Luz: Ondas y Partículas

(a) Obviamente, las imágenes que dibujamos de la luz son un poco engañosas. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares porque un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético y viceversa. La dirección de estos campos generados debe ser perpendicular. La dirección de propagación (la dirección en la que viaja la luz) es entonces perpendicular a ambas ondas.

(b) Dado que la luz se compone de ondas EM, esas ondas tendrán una longitud de onda y una frecuencia específicas. La frecuencia de la luz está relacionada con la velocidad a la que la partícula/onda viaja a través del espacio por la relación: c =$\lambda\nu$, dónde$\lambda$es la longitud de onda y$\nu$es la frecuencia.

(c) Como se mencionó antes, los fotones se propagan en línea recta perpendicular a la propagación de los campos eléctrico y magnético.

a. Aquí hay una imagen instructiva de Wikipedia de una onda electromagnética que muestra las intensidades de los campos eléctrico y magnético (son vectores).

b. El fotón al que te refieres es solo una cantidad de energía en la onda. La energía en la onda viene en paquetes discretos de$hf$. El fotón que está imaginando en su mente es probablemente una partícula localizada. Esto en realidad no tiene una frecuencia exacta. En realidad, se distribuye en frecuencias de acuerdo con

y aquí$p = hf$, y$\Delta x$es la dispersión en el espacio. Sin embargo, siempre que$\Delta x$es lo suficientemente grande, tendrá una frecuencia media aproximada. Puedes pensar en una onda electromagnética que contiene un cierto número de estas partículas. En general, sin embargo, el número de partículas tampoco estará exactamente definido porque también tenemos

Es decir, no se puede tener a la vez un número exacto de fotones y una intensidad de campo exacta. Sin embargo, aún puede tener valores promedio, como se indicó anteriormente.

Bueno, hiciste la pregunta de los 6 millones de dólares. no soy fisico Los respeto mucho. Tienen ecuaciones para la radiación EM que funcionan. Esto les permite hacer predicciones precisas y crear cosas geniales, pero más allá de eso, creo que la respuesta a tu pregunta es que nadie la sabe realmente. Las partículas actúan como ondas y las ondas actúan como partículas. Los fotones no tienen masa, pero la tienen. Suceden cosas raras que parecen desafiar el sentido común. Supongo que eso es lo que hace que la física sea tan interesante.

En la pregunta (a) el campo es la fuerza por unidad de carga. La fuerza es masa$\times$aceleración. La aceleración es la tasa de la tasa de cambio de posición a lo largo del tiempo. Y como puedes cambiar de posición en más de una dirección, esta cantidad tiene que decirnos sobre la dirección. Como tal, la fuerza y ​​el campo también tienen que ser cantidades direccionales y dos fuerzas diferentes pueden ser perpendiculares.

La longitud de onda de un solo fotón se refiere a algo que requerirá algo de configuración. Suponga que hace brillar un rayo láser en un filtro que bloquea parte de la luz. Esto reducirá la cantidad de luz en el haz después del filtro. A medida que coloca más filtros frente al haz, puede pensar que la cantidad de luz en el haz disminuirá gradualmente, pero eso no es lo que sucede en realidad. En el mundo real, si tiene un detector lo suficientemente sensible, llegará un punto en el que el detector a veces se activa y otras veces muestra que no. Y para intensidades por encima de ese nivel, el detector se activará como si la energía viniera en trozos.

Ahora, supongamos que haces brillar solo un fotón a la vez a través de un par de rendijas estrechas separadas por una distancia adecuada. Entonces, si coloca un detector frente a cada ranura, como máximo, uno de ellos se activará en un momento dado. Si haces pasar muchos fotones a través de las dos rendijas, uno a la vez, verás un patrón de barras. Las barras claras tendrán muchos fotones llegando, las barras oscuras verán pocos fotones. Si bloquea una de las rendijas, verá un patrón diferente de barras. Esto significa que al desbloquear una de las rendijas evitas que los fotones vayan a lugares que pasan de ser una barra clara a ser una barra oscura. Entonces hay algo que pasa por ambas rendijas que cambia el patrón de las barras. Puede realizar experimentos para probar cómo se comporta lo que pasa por ambas rendijas. Es desviado por lentes y espejos como lo sería un fotón. Está bloqueado por objetos opacos como lo estaría un fotón. Es un fotón en todos los aspectos excepto que no lo ves. Un fotón existe en múltiples versiones y solo ves una de ellas directamente. Existe una cosa parecida a una onda llamada función de onda que consiste en parte en las múltiples versiones del fotón cuya intensidad está relacionada con la probabilidad de ver un fotón en un lugar determinado. El hecho de que la probabilidad pueda disminuir como resultado de permitir otra fuente para la función de onda es una señal de que está sucediendo algo más complicado que la simple existencia de muchas versiones del fotón. Las cosas más complicadas reciben varios nombres, como fase y enredo, en las que no profundizaré aquí. Un fotón existe en múltiples versiones y solo ves una de ellas directamente. Existe una cosa parecida a una onda llamada función de onda que consiste en parte en las múltiples versiones del fotón cuya intensidad está relacionada con la probabilidad de ver un fotón en un lugar determinado. El hecho de que la probabilidad pueda disminuir como resultado de permitir otra fuente para la función de onda es una señal de que está sucediendo algo más complicado que la simple existencia de muchas versiones del fotón. Las cosas más complicadas reciben varios nombres, como fase y enredo, en las que no profundizaré aquí. Un fotón existe en múltiples versiones y solo ves una de ellas directamente. Existe una cosa parecida a una onda llamada función de onda que consiste en parte en las múltiples versiones del fotón cuya intensidad está relacionada con la probabilidad de ver un fotón en un lugar determinado. El hecho de que la probabilidad pueda disminuir como resultado de permitir otra fuente para la función de onda es una señal de que está sucediendo algo más complicado que la simple existencia de muchas versiones del fotón. Las cosas más complicadas reciben varios nombres, como fase y enredo, en las que no profundizaré aquí. Existe una cosa parecida a una onda llamada función de onda que consiste en parte en las múltiples versiones del fotón cuya intensidad está relacionada con la probabilidad de ver un fotón en un lugar determinado. El hecho de que la probabilidad pueda disminuir como resultado de permitir otra fuente para la función de onda es una señal de que está sucediendo algo más complicado que la simple existencia de muchas versiones del fotón. Las cosas más complicadas reciben varios nombres, como fase y enredo, en las que no profundizaré aquí. Existe una cosa parecida a una onda llamada función de onda que consiste en parte en las múltiples versiones del fotón cuya intensidad está relacionada con la probabilidad de ver un fotón en un lugar determinado. El hecho de que la probabilidad pueda disminuir como resultado de permitir otra fuente para la función de onda es una señal de que está sucediendo algo más complicado que la simple existencia de muchas versiones del fotón. Las cosas más complicadas reciben varios nombres, como fase y enredo, en las que no profundizaré aquí.

Ahora, las diferentes versiones de un fotón se ven afectadas por lentes, espejos y otras cosas. El efecto de las lentes y los espejos es local: afecta la función de onda en su vecindad. Y, en general, los cambios en la función de onda se propagan al afectar la función de onda primero cerca de la perturbación y solo después cambia las partes de la función de onda más alejadas. Así es como se propaga la función de onda. Los cambios en una región en particular se esparcen gradualmente con el tiempo al afectar la función de onda en las regiones cercanas.

Hay mucho más que decir sobre esto, para lo cual deberías leer "The Fabric of Reality" de David Deutsch, especialmente los capítulos 2,9,11 y "The Beginning of Infinity" de Deutsch capítulos 11 y 12.