¿Cuál es la naturaleza física de las ondas electromagnéticas?

Campos

Primero necesitas entender qué es un campo. Hay una muy buena respuesta de dmckee sobre qué es realmente un campo que puede (y debe leer), pero probaré mi propia versión. Matemáticamente, un campo es algo que tiene un valor en cada punto del espacio y del tiempo. Un ejemplo típico es la temperatura. El aire de tu habitación tiene una temperatura diferente en cada punto y esta temperatura puede cambiar con el tiempo, por lo que a cada punto del espacio y del tiempo le asociamos un número$T$. Podríamos escribir$T(x, y, z, t)$, lo que indica que la temperatura es una función de$x, y, z$(espacio) y$t$(tiempo).

La temperatura es un campo escalar porque en cada punto es un escalar (es decir, un número). Pero podemos tener diferentes tipos de campos. Por ejemplo, el aire de tu habitación podría estar moviéndose, por lo que en cada punto tendrá cierta velocidad.$\mathbf{v}(x,y,z,t)$. Esta velocidad es un campo vectorial , porque en cada punto tiene una magnitud y una dirección (si no sabe qué es un vector, imagínelo como una flecha pequeña; la dirección le dice en qué dirección se mueve el aire en ese punto en particular). punto, y la longitud de la flecha le indica qué tan rápido se está moviendo).

Ondas

El aire puede transportar ondas, a las que llamamos sonido. El sonido no es más que un montón de moléculas de aire que oscilan juntas de tal manera que transportan energía de un lugar a otro, de la misma manera que vemos las ondas en el agua. Con nuestros campos de fantasía podemos describir una onda diciendo que en cualquier punto dado la velocidad oscila de un lado a otro, y la fase de esta oscilación cambia a medida que nos movemos de un lugar a otro.

La temperatura y la velocidad son campos que, en cierto sentido, no existen físicamente por sí mismos: describen alguna propiedad de un fluido, pero es el fluido el que tiene realidad física, no sus propiedades. Pero hay campos que no son propiedad de nada más, y el campo electromagnético es el más importante de ellos.

Campo electromagnetico

El campo electromagnético se describe mediante dos campos vectoriales.$\mathbf{E}$y$\mathbf{B}$, llamados campo eléctrico y magnético respectivamente. A los efectos de la luz podemos olvidarnos de$\mathbf{B}$y solo habla del campo eléctrico. Al igual que la velocidad de un fluido, este campo se puede representar con una flecha en cada punto del espacio-tiempo. Su interpretación física es que si colocas una carga en algún lugar, la carga siente una fuerza que apunta en la dirección de$\mathbf{E}$y es proporcional a su magnitud. (También hay efectos magnéticos, pero los estamos ignorando). Esta es simplemente una visión más sofisticada de la idea de que cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen; en lugar de pensar en una fuerza entre las cargas, decimos que una carga crea un campo eléctrico cerca de ella, que a su vez es sentido por la otra carga.

Una onda electromagnética es simplemente una oscilación de los campos eléctrico y magnético. En cada punto, la magnitud del campo aumenta y disminuye con el tiempo. Wikpiedia tiene algunos buenos gifs que muestran este proceso en el tiempo y el espacio. La longitud de onda es una distancia física: es la distancia entre dos máximos o dos mínimos del campo. Sin embargo, la amplitud no es una distancia: mide qué tan fuerte es el campo, por lo que se mide en unidades de campo (Newton por Coulomb o Volt por metro para el campo eléctrico en unidades SI).

Puede ver en las imágenes habituales que una onda EM es una onda transversal ; es decir, la dirección de los campos es perpendicular a la dirección de propagación de la luz. Esto contrasta con una onda de sonido, que es longitudinal : es decir, las moléculas oscilan de un lado a otro y se mueven en la misma línea que viaja la onda.

Entonces, vamos a responder a sus preguntas:

a) Los picos y valles son los puntos donde la magnitud del campo es máxima en una u otra dirección. Como tal, no tiene mucho sentido distinguir entre picos y valles, porque si miras desde el otro lado, cambian de lugar.

b,c,d) Una onda realmente no ocupa espacio. Puede haber campos sobre una región del espacio, pero las flechas que ve en las animaciones no tienen una longitud física. Representan la magnitud de los campos, pero no ocupan espacio físico. Recuerde que hay dos flechas (debido a$\mathbf{E}$y$\mathbf{B}$) en todos los puntos del espacio. Como he dicho antes y se ha dicho en los comentarios, las longitudes de onda son longitudes porque son la distancia entre dos máximos, pero las amplitudes no son longitudes.

La imagen mental que describe en su pregunta es, si me perdona, un desastre. Estás mezclando esta descripción de las ondas EM con el punto de vista de la mecánica cuántica, que es casi seguro que conducirá a errores. QM generalmente trata en términos de partículas, por lo que la idea básica es que ahora la luz se considera como un grupo de partículas (fotones), con una cierta probabilidad en cada punto del espacio de encontrar un fotón. Lo que pasa con la mecánica cuántica es que es extremadamente rara e incluso los mejores físicos tienen problemas para formarse una imagen mental intuitiva de cómo funciona. Así que olvídate de los fotones hasta que realmente entiendas las ondas clásicas que he descrito en esta publicación.