¿Cuáles son las diferencias e interrelaciones entre el campo electromagnético, las ondas electromagnéticas, las funciones de onda y los fotones?

Bueno, en física clásica tenemos campos eléctricos y magnéticos, como por ejemplo hechos por un imán ordinario. A menudo se trata simplemente como un campo, el campo electromagnético. Ciertos procesos pueden comenzar una ola en el campo de modo que el campo simplemente se aleje propagándose incluso cuando la fuente original ya no esté activa (como las ondas de agua todavía se mueven a través del estanque después de que dejas de patear el agua). Esto es ondas electromagnéticas.

Ahora viene la mecánica cuántica que dice que cualquier tipo de vibración u onda debe cuantificarse, que a veces se comporta como si estuviera hecho de partículas individuales. Las partículas de las ondas electromagnéticas se llaman fotones.

También se aplica a todas las otras ondas, incluso si están hechas de otra materia, como el sonido. El sonido es una onda en el campo de presión y velocidad de alguna materia. Las partículas de sonido se llaman fonones.

Otras partículas también resultan ser la cuantización de un campo. Los electrones son las partículas del campo de electrones, y así sucesivamente.

La forma del campo de una determinada partícula se llama función de onda de las partículas. La forma del campo electromagnético es la función de onda de los fotones, la forma del campo eléctrico es la función de onda de los electrones, etc.

Comenzamos pensando en la radiación electromagnética como ondas y los electrones como partículas, pero resultó que cada uno tiene exactamente la misma cantidad de “ondulación” y “partícula”. Son perturbaciones (ondas) en los campos, cuantificadas de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica.

Trataré de responder esto tan claramente como pueda.

El campo electromagnético (un campo eléctrico o magnético) está hecho de algo llamado fotones virtuales (fotones que realmente no existen, existen solo por un corto período de tiempo para no violar las leyes de conservación). Todas las partículas cargadas tienen tal campo a su alrededor y estos campos son estáticos a medida que los fotones aparecen y desaparecen en el área. Las líneas de campo son líneas de fuerza realizadas en el campo estático. Un campo magnético es lo mismo que un campo eléctrico pero en un marco de referencia móvil (contribuciones de SR aquí). Una carga en movimiento tiene ambos campos y estos se denominan campo electromagnético. Estos campos no son campos en el sentido de la teoría cuántica de campos. Son campos estáticos. En QED y el modelo estándar, solo existe un campo de fotones (bosón) y un campo de electrones (fermión). Lea el QED de Feynman para más información sobre esto

Las ondas electromagnéticas se forman cuando los campos magnéticos y los campos eléctricos se acoplan y viajan en la dirección perpendicular a ambos campos. Estas ondas tienen naturaleza de partículas y de ondas. Un fotón real es un quanta (la partícula) de dicha onda y no tiene masa, lo que significa que no pueden viajar a una velocidad inferior a c. Las ecuaciones de Maxwell describen mejor estas ondas y también especifican el valor de la velocidad de tales ondas.

La función de onda es la ecuación de distribución de probabilidad que describe la posición del fotón en cualquier parte del espacio-tiempo. Es muy difícil de describir ya que los fotones no tienen masa en reposo. Las funciones de onda de fotones son un tema muy discutido que necesita más claridad. La simetría de indicador en el modelo estándar también puede ayudarlo a comprender este fenómeno.

Página en nist.gov
Página en physics.utoronto.ca

Los fotones (reales) son cuantos de ondas electromagnéticas . Ellos (virtuales) también son bosones de calibre de la fuerza electromagnética (una de las fuerzas fundamentales que surgen de la ruptura espontánea de la simetría SU (2) xU (1) de electrohielo por el Higgs después de la época del quark cuando el universo caliente se enfrió). La fuerza se realiza a través del intercambio de estos fotones. No tienen masa, su rango de fuerza es infinito, lo que no se ve debilitado por el campo de Higgs, de hecho, son los restos del grupo de indicadores que han sufrido una ruptura de simetría. Esto es de acuerdo con QFT.