Bestehen EM-Felder aus Photonen oder sind sie fundamental?

Aus heutiger Sicht ist das quantenelektromagnetische Feld das fundamentale Objekt. Die elementaren Anregungen dieses Feldes nennt man Photonen. Quantenfelder sind sehr komplizierte Objekte, aber unter bestimmten Umständen, wo es viele Photonen gibt, können sie ungefähr durch ein klassisches Feld beschrieben werden, das sogenannte klassische elektromagnetische Feld, das einfach jedem Raumzeitpunkt ein paar Zahlen zuweist. Dies ist das Gebiet, das Maxwell studiert hat.

Hier gibt es also keinen Widerspruch. Es gibt zwei Begriffe von „elektromagnetischem Feld“, die in Bezug auf Photonen einen grundsätzlich entgegengesetzten Status haben.

Welches ist richtig, bestehen EM-Felder aus Photonen oder sind sie grundlegend?

Ein klassisches "elektromagnetisches Feld" kann nicht so definiert werden, wie klassischerweise ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld (oder ein Gravitationsfeld) definiert wird. Man braucht ein Testteilchen, um die Stärke des Feldes zu messen, und ich kann kein Testteilchen definieren, das die Stärke der elektromagnetischen Strahlung misst. Man kann ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld an einem Punkt in der Raumzeit definieren, und die Maxwell-Gleichungen verbinden sie als eine Einheit, die sich je nach Geschwindigkeit des Beobachters unterschiedlich verhält. Zwei verschiedene Arten von Testteilchen sind notwendig, um elektrische und magnetische Felder zu testen, und das ist Teil der Verwirrung.

Da nach heutigem Kenntnisstand alles Klassische aus der zugrunde liegenden quantenmechanischen Ebene hervorgeht, sind zunächst die Photonenteilchen grundlegend, die in der Quantenfeldtheorie durch ein Photonenfeld repräsentiert werden, auf dem Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren die eigentlichen Photonen erzeugen.

Sowohl die klassischen Maxwell-Gleichungen als auch die quantenmechanischen sind mathematische Modelle. Es wurde mathematisch nachgewiesen , dass die klassischen Felder aus den quantenmechanischen hervorgehen, und es gibt eine glatte Kontinuität, die von Teilchen (Photonen) zu elektromagnetischen Wellen (klassisch) führt. Es kann auch gezeigt werden , dass im Grenzfall des statischen Verhaltens diese Kontinuität existiert und virtuelle Photonen statische Felder mathematisch modellieren können.

Als Physiker akzeptieren wir, was die rigorosen mathematischen Modelle vorhersagen und beschreiben, solange es keine experimentelle Fälschung gibt. Grundlegend ist also zu diesem Zeitpunkt das Photonenfeld mit seinen Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren (ein Operatorfeld). Virtuelle Photonen sind ein Preis für die Anwendung der Mathematik, da sie nicht gemessen werden können, aber was die Theorie betrifft, hängt das Ganze ohne experimentelle Verfälschungen zusammen.

Nun, Sie bewegen sich auf dem Rand dessen, was eher als philosophischer Rand der Physik denn als absolut angesehen werden könnte. Eine sich im Raum bewegende Ladung bewirkt tatsächlich, dass ein Feld in die eine oder andere Richtung strahlt, und dies ist das elektrische Feld in seinem angeregten Zustand, in dem Photonen Anregungen dieses Felds sind. Ein statisches elektrisches Feld neige ich jedoch dazu, einfach zu akzeptieren, dass ein Potentialgradient Raum ist. Es ist eine Region, in der andere darin platzierte Ladungen eine Kraft auf sich selbst spüren.

Ein statisches elektrisches Feld ist das elektrische Feld in seinem Grundzustand, seinem nicht angeregten Zustand, hier erzeugt das Feld keine Photonen.