¿Los fotones ocupan espacio?

Novato total aquí.

Me doy cuenta de que los fotones no tienen masa. Sin embargo, de alguna manera deben ocupar espacio, ya que he leído que las ondas de luz pueden chocar entre sí.

¿Los fotones ocupan espacio? y si es así, ¿eso significa que hay un brillo máximo teórico en el que no podría estar presente una cantidad adicional de fotones en el mismo volumen?

Respuestas (3)

Sin embargo, de alguna manera deben ocupar espacio, ya que he leído que las ondas de luz pueden chocar entre sí.

Eso no es cierto. Sí, las ondas de luz pueden "colisionar" e interactuar entre sí (rara vez), pero eso en sí mismo no implica que deban ocupar espacio.

Ni siquiera está del todo claro qué significa que una partícula subatómica ocupe espacio. Una partícula como un fotón es una perturbación en un campo cuántico y, en cierto sentido, se "esparce" por el espacio; no tiene un tamaño definido en el mismo sentido que lo tiene un objeto material macroscópico. Pero probablemente estará de acuerdo en que, si es posible hacer una definición sensata de "ocupar espacio" para una partícula subatómica, debería implicar evitar que otras cosas también ocupen ese mismo espacio. Los fotones no hacen eso. Son bosones , y como consecuencia de eso no están sujetos al principio de exclusión de Pauli , así que si tienes un fotón ocupando algún espacio (lo que sea que eso signifique),

Entonces, ¿es cierto que los futuros dispositivos de almacenamiento de datos ("discos duros") pueden tener almacenamiento ilimitado (excepto, solo limitado por el tiempo) ya que la luz no tiene masa ni espacio?
@Pacerier No, hay límites que surgen por diferentes razones físicas. Pero eso sería materia para otra pregunta.

David Z responde muy bien una parte de tu pregunta, así que déjame completar la otra parte:

¿Eso significa que hay un brillo máximo teórico en el que no podría haber una cantidad adicional de fotones en el mismo volumen?

(Descargo de responsabilidad: solo soy un aficionado; esta es la forma en que entiendo el tema)

La respuesta es mayormente un sí. Si bien, como dice David, los fotones son bosones y, por lo tanto, en realidad no tienen un significado de "espacio personal", la acumulación de la energía del fotón hace que suceda otra cosa muy interesante: la creación espontánea de nuevas partículas. De hecho, hay un tipo de supernova que se teoriza que ocurre debido a esto: http://en.wikipedia.org/wiki/Pair-instability_supernova .

En teoría, esto puede suceder tan pronto como haya suficiente energía para producir cualquier par de partículas-antipartículas. Sin embargo, al mismo tiempo, existe un apoyo considerable a la idea de que durante un breve período de tiempo después del Big Bang, todo fueron fotones; esa fue probablemente la mayor cantidad de fotones en el espacio más pequeño jamás visto. En ese momento, el universo estaba demasiado "caliente" para permitir la producción de pares.

Entonces, en condiciones "normales", la cantidad de fotones en un volumen dado está restringida. Sin embargo, no se trata de la cantidad de fotones, se trata de su energía total.

Pequeña corrección al final. ¡La cantidad de fotones es exactamente lo que determina su energía total! E=hf para un fotón. h es constante y si consideramos solo una frecuencia específica de una onda EM total, es fácilmente deducible que solo la cantidad de fotones determina la energía total. Incluso supongo que es exactamente por eso que surgió la pregunta OP.
@e-motiv Sí, pero los fotones de diferentes frecuencias tendrán una cantidad diferente, por lo que no es que los fotones "ocupen espacio". De hecho, si piensa en los fotones como paquetes cuyo tamaño aumenta con la longitud de onda, esperaría que los fotones de menor frecuencia "ocuparan" más espacio. En realidad, es todo lo contrario, por lo que las frecuencias más bajas le permiten colocar más fotones en el mismo volumen.
Contradictorio y fuera de mi punto. Pero no importa... me voy.
@e-motiv Bueno, seré breve. El hecho de que la cantidad y la energía tengan una relación no significa que sean lo mismo. La energía total en un espacio de región dado es limitada, la cantidad total de bosones no lo es. ¿Qué es exactamente lo contradictorio en eso?

Bueno, si el profe Miles J Padgett tiene razón cuando dice aquí que:

Momento orbital de la luz

Se sabe desde la Edad Media que la luz ejerce una presión de radiación. No tan conocido es que la luz también ejerce un giro.

La naturaleza intrincada de este giro no se reconoció hasta la década de 1990 y hemos estado trabajando en ello desde entonces. Más allá de la fascinación de hacer girar objetos microscópicos, este momento angular orbital puede ser la clave para mejorar los sistemas de detección e imagen de comunicación.

Entonces, ciertamente, los fotones deben ocupar espacio. No hay giro sin extensión.

Estoy bastante seguro de que tus fechas no son correctas. Prácticamente desde Maxwell, la gente se ha dado cuenta de que los estados de polarización circular pueden ejercer pares en los conductores, y el experimento de Beth midió esto en 1936. Además, no hay espín clásico sin extensión, pero la concepción del momento angular como una carga de Noether y su consiguiente conservación no necesita esta idea clásica para que funcione, pensamiento extraño que intuitivamente parece.
@WetSavannaAnimalakaRodVance: Matemáticamente, uno puede probar prácticamente cualquier cosa. Lamentablemente, la física contemporánea olvida que las matemáticas son abstractas y que pueden describir eventos reales, pero tampoco tienen nada que ver con la realidad física y, por lo tanto, no son válidas para el uso de la física. Solía ​​ser de conocimiento común, pero luego llegaron tipos como Gell-Man y Gross, quienes afirman que: "Para obtener tales relaciones que conjeturamos que son verdaderas... construimos una teoría matemática de las partículas que interactúan fuertemente, que puede o no tener nada que ver con la realidad, encuentre adecuado...
... relaciones algebraicas que se mantienen en el modelo, postulan su validez y luego desechan el modelo. Podemos comparar este proceso con un método que a veces se emplea en la cocina francesa: se cocina un trozo de carne de faisán entre dos helados de ternera, que luego se desechan". ( nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2004/… ) Bueno, Soy bastante anticuado en cuanto a la ciencia, en tal sentido que no compro la magia, por entretenida que sea.
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