveling EM wave (wave packet).

In the Hilbert space of free-particle photon states, all the photons are transverse. There are also photons with longitudinal and timelike polarizations. Even after imposing a gauge condition, these photons can exist as virtual particles, and do appear in the interaction jμAμ, and therefore can’t be completely dispensed with.

A static EM field has no real photons. The energy between two charges can be calculated by perturbation theory involving virtual photons. To order alpha, this gives the classical EM interaction potential. To higher order, it gives the Lamb shift, etc.

In quantum field theory, a static field is a stationary e/m field whose expectation is independent of time. Photon states arise from the quantization of the fluctuations of the e/m field and are always transverse and real. Longitudinal or virtual photons never enter the picture. Both are fictions stemming from an inadequate interpretation of the QFT formalism that takes perturbative expansions literally.

It sounds like your more general underlying question is: “How do we think about classical electromagnetic fields from the perspective of QED?” In particular, which configuration of quantum fields in QED do we associate with classical fields? How do we derive Maxwell’s equations for these classical fields, using the QED equations of motion for the corresponding quantum fields? How do we derive the Lorentz force law describing the force on electrons?

The basic answer is that classical fields are best represented by coherent states in QED. These states are an infinite superposition of photon number states — that is, there’s nonzero probability of finding any number of photons. (In particular, probabilities for different photon numbers obey Poisson statistics.) The expected value of the electromagnetic field operators for these states corresponds to what we’d classically call the values of the electromagnetic field, and these expected values obey classical Maxwell equations.

A more direct answer to your immediate question: the classical field produced by a static charge corresponds to a quantum field (a coherent state) with high photon number. You point out that single photons are associated with traveling waves, yet somehow we have a static field. There’s no contradiction because the coherent state is a superposition of many such traveling waves and thus has different behavior. Another charge placed nearby will interact with this photon field.

The Coulomb repulsion is a term in the Hamiltonian, not a quantum field.

The transverse part is in the field, the longitudinal part in the Hamiltonian. http://en.wikipedia.org/wiki/Coulomb_gauge#Coulomb_gauge

Thanks for the reference, this seems to answer my question:”It is particularly useful for “semi-classical” calculations in quantum mechanics, in which the vector potential is quantized but the Coulomb interaction is not.”

What is the QFT picture of forces?

Look at the Hamiltonian of QED. It has three terms, one for the electron, one for the EM field, and an interaction term that is like A ⋅ J A ⋅ J . The virtual photons that exchange energy between the field and the matter live in the interaction term.

But it would also be interesting to know how the Coulomb force acts through photons. At some point I will dive into QFT, but for know I was hoping to get a rough answer about what happens when two charges interaction. I mean where/when are there photons? How is momentum conserved?

Deriving the Coulomb force equation from the idea of photon exchange?

The exchange of photons gives rise to the electromagnetic force

What I am getting at is that a single electron doesn’t produce any EM field until it meets another charged particle! Actually, this should make sense if you think about it for a while. How do you detect there is an electron if nothing else at all is present? The simple answer is: you’re out of luck, you won’t detect it. You always need some test particles. So the classical picture of an electrostatic EM field of a point particle describes only what would happen if another particle would be inserted in that field.

Well, turns out all of the above talk about particles (although visually appealing and technically very useful) is just an approximation to the more precise picture of there existing just one quantum field for every particle type and the huge number of particles everywhere corresponding just to sharp local peaks of that field. These fields then interact by the means of quite complex interactions that reduce to the usual particle stuff when once look what those peaks are doing when they come close together.

In a classical framework yes the em force is “always there”. This is not true in a quantum description.


Physics question.

Seeing as where I'm from, physics ain't math (though still a pain in the rear). What happens to a photon when it hits something? Does it stop, cease to exist, pass on thru, love to eat human brains..what? Are my photons virgin, or are they recycled, or even the original photon?

#2 Montanaman

For same answers to some of your questions, you might start here:

#3 Alex McConahay

>>>>>>>What happens to a photon when it hits something? Does it stop, cease to exist, pass on thru, love to eat human brains..what? Are my photons virgin, or are they recycled, or even the original photon?

The energy of the photon is absorbed by an atom. This causes one or more electrons to bounce up to a higher state of excitation. After some time (maybe very little time), the electron bounces back down. This emits another photon.

The photon you see as a star, for instance, comes directly from the very far away star and hits the back of your eyeball. There it excites an atom and that excitation is sensed by a nerve that carries the message to your brain (to make a long story short). So, yes, the photon that hits your eyeball comes all the way from the star. Other photons that were emitted by that star at the same time may hit dust, another star, or something else. If it hits dust, it excites the dust (excites an atom in the dust), and the dust then gives off a different photon. That other photon may come to your eye and be seen as "nebulosity."

Short answer. hope it helps.

#4 PirateMike

In physics there are so many fundamental questions that we do not know the answers to. Things are so strange in the realm of the very small that common knowledge is no help in determining anything. As hard as I try to understand as much of it as I can, it still takes me a while to grasp many of the facts. Some I will never understand, that is why the brighter bulbs of this world are working in physics while I am here writing this post.

#5 sg6

Usually the theory goes that when a photon hits something, it gets absorbed, mind you hitting something means hitting an atom. The photon gets absorbed and the energy state of the atom rises.

This would seem to be two options, the atom moves more so gets "hotter". The other is that an electron jumps up into a higher energy level, where it sits (briefly) then drops back and emits another photon, the direction of this photon is independant of the incoming (absorbed) photon.

Very few bore through and eat the human brain. Means this has a few options: Human brains do not taste good, human brains too dense to eat into, human brains mainly empty and the expenditure to eat is not worthwhile. Many people have a natural and almost perfect defense to these brain eating photons. A thick skull.

Some photons are recycled, ones from the core of the sun are said to take about a million years to get out of the core, they are absorbed and reemitted many times over before they escape out and go looking for a brain. Many of these will get absorbed in the various solar layers as they come out.

I suppose that all emissions from nebula are absorbed and reemitted. Something like the Crab nebula is excited by the neutron star at it's core which excited the atoms and these drop back emitting at the specific wavelengths, Ha, OIII etc, Orion nebula is excited by the emissions from the young stars present there.

The assumption here is that the photon is acting primarily like a partical or packet rather then principally as a wave.

#6 TCW

I am pretty sure the photon will be re-emitted in the infrared as heat.

#7 EJN

As stated above, photons interact with the electrons in a atom. In an ionized gas where there

are free electrons, photons interact with the electrons in what is called "Compton scattering"

which is the reason photons from the core of the Sun take so long to reach the photosphere,

because the Sun is a big ball of ionized gas.

In quantum field theory, the absorption of a photon is described (mathematically) by an

annhilation operator, and the emission of a photon by a creation operator. When a photon

is absorbed, it essentially ceases to exist but the energy it carries is conserved.

#8 stardustborn

So we willingly search out photons from far away to mess with the electrons in our eyeballs which then disturb our brains.

Edited by stardustborn, 05 September 2016 - 06:53 PM.

#9 Alex McConahay

>>>>>>>So we willingly search out photons from far away to mess with the electrons in our eyballs which then disturb our brains.

Generally correct, but you have the sequence a little backwards. We start with our brains already disturbed. The photons do not really disturb us much more.

Oh, and you did not spell "eyeballs" correctly. But that is to be understood.

#10 PeterR280

Imagining photons as a bunch of little balls flying off a star and traveling as discrete particles to your eye is not a proper view of a photon. Light being emitted from a star is electromagnetic radiation just like radio waves. When the radiation at the very short wavelength of light hits an atom, it is absorbed as a quantum of energy, or bundle of energy which is called a photon. Einstein got his Nobel prize for developing this idea for how light is absorbed and emitted by atoms.The interaction between the photon and the atom takes place just like a particle hitting the electron and knocking it to a higher energy level. At high enough energy, even two photons can interact with each other and produce matter/ anti-matter pairs. But the detection of the photon requires an interaction, and until the interaction it behaves as a wave and follows the rules of how waves behave.

If you take an electric charge and move it back and forth, you will create electromagnetic radiation. (run a plastic comb through your hair until it develops a charge and wave it back an forth.) The charge has an electric field that permeates all of the space surrounding it. When you move the charge, you disturb the electric field and that disturbance travels out at the speed of light as electromagnetic radiation. Light is no different, except the frequency of how fast you would have to move the charge back and forth is much higher.

Let's say there is a very distant star that you are looking at through your telescope, but the light is so faint that it is being absorbed as one photon per second by your eye. That single photon is associated with the entire wavefront hitting the whole surface of the lens on your telescope. It follows the rules of diffraction (using Huygens principle) and refraction. You can't view the photon as a little ball that hit a particular spot on the lens, got diverted a bit and finally made it to your eye.

The dual nature of how particles behave at quantum levels, is not at all intuitive and is very difficult to understand in our own human terms and the way we perceive the universe.


Ver el vídeo: PETCT: fotones, electrones, positrones y una valiosa imagen médica (Noviembre 2022).