¿Hay un límite a la cantidad de fotones que podría haber en una unidad particular de espacio y, de ser así, cómo se determinaría?

Answer 1

Respuesta corta:

La respuesta corta es no, no hay límite para el número de fotones que pueden ocupar una sola región del espacio. Los fotones se clasifican como bosones, que no siguen el principio de exclusión de Pauli, y no hay límite a la cantidad de bosones que pueden ocupar el mismo estado cuántico. Si estás de acuerdo con la equivocación de “estado cuántico” con “región en el espacio”, entonces tienes tu respuesta.

Respuesta larga:

La respuesta larga se vuelve un poco filosófica. ¿Qué es un ‘fotón’? Recuerda la dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre. No es útil pensar en los fotones que existen en un lugar específico. En el vacío, es mucho más útil pensar en la radiación electromagnética en términos de campos eléctricos y magnéticos. Es solo cuando la luz interactúa con la materia que se discretiza. (Piense en el descubrimiento del efecto fotoeléctrico, ganador de la nobleza de Einstein. Antes de esto, no había ninguna razón para pensar en la luz como partículas).

Teniendo esto en cuenta, la pregunta cambia de “¿existe un límite a la cantidad de fotones que pueden caber en una unidad particular de espacio?” Hay un límite a la amplitud del campo eléctrico en una unidad particular de espacio “. De hecho hay! Si ese espacio está ocupado por la materia, un campo eléctrico en aumento puede cambiar mucho esa región del espacio ionizando la materia y creando plasma. Si ese espacio es vacío completo, entonces esto no es un problema.

Sin embargo, un físico de partículas podría informarle sobre “partículas virtuales”, como los pares electrón-positrón, que rara vez son generados espontáneamente por los fotones. Esto permite potencialmente que los fotones interactúen entre sí, en formas que no pueden clasificarse como bosónicas.

Con alta energía, lo que es un fotón en un momento es un par de partículas exóticas al siguiente. La clasificación técnica de las partículas se vuelve menos relevante que la cantidad de energía involucrada.

De hecho, se piensa que la radiación de Hawking proveniente de los agujeros negros es causada por la división de los fotones en pares electrón-positrón, con una partícula cayendo en el agujero negro y la otra escapando a alta velocidad. Es la radiación de Hawking la que limita el tamaño de los agujeros negros y, por lo tanto, la densidad de energía máxima alcanzable en este universo. Al explorar la densidad de energía máxima de los agujeros negros, tal vez uno podría determinar el número máximo de fotones en una unidad de espacio.

Answer 2

En resumen hay un límite. Pero el límite se basa en el hecho de las curvas de la energía del espacio. Si pones más de una cantidad crítica de energía en un volumen de espacio, se colapsará en un agujero negro.

Es un poco más complicado que eso, si todos los fotones se mueven en la misma dirección, entonces no hay masa en reposo, y no hay colapso. Pero ahí es donde entra en juego el principio de incertidumbre. Nunca puedes estar seguro de que todos los fotones se mueven en la misma dirección, o incluso cuántos fotones hay.

Así que hay un límite, pero es increíblemente enorme, y no estoy seguro de la forma correcta de calcularlo. Dado que estaría más allá de las energías del modelo estándar, probablemente no haya una forma acordada de proceder con un cálculo. Sin embargo, puede calcular un orden de límite de magnitud cuando la dirección de los movimientos se distribuye uniformemente en todas las direcciones.

Answer 3

No. Hay algo llamado el Principio de Exclusión de Pauli que prohíbe que los cuantos de materia (electrón, protón, etc.) se acumulen uno encima del otro, pero esto no se aplica a los campos de fuerza. Es por eso que los fotones, que son cuantos del campo electromagnético, pueden acumularse y alcanzar el límite clásico. Aquí hay un extracto del capítulo 10 de mi libro. (Puedes leer todo el capítulo gratis en quantum-field-theory.net/chap10).

Principio de exclusión . El principio de exclusión establece que dos cuantos de campo con espín de medio entero (llamados fermiones después de Enrico Fermi) no pueden estar en el mismo estado cuántico. Esto explica por qué los cuantos de la materia (electrones, protones, etc.) se ven solo como entidades separadas. También explica por qué cada electrón en un átomo debe estar en un estado cuántico diferente (como se describe en el Capítulo 6) y por qué hay un límite en el número de neutrones en un átomo (consulte “Un balance delicado” en el Capítulo 4).

Cuando Wolfgang Pauli introdujo el principio de exclusión en 1925, fue solo una suposición, un postulado empírico. Es solo en QFT que este importante principio tiene una base teórica. Es una consecuencia del teorema de las estadísticas de espín .

En mi artículo original subrayé la circunstancia de que no podía dar una razón lógica para el principio de exclusión o deducirlo de supuestos generales … Si buscamos una explicación teórica de esta ley, debemos pasar a la discusión de la mecánica de onda relativista. . – W. Pauli ( conferencia del Nobel , 1945)

Límite clásico . El principio de exclusión no se aplica a los cuantos de campo de fuerza (llamados bosones después de Satyendra Bose), que tienen un giro entero. Pueden superponerse y acumularse. Aunque cada cuanto actúa individualmente, si hay muchos presentes, el efecto es el mismo que el de un campo clásico.

Answer 4

Todo el universo estaba contenido dentro de una singularidad del tamaño de un átomo, así que debe haber, antes del tiempo y el espacio, que todo fuera una cosa. Por lo tanto, sugeriría que el límite no es ilimitado, sino el tamaño de la singularidad. Antes de los fermiones, la singularidad debe haber sido todo tipo bosón.
La materia oscura / el horizonte de sucesos de los agujeros negros puede ser, de hecho, fotones que se descomponen en ondas gravitacionales y forman un frente de onda con reacción de gravitación y la pérdida de energía en un agujero negro se debe realmente a esto y no a la radiación de Hawkin. Si la singularidad que ahora se convirtió en masa, energía y espacio y contenía el potencial para las tres formas de manera similar a un cubo de hielo, contiene el potencial de tres formas de agua: líquido sólido y gas, y si el espacio aumenta, la energía total general del universo debe disminuir Entonces, al final, todos los fotones serán absorbidos por las masas, ya que las masas emitirán ondas gravitacionales y, por lo tanto, al igual que la singularidad, ningún fotón será libre porque se habrán convertido en ondas gravitacionales.

Answer 5

Teóricamente, dado que los fotones no están sujetos al principio de exclusión de Pauli, no hay límite en la cantidad de fotones que podrían ocupar el mismo espacio.

Sin embargo, los fotones transportan energía, así que si acumulas suficientes de ellos en el mismo espacio, su densidad de energía eventualmente sería suficiente para colapsar en un agujero negro.

Ver también las respuestas de Barak: Mecánica cuántica.

Answer 6

No, los fotones son bosones. Es decir, tienen un giro entero (específicamente, tienen un giro de (1 * 6.626 * 10 ^ -34 J * s) / (2 * pi)). Las partículas con espín entero, o bosones, pueden ocupar el mismo espacio y superponerse entre sí. Los fermiones (partículas con n / 2 de giro entero o ((n / 2) * 6.626 * 10 ^ -34 J * s) / (2 * pi)), por otro lado, no pueden ocupar el mismo espacio a menos que tengan un espacio diferente. Estado cuántico (por ejemplo, espines alineados en forma opuesta). Protones, neutrones y electrones son todos fermiones.

Answer 7

Bueno, el límite, si lo hay, es real, muy alto. Por ejemplo, cuando una supernova se convierte en “kaboom”, se liberan muchos fotones. Tantos, que he oído, si nuestro sol lo hizo, está a nuestra distancia como una bomba atómica que se dispara a una pulgada de tu globo ocular. Eso es mucha energía. Eso es como 10 ^ 44 julios. A una billonésima parte de un Joule por fotón, eso es 10 ^ 53 fotones. Todo sale de aproximadamente 1 / 1000o del volumen del sol.

Answer 8

Para un fotón, no hay espacio, tiempo o materia.