¿Cómo imaginar las ondas electromagnéticas? [duplicar]

Aprendí en la escuela que la radiación electromagnética consiste en fotones.

La onda electromagnética se describe mediante la solución de la ecuación clásica de Maxwell , que tiene una dependencia sinusoidal de los campos eléctricos y magnéticos perpendiculares a la dirección de movimiento de la onda. Se llama onda por esta razón y la frecuencia es la tasa de repetición del patrón sinusoidal.

La mecánica cuántica, la onda clásica, es un fenómeno emergente. Está formado por fotones con una energía asociada a la frecuencia observable del haz clásico emergente, E=h*nu.

Un fotón solo tiene esta definición de energía y una orientación de espín 1 h en su dirección de movimiento o en contra, donde h es la constante de Planck. El haz formado en la imagen está formado por los fotones individuales (imagen central).

Esto sucede porque la función de onda mecánica cuántica de un fotón tiene la información E y B en su forma compleja (una solución de una ecuación de Maxwell cuantificada ) y la superposición de fotones construye los campos clásicos con la frecuencia nu.

Y todas las frecuencias de las longitudes de onda de los fotones definen el espectro electromagnético.

Las frecuencias del espectro electromagnético clásico definen la energía del fotón, h*nu, no el fotón la frecuencia, porque es solo la distribución de probabilidad de detección de un solo fotón que "onda" en el espacio, no el fotón en sí.

¿Cómo es posible imaginar una ola? No creo que el fotón se esté moviendo físicamente hacia los lados, y eso se llama ondulación. Pero, ¿qué es entonces?

No es necesario imaginar el fotón como una onda. Solo la probabilidad de detectarlo, como se ve en esta respuesta.

La explicación de la longitud de onda es que es un período espacial de la onda, la distancia sobre la cual se repite la forma de la onda.

Esto es cierto para la onda clásica emergente.

¿Cómo puede tenerlo un solo fotón?

Un solo fotón tiene solo una distribución de probabilidad de detección que "onda", como se explicó anteriormente. No es una ola.

Las ecuaciones de Maxwell tienen ciertos estados estacionarios. Podemos obtener estos llamados modos y cada forma de onda clásica se puede construir como una combinación lineal de estos modos.

En el proceso llamado segunda cuantización, nosotros (agitando la mano) ponemos partículas en estos modos. Estas partículas son fotones. Cada modo puede tener 0, 1, 2 fotones.

Pero hay más: sabemos por el principio de incertidumbre que ningún grado de libertad dinámico puede estar absolutamente confinado, ya que eso implicaría un momento infinito. Eso también es válido para el coeficiente de este modo electromagnético y, por lo tanto, siempre hay fluctuaciones de vacío del campo electromagnético.

En otras palabras, cada modo se puede representar como un oscilador cuántico. (Uno deriva una ecuación de movimiento para un modo y se da cuenta de que algunas cantidades se comportan como cantidad de movimiento y otras como posición). Quantum 101 dice que los modos de un oscilador cuántico están cuantificados.

Ahora, podemos tener estos modos en una cavidad de forma extraña y, por lo tanto, podemos tener modos muy estructurados con un impulso indefinido. Sin embargo, por lo general los fotones se miden en el campo lejano de la muestra de modo que tengan un momento y una energía definidos.

Entonces, el fotón no oscila en ninguna dirección. El fotón es una "ocupación" de un modo electromagnético que oscila.

Una analogía más para ayudar a pensar en esto: uno podría tomar una cuerda vibrante y resolver su modo fundamental (digamos 440Hz). Si esto se cuantificara, nunca se podría encontrar la cuerda en reposo debido al principio de incertidumbre. Además, encontraremos que la cuerda solo puede tener una cantidad de energía cuantificada. En otras palabras, la magnitud de las vibraciones está cuantificada. En otras palabras, podemos contar cuántos cuantos de energía (enteros) hay en la cadena. Hagamos todo esto cuanto un vibrón. Ahora, eso es esencialmente lo mismo para el electromagnetismo y los fonones, salvo la invariancia de Lorentz, la relatividad especial en partículas sin masa, las relaciones de conmutación de las partículas de espín 1 y algunas otras cosas complejas fuera del alcance.