¿Qué son exactamente las ondas de luz?

Puede ser útil comenzar esta explicación desde el origen de una onda de luz: una carga oscilante. Comience con la idea de que una carga estacionaria está rodeada por un campo eléctrico, luego imagínese moviendo esa carga hacia arriba y hacia abajo. Ahora las líneas de campo se convertirán en ondulaciones en lugar de líneas rectas. Esas líneas de campo que se mueven son las ondas electromagnéticas que llamamos "luz" (ver animación ). Resulta (como se dijo en otra respuesta) que las partes eléctrica y magnética de la onda se ayudan entre sí y permiten que la onda se propague en el espacio libre de manera muy eficiente. Ahora, imagine lo que sucede cuando esa onda golpea una carga estacionaria (llámela la carga del "detector"): el campo eléctrico ondulante hará que la carga suba y baje y la carga del "detector" comenzará a oscilar.

Si estas cargas son los electrones que rodean a los átomos, entonces empiezas a ver de dónde viene la luz y cómo se detecta. Vemos también cómo la onda viaja a través del vacío: no hay medio que la lleve. Esta es una de las características notables de la radiación electromagnética.

En cuanto a los fotones, son un concepto engañoso que aún genera debates entre los expertos. El fotón es una representación de la luz que solo es útil cuando el haz de luz es muy débil (por lo que un fotodetector hace clics distintos) o se prepara específicamente en un especial. estado con exactamente uno (o exactamente$N$) fotones.

La luz que vemos con nuestros ojos es radiación electromagnética , muy bien modelada por las ecuaciones de Maxwell .

Las ondas electromagnéticas se pueden imaginar como una onda oscilante transversal autopropagante de campos eléctricos y magnéticos. Esta animación 3D muestra una onda plana polarizada linealmente que se propaga de izquierda a derecha. Tenga en cuenta que los campos eléctrico y magnético en tal onda están en fase entre sí, alcanzando mínimos y máximos juntos.

Como dice la otra respuesta, estaba bien hasta que el efecto fotoeléctrico mostró que la luz está compuesta de trillones de fotones , partículas elementales en el marco mecánico cuántico subyacente del que emergen los comportamientos clásicos . En el enlace se demuestra esto pero no son matemáticas simples, necesita cursos de posgrado en física y matemáticas, probablemente en sus futuros estudios.

Cuando dibujamos una 'onda' de luz, ¿qué significa? un fotón sube y baja?

Un trillón de fotones se unen en fase para crear la variación hacia arriba y hacia abajo de los campos eléctricos y magnéticos clásicos.

La forma en que el comportamiento de onda clásico emerge de los trillones de fotones no es simple, tiene que ver con la cuantificación de las ecuaciones de Maxwell. Espero que esto ayude en sus futuros planes de estudio.

Como esto aún no se ha dicho, solo me gustaría dar mi postura al respecto.

Todas las partículas fundamentales pueden verse como excitaciones de campos. Esto es cierto para fotones, electrones, neutrinos, etc. ¿Estos campos necesitan un medio en el que se propaguen? No por lo que podemos decir. Todo lo que vemos y experimentamos son excitaciones de estos campos, uno solo de los cuales llamamos partícula. Este es un fotón por campo fotónico (electromagnético), un electrón por campo electrónico, etc. Estos campos tienen diferentes propiedades, como su masa, y pueden interactuar entre sí. Si una partícula no tiene masa (masa en reposo si esto no está implícito), tiene que viajar a la velocidad de la luz.

La propagación de la luz definitivamente no son las ondas que se propagan en el fondo de los fotones, sino la propagación de las excitaciones en el campo. No se requiere ningún medio para que viva el campo si consideramos los campos como las cantidades fundamentales.

Para algunos campos (masivos), la naturaleza cuantificada es mucho más evidente para nosotros en nuestra experiencia diaria que para otros. Pero la cuantización es una propiedad fundamental aplicable a todos ellos.

¿Cómo reconciliamos la imagen de onda y partícula? Yo diría que la imagen de partículas es una construcción de nuestras mentes que proviene de nuestra experiencia cotidiana del mundo. No me malinterpreten: la cuantización es una propiedad fundamental y si quiere llamar a esto 'partículas', supongo que es una cuestión de nomenclatura. Pero deberíamos pensar simplemente en términos de excitaciones de campos cuantificados. Algunas excitaciones, por ejemplo, algunos estados de Fock, tienen propiedades más 'similares a las partículas', otras, como los estados coherentes de Glauber para campos bosónicos, tienen propiedades más similares a las 'ondas clásicas'.

Einstein una vez comparó el fotón con una persona famosa (lo siento, olvidé el nombre) que cambió de confesión a una edad temprana y volvió a su confesión inicial antes de morir:

La luz se comporta como un fotón en el punto de partida y en el punto final, y se comporta como una onda durante su viaje.

Por cierto, la onda de luz no sube y baja, no es una "onda" en el espacio", un rayo de luz es recto, tomando siempre el camino más económico.

Las ondas de luz son exactamente una explicación teórica de la radiación de luz. La propagación de ondas de campos electromagnéticos es una buena teoría que funciona para bajas frecuencias, pero como mostró Einstein (y por lo que recibió un premio Nobel), el efecto fotoeléctrico solo puede explicarse si la radiación electromagnética se emite como cuantos de energía dirigidos.

Supongo que la luz experimentada, como fenómeno elemental, no tiene forma de onda geométrica ni de partícula geométrica.

Una cosa sobre la luz que creo que vale la pena notar es que si el movimiento se expresa como$\displaystyle\gamma^{-1}=\sqrt{1-\frac{v}{c}}$, entonces el movimiento de la luz se convierte en un cero multiplicativo, lo que da una "explicación" algebraica de la composición de las velocidades:

Suponer$\displaystyle m_k=\sqrt{1-\frac{v_k}{c}}$, entonces la composición de los "movimientos"

$\displaystyle m_1\star m_2=\frac{m_1m_2}{\left(1+\sqrt{(1-m_1^2)(1-m_2^2)}\right)}$

Para la luz el "movimiento" es$m_c=0$y por eso es un límite:$0\star m=0$. :)