¿Qué le sucede a un fotón cuando pierde toda su energía?

Un fotón no puede perder toda su energía por la dispersión de Compton, ya que eso violaría la conservación de cuatro impulsos. Imagina un fotón con cuatro impulsos.$(p,\vec p)$da toda su energía (y por lo tanto todo su impulso) a un electrón con cuatro impulsos$(m,0)$, en$c=1$unidades. Entonces, por conservación del cuatro impulso, el nuevo cuatro impulso del electrón sería$(m+p,\vec p)$. Pero calcular la masa correspondiente a ese cuatro impulso da$m=\sqrt{m^2+2mp} > m$. Dado que la masa de un electrón es fija, esto es una contradicción y, por lo tanto, no puede ocurrir.

Dado cualquier fotón, existe un marco de referencia en el que tiene la energía que desee. Arbitrariamente alto o bajo. Puede haber una longitud de onda tan larga y una energía tan baja que no puedas detectarla. Pero sigue siendo un fotón.

Si tiene una energía y un momento arbitrariamente bajos y dispersa una partícula en reposo en su marco, no desviará mucho la partícula. Pero una partícula que corra río arriba la verá cuando el efecto Doppler se desplace a una longitud de onda más corta. Hay una velocidad de partícula que le dará al fotón una longitud de onda arbitrariamente corta y alta energía.

Un marco de referencia donde el fotón tiene$0$la energía es aquella en la que tiene$0$frecuencia. Es decir, en cualquier punto la fase no cambia. Esto significa que el marco de referencia tendría que viajar tan rápido como el fotón. Dado que el fotón viaja a la velocidad de la luz, esto es imposible. No existe tal marco de referencia.

Otro lugar donde esto es interesante es en un pozo gravitatorio. El tiempo corre más lento en la superficie de un planeta. Un observador en el planeta verá que un fotón tiene una frecuencia alta y una longitud de onda corta.

Si el fotón viaja hacia arriba, cualquier observador que pueda encontrar en la parte superior de una torre tendrá un reloj más rápido. Ese observador medirá el fotón como si tuviera una frecuencia más baja y una longitud de onda más larga.

Para un agujero negro, este efecto se vuelve extremo. Cuanto más te acercas al horizonte de eventos, más difícil es mantener un marco de referencia como una superficie planetaria. Un fotón emitido en un planeta de gravedad tan extremadamente alta se medirá para tener la misma frecuencia que tendría en un planeta de menor gravedad. Sin embargo, un observador lejos del planeta verá que el tiempo corre extremadamente lento en el planeta de alta gravedad. Vería el fotón como extremadamente desplazado hacia el rojo si subiera hacia él.

En el horizonte de sucesos, es imposible mantener un marco de referencia similar a un planeta. El tiempo se detendría. Tal fotón estaría infinitamente desplazado hacia el rojo y tendría$0$energía. También tardaría un tiempo infinitamente largo en llegar, viajando como lo haría a través de regiones de tiempo lento.

Dentro del horizonte de eventos, todas las trayectorias conducen a la singularidad en el centro. El fotón nunca alcanzaría el horizonte de sucesos.

Puede ayudar a su pensamiento distinguir el término "fotón" del término "pulso de luz". El concepto "fotón" proviene de la física cuántica y se refiere al grado de excitación del campo electromagnético a una determinada frecuencia . Esto significa que un fotón no puede cambiar de frecuencia, por definición. Pero en un proceso como la dispersión de Compton, un fotón de una frecuencia se desvanece y se forma un fotón de otra frecuencia. Estos son dos fotones diferentes.

Adoptando esta terminología (algo más cuidadosa), su pregunta es "¿se puede tener un fotón de energía cero"? Tal fotón tendría una frecuencia cero y una longitud de onda infinita. Entonces la pregunta es "¿existen tales modos del campo electromagnético?" Es decir, ¿hay modos de longitud de onda infinita? La respuesta a eso es desconocida ya que no sabemos si el universo mismo es infinito o incluso qué podría significar tal concepto. Para una discusión más precisa es mejor no intentar hablar del infinito en sí, sino hablar de límites. Entonces decimos que en el límite, cuando uno considera modos de longitud de onda cada vez más larga, la energía del fotón tiende a cero. Otra forma de decir lo mismo es afirmar que no se sabe que el límite inferior de la energía que un fotón podría tener en principio sea superior a cero.

¿Qué le sucede a un fotón cuando pierde toda su energía?

Un fotón es, por definición, una partícula mecánica cuántica de masa cero, espín uno y energía igual a$hν$dónde$ν$es la frecuencia de la onda electromagnética clásica en la que se acumularán muchos fotones de esa energía. Sigue las reglas de la relatividad especial, es decir, se describe mediante un cuadrivector y todas sus interacciones siguen el álgebra de cuatro vectores.

¿Puede desaparecer un electrón? Debido a la conservación del número de leptones al aniquilarse con un positrón, desaparece, y también las interacciones débiles tienen caminos en los que el neutrino electrónico transporta el número de leptones, por lo que podría desaparecer como un electrón.

¿Puede desaparecer un fotón?

Sí. Un fotón con la diferencia de energía entre dos niveles atómicos, moleculares o reticulares podría interactuar y desaparecer la energía que transporta pasando a elevar el nivel de energía del sistema ligado. Entonces, el fotón específico desaparece porque solo se deben seguir las reglas de conservación de la energía y el momento, no tiene un número cuántico distintivo para llevar la cuenta.

En dispersión Compton

la energía y el momento del fotón se transfieren al electrón y aparece un nuevo fotón de menor energía. No se puede absorber por completo porque se violaría la conservación de la energía y el momento, como dice la respuesta de @Chris.

Cuando un fotón interactúa con un átomo, pueden suceder tres cosas:

1. dispersión elástica, como la reflexión de un espejo, esta es la dispersión de Rayleigh, el fotón mantiene su energía y fase, y cambia de ángulo

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

2. dispersión inelástica (su ejemplo, dispersión Compton), el fotón cede parte de su energía al electrón absorbente, cambia de ángulo, pero el fotón sigue existiendo (no deja de existir)

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

3. absorción, el fotón entrega toda su energía al sistema átomo/electrón absorbente, y el fotón deja de existir

https://en.wikipedia.org/wiki/Absorción_(radiación_electromagnética)

Usted está preguntando en los comentarios si es posible que haya fotones de energía extremadamente baja a nuestro alrededor, simplemente no podemos detectarlos. La respuesta es probablemente si. La razón principal es que existen limitaciones técnicas en lo que podemos detectar.

los detectores de energía más bajos con los que estoy familiarizado están en la energía de fondo de microondas CMB de ~ 3KkB, que corresponde a una longitud de onda de aproximadamente 5 mm, o una frecuencia de alrededor de 60 GHz. muestra la detección de fotones en torno a los 200 MHz (correspondientes a una longitud de onda de 10 m) que se almacenan en un resonador, mediante acoplamiento a un qubit superconductor similar a los sistemas mencionados por Daniel Sank en los comentarios. La frecuencia natural del qubit está en GHz, por lo que tuvieron que hacer un diseño inteligente para hacerlo sensible a una frecuencia tan baja.

https://physics.stackexchange.com/questions/247505/the-lightest-photon-ever-detected#:~:text=The%20limit%20to%20the%20lowest,for%20example%20with%20this%20chart ).

Tenga en cuenta que está diciendo que estos fotones de baja energía están perdiendo energía por la dispersión de Compton, pero lo más probable es que hayan perdido sus energías debido a la expansión del espacio en sí, como en el caso del CMB que nos rodea.

Los fotones que existían en el momento del desacoplamiento de fotones se han estado propagando desde entonces, aunque cada vez son más débiles y menos energéticos, ya que la expansión del espacio hace que su longitud de onda aumente con el tiempo (y la longitud de onda es inversamente proporcional a la energía según la relación de Planck).

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

Entonces, la respuesta a su pregunta es que probablemente haya fotones a nuestro alrededor que ni siquiera podemos detectar porque su frecuencia es muy baja, pero la razón por la que existen a nuestro alrededor probablemente no sea la dispersión de Compton sino la expansión del espacio en sí.