¿Cómo viajan las ondas electromagnéticas en el vacío?

Esta es quizás una pregunta de novato total, e intentaré formularla lo mejor que pueda, así que aquí va. ¿Cómo viaja una onda electromagnética a través, por ejemplo, del vacío del espacio?

Suelo ver que las ondas se explican haciendo analogías con el agua, trozos de cuerda, las cuerdas de una guitarra, etc., pero me parece que todas esas ondas necesitan un medio para propagarse. De hecho, desde mi punto de vista, en esos ejemplos la onda como "cosa" no existe, es solo el medio que se mueve (referencia involuntaria a The Matrix, perdón).

Pero en el espacio no hay medio, entonces, ¿cómo viaja una onda? ¿Hay partículas libres de algún tipo en este "vacío" o algo así? Creo que Michelson y Morley descartaron la existencia de "éter" , por lo que supuestamente no hay un medio para que la onda viaje.

Además, he visto otras respuestas que describen la luz como una perturbación del campo electromagnético, pero ¿no es la existencia del campo potencial hasta que se perturba? ¿Cómo puede viajar a través de algo que no existe hasta que es perturbado por la luz viajera en primer lugar? (Esta última oración es probablemente un gran error por mi parte).

Preguntas relacionadas que quizás ya haya visto: physics.stackexchange.com/q107331 , physics.stackexchange.com/q/109982

Respuestas (5)

Las partículas asociadas a las ondas electromagnéticas, descritas por las ecuaciones de Maxwell , son los fotones . Los fotones son bosones de calibre sin masa, las llamadas "partículas de fuerza" de QED (electrodinámica cuántica).

Mientras que el sonido o las ondas en el agua son solo fluctuaciones (o diferencias) en las densidades del medio (aire, material sólido, agua,...), los fotones son partículas reales, es decir, excitaciones de un campo cuántico. Entonces, el "medio" donde se propagan los fotones es solo el espacio-tiempo que todavía está allí, incluso en la mayoría de los lugares abandonados del universo.

Las analogías que mencionaste todavía no son tan malas. Dado que no podemos visualizar la propagación de las ondas electromagnéticas, tenemos que encontrar algo que podamos, que como era de esperar es otra forma de onda, por ejemplo, agua o cuerdas.

Como ya mencionó PotonicBoom, el campo de fotones existe en todas partes en el espacio-tiempo. Sin embargo, sólo la excitación del estado fundamental (el estado de vacío) es lo que entendemos por la partícula llamada fotón.

Bien dicho +1 de mi parte! Es interesante lo que dijiste acerca de que el espacio-tiempo es una especie de 'medio'. La métrica no aparece en el QED Lagrangiano, entonces, ¿cómo se justifica la afirmación anterior? Solo por curiosidad, ¡probablemente me estoy perdiendo algo obvio!
La métrica no aparece explícitamente en el lagrangiano, es decir, la densidad lagrangiana L . Sin embargo, lo hace en productos escalares, es decir F m v = gramo m ρ gramo v σ F ρ σ , y en la acción, es decir, la integral sobre L . Por lo general, una teoría cuántica de campos se define en el espacio-tiempo de Minkowski con el común d 4 X .
Pero también podría definirlo en algún espacio-tiempo curvo con métrica gramo m v y medir gramo d 4 X , con gramo = det gramo m v . Tenga en cuenta que en este caso, todos los productos escalares y la disminución y elevación de los índices deben realizarse con la métrica gramo m v , que no es tan simple como en el caso minkowskiano.
el tipo pregunta por una onda y tu respondes con una particula....

Si simplificamos al electromagnetismo clásico, entonces el campo electromagnético es un campo vectorial que existe en todo el espacio. Un campo electromagnético dependiente del tiempo tiene una parte de campo eléctrico y una parte de campo magnético asociadas y ambas cambian con el tiempo. Están descritos por las ecuaciones de Maxwell.

Este sitio web tiene un bonito gif animado que muestra cómo los dos campos vectoriales se propagan en el espacio 3D. Observe que los campos eléctrico y magnético oscilan (cambian de valor) perpendiculares entre sí en todo momento. Lo que llamamos entonces radiación es solo la perturbación viajera de la energía.

Muy buenos recursos, gracias! Creo que necesito mirar ese hipnotizante gif por un tiempo :)
No es lo que se pidió.
@Sofia ¿Qué pregunta no abordó? Así es como se propaga el campo.
@PhotonicBoom su respuesta me hace pensar que no puedo captar la idea clásica de un campo vectorial que existe en todo el espacio. ¿Es un campo vectorial un concepto, una "descripción" matemática por así decirlo, que sólo llega a la "realidad" cuando es perturbado por otra cosa? (un experimento, una partícula, etc.) y se presenta como una fuerza, corriente, etc. ¿O es una cosa física? (¿Quizás no hay respuesta a esta pregunta sin entrar en el ámbito de la Física Cuántica?). ¡Gracias de nuevo!
@jotadepicas Estás profundizando en la filosofía aquí, así que ten cuidado. El concepto de campo es matemático, pero se ha demostrado que esta descripción funciona , es decir, describe todos los fenómenos observados. Ahora bien, si el campo existe o no, no es realmente una pregunta de física válida. Lo que sabemos es que si tratas la radiación de esa manera, no necesitas un medio para describirla.
@PhotonicBoom Ya veo, entonces el concepto matemático del campo, ¿es la solución para no necesitar un "Eather" físico? ¿Es eso correcto?
@jotadepicas Sí, eso es esencialmente el jugo. Echa un vistazo a esta pregunta.
@PhotonicBoom: vea nuestra discusión. La pregunta no era sobre un campo eléctrico y magnético, cambiando en el tiempo, etc. Se trataba de si un fotón necesita un medio, como las ondas de agua necesitan el agua. Pero, si miras la discusión, verás.
@Sofia El fotón no se mencionó en la pregunta. La pregunta era sobre ondas electromagnéticas, así que respondí apropiadamente. Me parece que el problema conceptual del OP es con campos. De lo contrario, ¿qué es un fotón? Es un cuanto de un campo cuántico después de todo. El concepto de campo es inevitable, siempre terminarás regresando a él.
@PhotonicBoom: la pregunta era si el campo electromagnético es la oscilación de un medio, como las ondas de sonido necesitan aire u otro medio, o si la onda electromagnética es independiente de un medio. Por favor, vea la pregunta.

Ya que, las ondas electromagnéticas tienen vector eléctrico y magnético. Debido a esto, las ondas EM muestran un campo eléctrico y magnético. Un campo eléctrico y magnético no necesitan un medio para mostrar su efecto. Por lo tanto, en presencia de vectores de campo eléctrico y magnético que vibran perpendicularmente entre sí y obtienen perturbaciones, las ondas EM viajan en el vacío.

Las ondas electromagnéticas son sólo un fenómeno observado. No hay viaje.

Como ejemplo, podemos elegir un fotón que "viaja" del Sol a la Tierra (para simplificar, no nos preocupamos por los problemas de gravedad aquí). Eso significa que el Sol está emitiendo un poco de energía (un impulso) que es recibida por la Tierra. Hasta ahora todo está bien. Pero, ¿qué está pasando entre la emisión y la absorción? El intervalo de espacio-tiempo es cero, porque la línea de mundo del fotón es similar a la luz. No se puede viajar un intervalo cero vacío, la transmisión del impulso se produce directamente.

El mismo fenómeno en una forma reducida se puede observar en un experimento mental en el que un astronauta hace un viaje espacial de ida y vuelta cercano a la velocidad de la luz. Puede viajar 2000 años luz en 2001 años que se reducen para él por la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud a unos 2 años luz en unos 2 años. Debido a la alta velocidad, el intervalo de espacio-tiempo (y su propio tiempo) se ha reducido a ca. 2 años. Cuando regresa a la Tierra después de 2001 años, solo han pasado 2 años para él (la llamada paradoja de los gemelos).

El intervalo de espacio-tiempo de los fotones se reduce a cero, eso significa que no viajan a través del espacio-tiempo, su impulso se transmite directamente de un lugar a otro. El único rastro observable que dejan en el espacio-tiempo es una onda electromagnética que se mueve a la velocidad de la luz c. La onda electromagnética observada nos dice que en su lugar el espacio-tiempo se redujo a cero para transferir un impulso. Este hecho cumple con el segundo postulado de la relatividad de Einstein, que no dice que la luz se mueva en c, sino que cualquier observador observa que la luz se mueve en c.

Los fotones no tienen un marco de reposo, según las respuestas a mi pregunta .
No estoy seguro de que hayas leído bien mi respuesta. No estoy hablando de un marco de reposo de un fotón.
Creo que su respuesta menciona el lapso de tiempo desde el punto de vista del fotón ("El intervalo de espacio-tiempo es cero"), sin embargo, esto solo se puede decir si el marco está en el fotón y está prohibido.

Los fotones se liberan en paquetes. Entonces, cuando la fuente genera la onda electromagnética, en realidad se libera en forma de paquetes. Estos paquetes son entidades propias que viajan por su cuenta y no necesitan ningún medio para sostenerse.

¿Cómo viajan las ondas electromagnéticas en el vacío?
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