¿Cómo es posible que las ondas electromagnéticas se propaguen por el espacio aunque no tengan electrones?

Esta es una pregunta que se cambió drásticamente y la otra respuesta y los comentarios a la pregunta y la respuesta son discordantes con la pregunta editada.

Ya aconsejé en el comentario que leyó un artículo simplificado en wikipedia sobre radiación electromagnética. La radiación electromagnética clásica no se puede simplificar fácilmente mediante analogías. Trataré de explicar con el marco de la mecánica cuántica que es el marco subyacente de toda la física, las teorías clásicas emergen de este marco sin problemas.

La onda electromagnética está compuesta por una gran cantidad de fotones. Los fotones son partículas elementales, tienen masa cero, son partículas puntuales y su energía está caracterizada por la frecuencia de la onda clásica que observamos macroscópicamente, dada por

Además, los fotones obedecen las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell en su forma mecánica cuántica. Esto significa que, excepto por su espín y energía, también se caracterizan por el vector potencial que entra en las ecuaciones de Maxwell.

No debe tener problemas para aceptar cómo un solo fotón puede viajar en el espacio, incluso en el vacío. Es una partícula mecánica cuántica que irá en línea recta si no encuentra nada con lo que interactuar. Los fotones individuales se han medido haciendo que los rayos láser sean muy débiles para que solo ocurra un golpe en el detector a la vez. Incluso tienen detectores comerciales de fotones individuales.

La pregunta es cómo millones de fotones pueden acumular las ondas electromagnéticas que nos llegan desde las estrellas, por ejemplo. Se suman de manera similar a como se suman las moléculas de agua y forman corrientes, excepto en dimensiones más pequeñas y tiempos más rápidos. Un torrente de fotones llega continuamente desde esas estrellas con el ímpetu dado cuando se fueron hace tanto tiempo.

Si la luz es coherente, es decir, las constantes dispares que describen matemáticamente cada fotón tienen una fase fija, los campos individuales, E y B descritos macroscópicamente con una ecuación de onda, se pueden ver esquemáticamente:

Este diagrama 3D muestra una onda plana polarizada linealmente que se propaga de izquierda a derecha. Tenga en cuenta que los campos eléctrico y magnético en tal onda están en fase entre sí, alcanzando mínimos y máximos juntos.

La onda está formada por trillones de fotones en un paso, de modo que sus giros y otras constantes que los describen forman la onda macroscópica, aunque está compuesta por todas estas partículas elementales, todas yendo en línea recta a menos que golpeen algo en el camino.

( Me refiero solo a la pregunta actualizada )

Esta es una pregunta que los físicos se han planteado en numerosas ocasiones después de la formulación y popularización de las ecuaciones de Maxwell. Con anterioridad conocían las ecuaciones de onda sobre cuerdas donde vibraba la materia de la cuerda, o sobre el agua, donde la superficie del agua era la que llevaba la onda.

¿Cómo puede ser entonces que una ola esté "sucediendo" a nuestro alrededor sin que ningún tipo de materia la lleve? Para saciar la necesidad de visualización, se postuló un cierto tejido que impregnaba todo el espacio, incluso el vacío, el éter , que transportaba la onda electromagnética. Este concepto fue tan popular que incluso se usó para describir curiosas propiedades de transformación del campo electromagnético. Sin embargo, Poincaré y Einstein demostraron más tarde que el éter es redundante en el último sentido y que en realidad estábamos usando la transformación incorrecta todo el tiempo (sí, nació la relatividad).

Hoy en día solo decimos que la onda electromagnética es transportada por el propio campo . Las ondas en el campo se propagan solas incluso en el vacío. En realidad, las ondas se propagan mejor en el vacío y cosas como los electrones son obstáculos para ellas. Este es solo un concepto con el que debe sentirse cómodo antes de continuar con el siguiente párrafo.

La última idea que podemos obtener es cuando consideramos la naturaleza cuántica que se aplica a todos los campos. De un argumento bastante complicado se deduce que los cuantos de campo son en realidad partículas que vuelan por el espacio. Una partícula, aunque sin masa como es el caso de un fotón, se puede entender muy fácilmente que vuela por el espacio sin ningún tipo de "soporte".

En cuanto a la cuestión de la creación de ondas electromagnéticas, de hecho no hay forma de producir una onda electromagnética sin cargas. Sin embargo, una vez producida, la ola vuela libremente. En ciertas situaciones idealizadas, podemos concentrarnos en la onda en sí y colocar las fuentes "muy lejos" produciendo abstracciones como ondas planas , que es probablemente el ejemplo que motivó su pregunta.

Las ondas planas y otras ondas sin fuente idealizadas son solo una aproximación al caso en el que las cargas productoras están muy lejos, por lo que podemos trabajar con una forma asintótica simple de las ondas.

La resistencia del aire actúa solo sobre objetos macroscópicos que viajan a través del aire. Los campos eléctricos no se ven afectados por esto en absoluto. Las ondas electromagnéticas ni siquiera requieren un medio para propagarse, por lo que no tiene sentido siquiera discutir cómo pueden propagarse a través del aire. Creo que estás confundiendo la permitividad del aire con la resistencia del aire, como mencionó Anna en los comentarios.