Si los fotones se mueven linealmente, ¿qué les impide atravesar la malla de un horno de microondas?

Las ondas electromagnéticas clásicas pueden tener muchas formas. Los ejemplos más simples son ondas "monocromáticas" con una frecuencia bien definida$f$– el número de periodos por segundo. La longitud de onda, la distancia entre dos máximos de la onda, es$\lambda=c/f$.

Cuando cambia algo sobre el campo electromagnético en un punto, es decir, cuando intenta modificar una onda electromagnética, no puede modificar instantáneamente nada en un lugar distante. La información y la influencia nunca pueden propagarse más rápido que$c$, la velocidad de la luz en el vacío. Este es un hecho completamente general sobre la naturaleza que se deriva de la teoría especial de la relatividad y se aplica también a la teoría cuántica. Si comienzas con una onda de una longitud de onda enorme$L$y modifica rápidamente algo sobre la onda en una región pequeña y en una escala de tiempo mucho más corta que el período de la onda electromagnética, con la esperanza de que esto le permita afectar "instantáneamente" puntos distantes del espacio, fallará. En lugar de hacer que una onda electromagnética larga colabore en su proyecto, creará algunas ondas electromagnéticas de una frecuencia mucho más alta y una longitud de onda más corta. Las ondas electromagnéticas demasiado largas simplemente no le permiten hacer las cosas "realmente rápido", en tiempos más cortos que$T$, su período, y demasiado localmente, en regiones mucho más cortas que la longitud de onda. Cada vez que la resolución del tiempo o el espacio es mucho mejor, solo prueba que están presentes algunas ondas electromagnéticas de frecuencia mucho más alta y longitud de onda más corta.

Para describir las ondas en el horno de microondas, es suficiente considerar la física clásica, es decir, evitar la noción de fotones. Las microondas, ondas electromagnéticas cuya longitud de onda es un poco más corta que el tamaño del horno, tienen una posibilidad insignificante de atravesar los agujeros porque estos agujeros son mucho más pequeños que la longitud de onda. El mecanismo a veces se denomina blindaje electromagnético . ¿Como funciona?

Bueno, si quieres hablar de ondas de longitud de onda$\lambda$sólo que su dependencia del espacio debe tener siempre la forma$A\cdot \cos(2\pi x / \lambda)$: olas con la distancia adecuada entre los mínimos. Sin embargo, la jaula metálica que rodea el interior del horno impone el potencial$\phi=0$en una red muy densa de puntos. Cuando tratas de escribir el potencial como$A\cdot \cos(2\pi x / \lambda)$, mientras se asegura de que es cero en todos los puntos donde hay un conductor, encontrará que no hay solución excepto por$A=0$. La onda de la longitud de onda dada simplemente no puede pasar en absoluto. Alternativamente, podría calcular la reflexión a partir de los puntos metálicos de la malla (sin contar los agujeros). Interferirían entre sí y garantizarían que la probabilidad de reflexión sea casi del 100 por ciento.

En otras palabras, el fotón de frecuencia de microondas es "realmente grande", al menos tan grande como la longitud de onda, y simplemente "no encaja". Podría encajar si "fingiera" que era un fotón de longitud de onda más corta, pero sería diferente. El horno de microondas prescribe una frecuencia$f$y la longitud de onda correspondiente es siempre$c/f$y no puede cambiar. También puede ver la situación con una "resolución pobre" de modo que "desprecie" distancias más cortas que la longitud de onda. Desde este punto de vista, la jaula metálica del horno parece sólida a pesar de los pequeños agujeros. En última instancia, es por eso que parece sólido para las ondas electromagnéticas.

Todas estas cosas también se pueden expresar en términos de fotones, lo cual es necesario en la teoría cuántica, aunque, como dije, no es necesario para las microondas porque contienen una gran cantidad de fotones coherentes para que este gran grupo de fotones se comporte de forma clásica. .

Los fotones individuales se describen mediante funciones de onda que matemáticamente se parecen a una onda electromagnética. Puede ser monocromático, pero también puede ser una mezcla de diferentes frecuencias. Las funciones de onda de los fotones individuales se propagan a través del horno o cualquier otra cosa de forma muy parecida a las ondas electromagnéticas clásicas. Es por eso que los fotones de frecuencias de microondas tampoco pueden escapar del microondas. Pero la interpretación es diferente: la función de onda no se puede medir directamente como los campos eléctricos. En cambio, codifica (después de elevar al cuadrado) la densidad de probabilidad de que el fotón esté aquí o allá.

Si intenta atrapar un fotón cuya función de onda se extiende sobre una región grande, tiene una cierta probabilidad calculable de que lo atrapará "en algún lugar aquí", en una región cercana en particular.$V$. Pero cuando lo hace, la probabilidad es cero de que el fotón esté simultáneamente en algún otro lugar distante.$P$. Entonces, hagas lo que hagas con el fotón aquí, si tienes suerte y el fotón "aparece" aquí, no afectará lo que está sucediendo muy lejos de ti. Efectivamente, si ves el fotón aquí, la "función de onda colapsa" y estás seguro de que el fotón no está "allá", por lo que no puede hacer nada allí. El fotón nunca estuvo allí; solo tenía la oportunidad de estar allí, pero su medición mostró que la oportunidad no se materializó. Estos puntos a menudo se malinterpretan porque la gente está tratando de imaginar que la función de onda del fotón es una onda real que debe dejar algunos rastros incluso si el fotón finalmente se ve en otro lugar. Pero no puede y no deja rastro alguno: la función de onda distinta de cero solo cuantificó un "potencial" de que algo puede verse en alguna parte.

En cualquier caso, verá que los fotones tampoco pueden usarse para enviar señales superlumínicas.

Es un tema complicado, lo que significa que tienes que seguir pensando en ello. La respuesta corta es: NO, los "fotones" no son del mismo tamaño. El tamaño de la onda electromagnética (que consta de muchos fotones) es aproximadamente igual al tamaño del dispositivo que la emite. Entonces, las ondas emitidas por los átomos son aproximadamente del tamaño de un átomo, las ondas emitidas por las estaciones de radio son del tamaño del transmisor de la estación de radio y las microondas en el horno de microondas son del tamaño de la parte electrónica que las emite. Su principal confusión proviene de la pregunta: ¿cómo entender una onda que consiste en fotones de partículas? Míralo como una ola normal: cuando la ola pasa a través del rompeolas, parte de la ola pasa, pero la parte restante muere, lo que efectivamente detiene toda la ola.

ENTONCES. Para comprender cómo se crean las ondas a partir de "fotones", necesitamos obtener una buena comprensión de la idea de INTERFERENCIA.

PD: Los fotones no son objetos físicamente bien definidos, nadie puede medir un solo fotón o capturarlo. Es una idea CONCEPTUAL muy útil que nos ayuda a entender cómo funciona la física atómica y los láseres. Newton, al igual que tú, también pensó que la luz se compone de fotones. Pero tuvo problemas para usarlo en óptica, de la misma manera que tú.

En los hornos de microondas, la malla de la ventana frontal está hecha de metal (conductor). Las ondas no pueden pasar a través de los agujeros si el diámetro de los agujeros es sustancialmente más pequeño que la longitud de onda. Las microondas utilizadas en los hornos tienen una longitud de onda de alrededor de 12,6 cm y los agujeros en la malla metálica tienen un diámetro de alrededor de 0,2 cm. Una explicación simplificada es que las ondas EM son oscilaciones en el campo EM, y el gas de electrones en el conductor del cual está hecha la malla responde a esas oscilaciones oscilando también en consecuencia; las oscilaciones de los electrones en la malla metálica generan cambios en el campo EM que anulan las microondas originales. La atenuación de ondas EM funciona de manera que es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la$\frac{wavelength}{hole}$proporción: en este ejemplo,$\frac{1}{(12.6/0.2)^{4}}$=$\frac{1}{15752961}$lo que significa que la intensidad de radiación de las microondas después de atravesar la malla metálica es alrededor de 15700000 menor que antes de atravesar la malla metálica.