Si el fotón y el electrón son puntuales, ¿cómo pueden colisionar?

Gracias por hacerme esta pregunta, que es una gran pregunta.

Cuando nos referimos a un fotón o electrón como un punto, de hecho es una aproximación para simplificar nuestros cálculos. Debe recordar que ambos son en realidad campos cuánticos, que tienen propiedades de onda de partículas en virtud de sus momentos y la longitud de onda habitual o de De Broglie (http: //hyperphysics.phy-astr.gsu…).

Lo que es realmente importante aquí son dos variables, una, la energía (que tiene tanto la energía en reposo como el impulso) y la función de onda.

Una vez que estas o cualquiera de estas partículas colisionan, lo que realmente está sucediendo es que su centro de masa está colisionando, lo que es en verdad una interacción entre sus amplitudes de probabilidad y sus energías. Esto es lo que es una colisión de partículas elementales y su probabilidad se conoce como una sección transversal, a diferencia de las colisiones macroscópicas, como las de un automóvil y una camioneta, que son deterministas y chocan dos cuerpos reales.

Por ejemplo, cuando un electrón interactúa con un positrón, parece una colisión en el marco del laboratorio, pero en realidad es una interacción electromagnética (mediada por un intercambio de un fotón virtual) entre las dos partículas en su marco COM, lo que resulta en emisión de dos fotones antiparalelos (reales). A continuación se adjunta una figura de la interacción que se muestra con la ayuda de un diagrama de Feynman.

Espero que quede claro. Si no, hablemos más a fondo.

“Colisionar” es simplemente una analogía macroscópica. Para un punto como las partículas, la interpretación adecuada es que interactúan fuertemente incluso sin contacto, ya sea para cambiar drásticamente sus caminos o para crear nuevas partículas.

Una cantidad análoga para estos procesos al tamaño del objeto macroscópico es la “sección transversal de dispersión”. Describe aproximadamente una escala característica dentro de la cual una partícula puede dispersar fuertemente a otra. Incluso para partículas puntuales que no tienen tamaño por sí mismas, la sección transversal de dispersión puede ser distinta de cero.

Debido a que la interacción fundamental no es una colisión entre partículas, es un producto de campos cuánticos. El campo de electrones puede estar en un estado excitado que llamamos “partícula”, y luego ese estado tiene una amplitud de probabilidad para intercambiar energía con el campo de fotones, excitándolo o desexcitándolo, lo que podemos llamar emisión o absorción de un fotón.

En algunas situaciones especialmente preparadas, las excitaciones de “partículas” entrantes y salientes tienen un impulso bien definido, y podemos pensar en ellas como partículas puntuales que entran, interactúan con un intercambio de impulso que consideramos una colisión y luego se van. ¡Pero no piense en esa situación artificial / inusual como lo más fundamental o general que pueden hacer los campos!

¡Esta es una muy buena pregunta! Primero, aclaremos por qué es sorprendente que las partículas puntuales puedan colisionar. Un argumento obvio es que la sección transversal de la colisión es proporcional a un cuadrado de radio efectivo. Tal radio efectivo depende del tipo de interacción entre partículas y de su distribución en el espacio. Por lo tanto, si el radio efectivo es cero, ¡no hay colisiones! Se puede argumentar que las partículas puntuales pueden tener un radio de interacción distinto de cero, está determinado por un radio de interacción entre partículas. Esto es cierto, de hecho, tanto en la mecánica clásica como cuántica, a menudo tratamos con partículas puntuales que interactúan con fuerzas de cierto rango. Pero en caso de interacción fotón-electrón, ¡la situación es diferente! ¡No hay fuerza entre el electrón y el fotón que depende de la distancia entre ellos (estrictamente hablando, tampoco existe una coordenada de un fotón)! La dispersión de electrones y fotones es un ejemplo de tipo de interacción más general. Corresponde a un proceso de absorción y creación de fotones por electrones. Tal proceso no tiene un análogo en el problema de 2 cuerpos en física clásica o mecánica cuántica no relativista. “Necesitamos” dos propiedades de la naturaleza para hacer posible este proceso, a saber, las propiedades de onda de las partículas y la posibilidad de crear partículas desde el vacío (o aniquilarlas).

Porque interactúan a distancia a través de interacciones de largo alcance, como se señala en varias respuestas. Entonces, estas son las interacciones de largo alcance, principalmente las electromagnéticas en este caso, lo que les hace cambiar sus trayectorias o transformarse cuando se encuentran con otras partículas. El Sol y la Tierra también interactúan en distancias mucho más grandes que sus radios.

Descubrimientos Científicos Santilli 1

Porque no están modelados como bolas de billar. Pueden actuar el uno sobre el otro ‘a distancia’ mediante el intercambio de partículas virtuales.

Un fotón no es una partícula puntual ya que el principio de incertidumbre de Heisenberg insistiría en una incertidumbre infinita en el momento para las partículas puntuales.

Creo que no es saludable pensar así porque estamos usando palabras y conceptos clásicos para describir cosas que claramente no son clásicas.