Volumen eines Photons?

Ich verstehe, dass Photonen, wie die anderen Elementarteilchen, Punktteilchen sind und technisch gesehen keine eindeutigen Grenzen haben.

Protonen und andere baryonische Materie haben jedoch einen mittleren Atomradius oder "Ladungsradius".

Aber weil baryonische Materie aus Elementarteilchen (nämlich Quarks) besteht; was bedeutet, dass es ein gewisses Volumen gibt, auf das Quarks grundsätzlich beschränkt sind.

Haben andere Elementarteilchen, nämlich Photonen , solche Volumina, wenn auch vage?

Ich frage wegen meines Verständnisses der Quantisierung. Wenn Photonen kein "Volumen" haben, können dann nicht unendlich viele Photonen im selben Raum existieren? Sollte es nicht einen Bereich um ein Photon geben, den es für sich behält? (Vielleicht nicht einmal unbedingt Photonen, sondern beliebige Elementarteilchen).

Protonen und andere Baryonen sind keine Elementarteilchen. Sie sind aus Quarks aufgebaut und haben daher eine Unterstruktur.
Was den dichten Teil Ihrer Frage betrifft, möchten Sie vielleicht nach "Bose-Einstein-Kondensat" suchen. Bosonen (Teilchen mit ganzzahligem Spin; einschließlich Photonen) sind vom Pauli-Ausschlussprinzip nicht betroffen und Sie können beliebig viele in einen einzigen Quantenzustand versetzen.
@dmckee Ich weiß, dass Baryonen keine Elementarteilchen sind, sondern aus ihnen bestehen. Ich meine, da sich Quarks zu einem Proton verbinden, hat das Proton ein (fast) konstantes Volumen. Die oberen Grenzen des Quarkvolumens können also durch das Volumen des Protons oder anderer baryonischer Teilchen beschrieben werden. Ist das falsch?
Viel kleinere Skalen werden in tiefinelastischen Streuexperimenten untersucht. Quarks haben wie Elektronen und andere Leptonen keine bekannte Größe und sind theoretisch punktförmig. Ich denke nicht, dass die experimentelle Grenze für Quarkgrößen so gut ist wie die für Elektronen, aber sie ist viel kleiner als ein Proton.

Antworten (2)

Im Quantenregime hängt die Antwort auf solche Fragen wirklich davon ab, was Sie unter „Volumen“ verstehen.

Ein Photon hat kein Volumen in dem Sinne, dass es theoretisch in einem beliebig kleinen Raumbereich eingeschlossen werden kann. Obwohl eine solche Begrenzung dazu führen würde, dass das Photon extrem hohe Energieschwankungen aufweist (im Wesentlichen aufgrund des Unschärfeprinzips), so dass für extrem kleine Größen wahrscheinlich etwas anderes passieren würde, wie Paarbildung im Vakuum oder ähnliche komplizierte Effekte der Quantenfeldtheorie.

Ein Photon kann auch ein beliebiges Volumen haben, wenn Sie sich das Volumen als den Bereich des Raums vorstellen, in dem Sie das Photon sicher erkennen können: Ein Photon kann jede Form und Größe haben.

Gemäß dem letzten Teil Ihrer Frage ist es durchaus möglich, eine beliebig große Anzahl von Photonen im selben Zustand zu haben, also insbesondere eine beliebig große Anzahl identischer Photonen in derselben identischen Region im Raum. Dies ist eine allgemeine Eigenschaft von bosonischen Teilchen , und das Phänomen wird als Bose-Einstein-Kondensation bezeichnet .

Ich bin mir Ihrer Aussage nicht sicher, dass ein eingeschlossenes Photon große Energieschwankungen aufweisen wird. Ein Hohlraum im Raum kann klein gemacht werden, aber das Feld im Inneren hat eine einzige wohldefinierte Frequenz. Das räumliche Feldmuster (Lösung der Helmholtz-Gleichung) ist begrenzt, aber eine einzelne Frequenz wurde bereits angenommen, als die Helmholtz-Gleichung niedergeschrieben wurde.

Nach heutigem Kenntnisstand (dh soweit das Standardmodell der Teilchenphysik konstruiert ist) werden die Teilchen als „Anregungen“ eines die Raumzeit durchdringenden Feldes beschrieben. Nun, die interagierenden Terme, die wir in Gleichungen niederschreiben, die das Modell beschreiben, sind lokale Funktionen der Felder, dh sie hängen nur an einem Punkt vom Wert des Feldes ab.

Sätze wie „da ist ein Elektron/Photon/anderes Elementarteilchen “ sind gemeint X "bedeutet wirklich "es gibt eine Erregung des entsprechenden Feldes an einem Punkt X ". In diesem Sinne ist das Aufschreiben einer lokalen Wechselwirkung gleichbedeutend damit, Teilchen als punktförmig zu denken, und beim gegenwärtigen Stand der Experimentalphysik gibt es keinerlei Hinweise auf irgendeine Diskrepanz mit dieser Annahme.

Auf der anderen Seite sind Nicht-Elementarteilchen gebundene Zustände von Elementarteilchen, was bedeutet, dass ihnen kein Feld zugeordnet ist (Sie können effektive Modelle erstellen, die auf einer bestimmten Energieskala gültig sind, aber das ist eine andere Geschichte). Diese gebundenen Zustände sind nicht leicht in Bezug auf ihre Bestandteile zu beschreiben (eigentlich ist es unangemessen, von Bestandteilen zu sprechen), wenn sie "weit genug" betrachtet werden, sehen sie aufgrund all der Wechselwirkungen zwischen den Grundfeldern aus, als hätten sie ein Volumen. Eine gute Analogie kommt aus der Chemie: Wir wissen, dass Atome im Grunde leer sind, obwohl Materie für uns kontinuierlich und fest aussieht!

Volumen eines Photons?
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