¿En qué se puede diferenciar un fotón de luz roja de un fotón de luz azul?

Algunas áreas de la física son contrarias a la intuición. Para ellos, tu experiencia diaria es una mala guía de cómo funciona realmente el universo. Esta es una de esas áreas.

Los fotones no tienen masa. Todos tienen la misma velocidad. Sin embargo, tienen energía e impulso, y no es lo mismo para todos los fotones.

si estas acostumbrado$p = mv$, esto no tiene sentido. La explicación es sencilla.$p = mv$no se aplica a los fotones. Se aplica a objetos masivos a bajas velocidades, y los fotones son algo diferente.

Una forma de dar sentido a los fotones es tratarlos como lo nuevo que son. Antes de encontrarte con la mecánica cuántica, nunca te encontraste con algo que fuera como una partícula y como una onda. Entonces, ¿cuáles son las propiedades de esta cosa nueva y diferente?

Un átomo excitado puede caer al estado fundamental y al mismo tiempo experimentar un retroceso. Un tiempo después, otro átomo que estaba en reposo con respecto al primero puede experimentar un retroceso en la dirección opuesta y ser promovido a un estado excitado. Un fotón es lo que sucede en el medio. Experimentos como este muestran que el fotón tenía suficiente energía para excitar un átomo y suficiente impulso para darle un retroceso. Muestran que un fotón es algo así como una partícula.

Los experimentos con rejillas de difracción muestran que los fotones tienen frecuencia y longitud de onda, y una frecuencia más alta/longitud de onda más corta corresponde a energías y momentos más altos.

Estoy pasando por alto otros resultados contrarios a la intuición, como la incertidumbre del impulso.

Habiendo dicho esto, espero no enturbiar las aguas diciendo que no existe tal cosa como un fotón rojo o azul. Esto vuelve a la relatividad. Tienes alguna experiencia cotidiana con la relatividad galileana, que no es del todo diferente de la relatividad especial.

Supón que estás flotando en el espacio y te encuentras con una roca. Si la roca no se mueve rápido, te golpea suavemente. Si se mueve rápido, hace daño. Pero realmente no puedes decir cómo se mueve la roca. Solo puedes decir qué tan rápido se está moviendo con respecto a ti. Dos personas podían ver la misma roca. Uno podía verlo moverse lentamente y el otro rápido. No estarían de acuerdo sobre cuánta energía e impulso tiene la roca.

Suponga que está sentado en un bote viendo pasar las olas. Cuenta los picos que pasan por segundo para obtener la frecuencia. Si te mueves hacia las olas, encontrarás picos más a menudo y tu valor para la frecuencia aumenta. También ves que las olas se mueven más rápido con respecto al bote. La distancia entre los picos no cambia.

Los fotones no tienen masa y su velocidad es siempre c. Pero su energía y momento se comportan de forma similar a lo que cabría esperar al observar rocas. Su frecuencia se comporta de forma similar a lo que cabría esperar al observar ondas de agua u ondas sonoras. Hay diferencias en los detalles, pero su intuición puede ser una especie de guía.

Los fotones son como rocas en el sentido de que diferentes átomos verán diferentes energías y momentos, dependiendo de cómo se muevan. Si repetimos el experimento del átomo anterior con átomos que se acercan entre sí, encontramos que el retroceso es mayor que para un átomo en reposo, el fotón tiene una energía mayor que la necesaria para excitar el átomo. La parte intuitiva es que el fotón "golpea con más fuerza" cuando corres contra él corriente arriba. La parte contraria a la intuición es que los fotones siempre viajan en c, por lo que golpean a la misma velocidad.

También obtiene resultados semisensibles cuando un átomo y una rejilla de difracción se acercan entre sí. Al igual que las ondas de agua, la red de difracción encuentra picos más a menudo y ve una frecuencia más alta. La parte contraria a la intuición es que la velocidad no cambia, pero la distancia entre los picos se acorta. La rejilla de difracción refleja los fotones en un ángulo diferente.

Por lo tanto, no existe tal cosa como un fotón rojo o azul porque importa qué tan rápido se mueva la cosa que golpea. La cosa que golpea lo verá como rojo o azul, y otra cosa lo verá de manera diferente. Pero, de nuevo, esto es contrario a la intuición. Aunque el fotón siempre alcanza una velocidad c, hay una diferencia. Es más intuitivo cuando piensas en la velocidad relativa entre la cosa que fue golpeada y la cosa que emitió el fotón.

La mecánica cuántica es a menudo así. Hay dos interacciones, y todo suma antes y después. Pero lo que sucede en el medio puede ser turbio. Un fotón o electrón es emitido desde una fuente. No sigue ninguna trayectoria, solo una onda que describe probabilidades. Entonces golpea algo. El retroceso de la coincidencia de origen y destino.

La intuición ha llevado a la gente a buscar una teoría más profunda que explique más. Si hay una causa, debe haber un efecto predecible. Resulta que esta intuición conduce por un camino equivocado. Así es como funciona el universo. Lo mejor que puedes hacer es encontrar formas de acostumbrarte.

Se diferencian en su energía. La relatividad especial establece que$E=\sqrt{m^2c^4 + p^2c^2}$. Para una partícula masiva, existe una relación uno a uno entre su energía y velocidad. en el limite$m \rightarrow 0$este ya no es el caso. Todas las partículas sin masa se mueven a la velocidad de la luz, pero su energía/momento puede variar.

La única diferencia entre los dos es la energía que tienen.

Es importante saber que aunque los fotones siempre no tienen masa y siempre se mueven con la velocidad de la luz, eso no significa que siempre tengan las mismas energías, como se puede ver en la ecuación anterior.

Permítanme agregar algunas cosas.

1. Un fotón es una partícula elemental, y mientras se propaga, está en una superposición de estados, es decir, está en una superposición de frecuencias, y no tiene una frecuencia bien definida. No puedes conocer su frecuencia hasta que interactúes con ella o la absorbas.

Como una entidad mecánica cuántica, los fotones pueden estar en superposición.

¿Existe un único fotón blanco?

2. Un fotón, mientras se propaga, podría verse desde diferentes marcos de referencia, y dado que no existe un marco de referencia universal, el fotón de longitud de onda roja podría verse como azul desde otro marco de referencia. No puedes conocer su frecuencia hasta que interactúes con ella o la absorbas.

¿Por qué el movimiento del emisor (desplazamiento Doppler) afecta la energía de los fotones?

3. Digamos que emites un fotón de longitud de onda azul, y viaja en el espacio en expansión y sufre un desplazamiento al rojo cosmológico. El absorbedor lo verá como un fotón de longitud de onda roja. ¿Quién tiene razón? ¿Llamarías a eso un fotón de longitud de onda azul o rojo?

https://en.wikipedia.org/wiki/Redshift

Esta cuestión aún está totalmente definida en la Física, porque exigen que el análisis de la luz sea una dualidad; en la que se entienden ambos:

1) una “partícula”, llamada fotón.

2) una “onda sin masa”, medida por su frecuencia. Creo que la cuestión teórica se encuentra entre:

A) "Física newtoniana" (reglas que rigen nuestra comprensión de la física más allá del nivel atómico); este conjunto de reglas describe con precisión la "dinámica de fluidos" (reglas que rigen nuestra comprensión de la física de los fluidos y los gases) y la "dinámica térmica" (reglas que rigen nuestra comprensión de la física del intercambio de calor y la combustión molecular).

B) "Electrodinámica" (reglas que rigen nuestra comprensión de la física de las energías atómica y electromagnética), que no parecían seguir estas mismas reglas teóricas.

El puente de estos dos campos, creo, se encuentra en las reglas de la "relatividad general" (reglas que rigen la física de la "materia" que viaja más lenta que la velocidad de la luz) y la "relatividad especial" (reglas que rigen la física a la velocidad de la luz). y/o sin “Masa” ).

Cuando discutimos las características de la “luz” en términos de color, observamos la frecuencia de onda del rayo de luz. En este análisis, no incorporamos la Materia de un fotón como una “partícula”. Más bien, analizamos su "salida de energía" como una onda con una frecuencia particular capaz de transmitir a través del vacío (por lo que entendemos que no requiere ningún componente de Materia, por lo que negamos la Masa).

El siguiente gráfico muestra las diferentes frecuencias de energía tanto del espectro visible como de la escala electromagnética más grande, desde la radiación hasta las ondas de radio.



La pregunta en curso es que podemos observar que esos fenómenos electromagnéticos y de velocidad de la luz son efectuados por varios objetos físicos y, aunque en las circunstancias más extremas, "La Fuerza Débil" (Gravedad) . Como observamos esto, suponemos que la luz y la energía tienen características que implicarían una “partícula tangible” viajando en un camino. Por lo tanto, actualmente tratamos la luz teóricamente como una "partícula" y una "onda" simultáneamente, aunque parecería incongruente. Que yo sepa, la "composición de la materia" de un fotón aún no se ha establecido más allá de algunas de sus características observadas. Creo que este es uno de los problemas actuales en el corazón de la teoría no establecida para alinear la "Mecánica Cuántica"(las reglas que rigen la física a nivel subatómico, de las cuales una partícula fotónica se clasificaría como) y “Relatividad General” .

"color diferente" es un sentimiento en tu cerebro. Rojo y azul es un sentimiento diferente, la raíz del sentimiento diferente es alguna propiedad diferente del fotón que puede resultar en sentimientos diferentes.

En el caso del ojo humano, la propiedad que marca la diferencia de sensación es la frecuencia/energía del fotón. Los fotones con diferente energía estimulan los sensores de luz en la retina con diferente fuerza. Los fotones azules estimulan más los sensores azules, los fotones rojos estimulan más los sensores rojos, dando finalmente una sensación diferente de colores en tu cerebro.

En condiciones de muy poca luz, como por la noche, un cuarto tipo de sensor de luz que responde a diferentes fotones de luz visible no muy diferentes se estimula mucho más que los sensores azul y rojo, entonces la mayoría de las señales visuales enviadas a su cerebro provienen de ese cuarto tipo de sensor de luz y es por eso que ya no puedes ver bien el color con poca luz.

Todo esto es para los ojos humanos. Otros ojos (incluidos los ojos de bioingeniería) pueden tener diferentes tipos de sensores de color e incluso no generar una señal al cerebro en función de la propiedad de frecuencia / energía, sino de otras propiedades, como la polarización.