¿Cuál es la trayectoria de un fotón que se mueve a través del vacío?

Dado que la energía electromagnética es transportada por fotones y se mueve en forma de ondas, ¿significa que un solo fotón cuando se propaga a través del espacio no sigue el camino recto sino que siempre se mueve hacia arriba y hacia abajo, arriba y abajo como una onda?

El término fotón pertenece al ámbito de la mecánica cuántica. El fotón es una partícula elemental fundamental en el modelo estándar de la física de partículas. La energía electromagnética se define bien en la electrodinámica clásica y mueve esta energía como una onda en el tiempo y el espacio.

Una sola partícula elemental que se propaga a través del espacio se modela matemáticamente mediante una función de onda que es una solución de una ecuación mecánica cuántica. Esta es una función de número complejo, tiene una forma sinusoidal pero el único efecto físicamente medible es la probabilidad de obtener una señal de "fotón" en un punto específico (x, y, z, t). Es la probabilidad la que tiene una dependencia sinusoidal en el espacio-tiempo, no el fotón, como se puede ver en la respuesta aquí. La energía del fotón es h*nu, donde nu es la frecuencia de la onda clásica que emergerá de un gran número de tales fotones de energía.

Por lo tanto, no es posible hablar de una trayectoria de un solo fotón en el nivel cuántico microscópico. Solo macroscópicamente, cuando se conoce la fuente atómica y se detecta la huella de interacción del fotón en una pantalla o una cámara, se puede dibujar una línea recta que, en efecto, es el rayo óptico de la onda em clásica.

Si es así, surge otra pregunta: la velocidad de propagación de la luz en el vacío es fija, lo que significa que siempre tomará la misma cantidad de tiempo para viajar del punto A al punto B, pero si un fotón siempre se mueve hacia arriba y hacia abajo, también significará que viaja una distancia más larga que la distancia entre A y B y, por lo tanto, viajará más rápido de lo que se propaga la luz, ¿es posible?

No, no es posible en el vacío. El fotón no se propaga como imaginas, y solo puede describirse por su energía = h*nu y su dirección de giro. Siempre viaja en c.

En el complicado entorno cuantificado de un medio con un índice de refracción, la forma en que las funciones de onda de los fotones se relacionan con la onda clásica emergente muestra que las trayectorias individuales de los fotones, que a nivel microscópico siempre están en el vacío y viajan con velocidad c, no pueden ser un rayo óptico. Un fotón individual que incide sobre un medio transparente interactuará mediante dispersiones elásticas con los átomos de la red y ciertamente su camino no puede ser una línea recta. En coherencia con los trillones de fotones en una onda em clásica, es mejor discutir los caminos clásicos y dejar que la mecánica cuántica se encargue de las interacciones individuales. Un verdadero análisis mecánico cuántico necesita la teoría cuántica de campos y es innecesariamente complicado.

Tu confusión proviene de combinar dos conceptos diferentes (aunque están relacionados). El fotón es una partícula discreta. Una onda es una continua. Puedes ver la luz como una partícula discreta o una onda, pero si piensas en ellas como las piensas, las cosas se vuelven confusas.

• Un fotón no viaja entre la función de amplitud de la onda. Viaja en todos los caminos posibles y observamos un camino a la vez (y, por lo general, si el camino de A a B es simple, los muchos caminos posibles se anulan).
• Un fotón siempre viaja a una velocidad c.
• Los altibajos de una onda electromagnética son las consecuencias del movimiento de un fotón. Son oscilaciones autoinducidas en el campo electromagnético.
• También puedes pensar que los altibajos de una onda electromagnética se pueden representar como un fotón, que lleva información sobre un cambio en el campo electromagnético a una velocidad c. (Un cambio causado quizás por mover una partícula cargada como un electrón).

Por cierto, si no respondí a tu pregunta, trata de pensar por qué empezamos a pensar en la luz como partículas. (Los problemas que conducen a los conceptos que estás estudiando). Puedes empezar por el efecto fotoeléctrico.

Los fotones pueden considerarse partículas estables según la perspectiva. En el núcleo del Sol, los átomos de hidrógeno se descomponen en un plasma mixto que incluye protones y átomos de deuterio. Si estos chocan forman un núcleo de helio-3 y se libera un rayo gamma. El rayo gamma es un fotón altamente energizado. Es muy difícil que este fotón escape del Sol, ya que está rodeado de protones densamente empaquetados. Rebota por un tiempo (tal vez mil o un millón de años) antes de llegar a la superficie. Debido a la pérdida de energía de las colisiones con los protones, el fotón ahora estará en el espectro visible. Luego, si se "dirige" hacia la Tierra, tardará unos 8 minutos a través del vacío en llegar aquí, pero no en línea recta exacta, ya que el espacio-tiempo está curvado por toda la materia cercana (planetas, etc.). Sin embargo, el fotón no se mueve hacia arriba y hacia abajo con la forma de onda. El fotón está representado por una forma de onda porque así es como lo medimos. Para nosotros, con nuestras medidas, el fotón es la forma de onda. Una longitud de onda = un fotón. La ola se mueve como una. Si te arrojara una percha, no tomaría la trayectoria de su forma. Toda la percha se movería como una sola. Espero que esto rompa tu percepción de que un fotón viaja por sí mismo. No caminas solo. Mis mejores deseos. Espero que esto rompa tu percepción de que un fotón viaja por sí mismo. No caminas solo. Mis mejores deseos. Espero que esto rompa tu percepción de que un fotón viaja por sí mismo. No caminas solo. Mis mejores deseos.