¿Qué sucede cuando un fotón golpea un espejo?

Si piensas en esto en términos de la teoría cuántica de campos, que realmente se requiere para dar significado al fotón, entonces todo lo que puedes decir es que el fotón puede tomar cualquiera de todos los caminos posibles desde donde se emite hasta donde es. absorbido. Estos caminos contendrán caminos donde el fotón se divide momentáneamente en un par electrón-positrón, donde las interacciones con los electrones en el espejo involucran todo tipo de partículas virtuales, donde el fotón viaja en direcciones que están lejos de la trayectoria clásica, etc. La amplitud total viene dada por la suma de todas estas posibilidades y todas pueden ocurrir. En el límite clásico, esta suma de todos los caminos está dominada por las contribuciones más cercanas al camino clásico en línea recta del fotón con velocidad$c$, por lo que clásicamente vemos que la luz viaja en línea recta a una velocidad$c$y obedecer las leyes de la óptica. Sin embargo, si realmente quisieras seguir el camino de un fotón individual, verías que podría hacer cualquiera de un número espectacular de cosas (y desafortunadamente nuestros intentos de observar el fotón interferirían con su camino). Si quieres entender esto mejor, te recomiendo la descripción de Feynman de todo esto en sus conferencias aquí o en su libro tomado de las conferencias: "QED, la extraña teoría de la luz y la materia".

¿Cómo funcionan los espejos? está estrechamente relacionado con su pregunta, si no es un duplicado preciso.

Normalmente pensamos que la dispersión de fotones absorbe el fotón original y emite uno nuevo con un momento diferente, por lo que en su ejemplo del espejo, el fotón entrante interactúa con los electrones libres en el metal y es absorbido. Las oscilaciones de los electrones libres emiten entonces un nuevo fotón que sale del espejo. A diferencia de, por ejemplo, los electrones, el número de fotones no se conserva y los fotones se pueden crear y destruir cada vez que interactúan.

Revisado después de algunos votos negativos.

El fotón es una partícula elemental en el modelo estándar de la física de partículas. Esto significa que es una "partícula" mecánica cuántica descrita por funciones de onda que darán para cualquier interacción la probabilidad de que un fotón específico interactúe. En el caso de un espejo, la óptica de rayos describe el camino más probable de un fotón antes y después de una interacción.

Como partícula, cuando golpea materia en estado sólido, puede dispersarse elásticamente con el campo eléctrico colectivo del medio que golpea. Para tener un espejo, todos los fotones deben dispersarse elásticamente desde la red de estado sólido que es el espejo.

Elásticamente significa que el fotón que sale de una interacción solo cambia de dirección en el centro de masa. El centro de masa de un fotón y un espejo es efectivamente el marco de laboratorio ya que el espejo tiene una masa del orden de ~ 10 ^ 23 moléculas. Por lo tanto, el fotón dispersado elásticamente no pierde energía y los colores de las imágenes que ayuda a construir no cambian. Aquí se describe cómo emergen los estados clásicos del estado subyacente de la teoría cuántica de campos .

Un fotón será absorbido si su energía, dada por$E=h\nu$, se ajusta a algún nivel de energía de los átomos, (moléculas, sistema) con los que choca y entonces un fotón reemitido puede cambiar tanto de dirección como de energía con respecto al que lo originó, es decir, si el reflejado cambia de frecuencia a causa de la reemisión, y pierde la fase que no puede contribuir a una imagen fiel. El fotón, por supuesto, va con la velocidad.$c$(como todos los fotones) cualquiera que sea su dirección ( la dispersión elástica significa solo cambio de dirección y no energía).

Los diagramas que describen la dispersión de fotones son similares en primer orden a los siguientes,

donde los electrones son virtuales, interactuando con la red del espejo y los fotones salientes tienen la misma frecuencia/energía.

En partículas elementales, "igual" solo puede tener el significado en variables específicas en interacciones específicas. En la dispersión elástica, el fotón que entra en la interacción y el fotón que sale tienen la misma frecuencia (energía) y cada fotón tiene la probabilidad de dispersarse en un ángulo. La onda clásica formada por millones de fotones en superposición de sus funciones de onda tiene que mantener las fases para que las imágenes macroscópicas puedan mantener su color y dimensión, es decir, ser "reflejadas".

Al considerar la pregunta "¿exactamente el mismo fotón de luz rebota o se absorbe y luego se emite uno con las mismas propiedades?" es importante recordar que los fotones son bosones indistinguibles. La pregunta sugiere que tales fotones serían distinguibles, cuando no lo son. Al final, es solo "un fotón" con impulso X.

Sin embargo, se debe hacer una distinción significativa sobre el proceso de reflexión: aquí no hay un proceso de absorción y reemisión, como señala Anna V, esto implicaría un comportamiento muy diferente. Los fotones y su evolución en el tiempo (hasta, discutiblemente, su medición) se describe propiamente como una onda, no como una partícula que "rebota".

Mi imagen clásica es que cuando el campo eléctrico incidente golpea la superficie metálica (generalmente plateada) de un espejo, los electrones, sintiendo el campo eléctrico, oscilan. Como el campo eléctrico oscila muy rápido, los electrones tienden a oscilar fuera de fase con el campo como un resorte que se mueve demasiado rápido. La oscilación fuera de fase de los electrones produce una nueva onda que interfiere deconstructivamente con la onda incidente y cancela la amplitud del campo que ingresa al metal, pero produce un nuevo campo que se aleja del metal. Si se considera un haz grande que golpea una gran área de un espejo y, por lo tanto, muchos electrones, todos los electrones oscilan juntos y producen más efectos de interferencia colectivos, pero se mantiene la misma imagen. Debería ser posible rastrear esto precisamente hasta el nivel de la teoría cuántica de campos,

Creo que probablemente puede ser engañoso pensar en el asunto como "saber" de qué manera emitir el fotón reflejado. Para describir completamente este proceso, parece necesario combinar el mecanismo de interacción de la luz con la materia, que permite la posibilidad de absorción y radiación por parte de los electrones dentro de la red de un material, con la formulación de la integral de trayectoria de Feynman, como ya se mencionó en para sumar las amplitudes para que ocurra un evento. El hecho observado de igualdad de ángulos de incidencia y reflexión se debe a que es el recorrido con mayor coherencia de fases. La reflexión en diferentes puntos del espejo tenderá a cancelarse rápidamente a medida que se aleja del punto de ángulos iguales. (este camino observado es también el camino más corto de Fermat).

La respuesta aquí fue correcta por John Rennie y Anna V. Pero algunas partes no fueron cubiertas, y trataré de explicarlo en una forma más comprensible todos los días. Entonces, los fotones individuales se absorben y se vuelve a emitir un fotón 'nuevo', con las mismas propiedades, excepto por la dirección (que está en un espejo normal opuesto, o puede estar un poco doblado dependiendo del tipo de la espejo). Entonces la respuesta a tu pregunta es:

1. el fotón individual es absorbido por un electrón
2. se vuelve a emitir un fotón 'nuevo' con las mismas propiedades (excepto la dirección)
3. la velocidad por definición en QM del fotón que se absorbe cambia de c a no existente instantáneamente. Porque su función de onda colapsa instantáneamente. Y porque el fotón se apodera de existir instantáneamente (en su forma de fotón, más precisamente se transforma instantáneamente en el exceso de energía del electrón). El cuatro vector, por definición, hace que el fotón sin masa que viaja a gran velocidad sea capaz de 'ver' toda la línea de tiempo 'en uno' (el tiempo se congela para el fotón), pero también hace que un fotón que viaja sea incapaz de interactuar con el material / energía ordinaria manera (como lo hacemos quienes somos más 'estacionarios' en el espacio y tenemos masa en reposo). Para que el fotón interactúe de la manera 'ordinaria' en el espacio con material/energía, tendría que disminuir la velocidad (ganando masa en reposo) o transmitiéndose a otro material. s energía (absorbida por el electrón). Como no puede ganar masa en reposo, la única forma es transmitirse a la energía del electrón/ser absorbido. Entonces, en el momento de la absorción, la función de onda colapsa, el fotón finalmente encuentra su única forma de interactuar con el material (el electrón). El fotón se materializa como energía en el electrón. Entonces, su velocidad no es 0, sino que simplemente ya no existe, porque el fotón (ya que el fotón ya no existe) y la función de onda colapsaron y ya no describen su distribución de probabilidad (porque ya no hay nada que describir). El fotón se materializa como energía en el electrón. Entonces, su velocidad no es 0, sino que simplemente ya no existe, porque el fotón (ya que el fotón ya no existe) y la función de onda colapsaron y ya no describen su distribución de probabilidad (porque ya no hay nada que describir). El fotón se materializa como energía en el electrón. Entonces, su velocidad no es 0, sino que simplemente ya no existe, porque el fotón (ya que el fotón ya no existe) y la función de onda colapsaron y ya no describen su distribución de probabilidad (porque ya no hay nada que describir).

4. Y luego, antes de que ocurra la reemisión, sucede algo muy importante que las respuestas anteriores en la página no abordaron, y esta es la clave de su pregunta de por qué la onda EM en sí se ralentiza en el material, pero los fotones individuales aún se mueven a velocidad c. Y esto que sucede es el estado excitado del electrón/átomo. Vea que el fotón absorbido transmite su energía al electrón, por lo que el electrón (y el átomo) están en estado excitado. Para hacer una reemisión, el electrón necesita volver al estado fundamental (oa su estado anterior). Pero lo que no se abordó, ¿cuánto tiempo está el electrón/átomo en el estado excitado? Vea que la absorción/reemisión en sí misma es instantánea en QM. Pero el estado excitado en sí no siempre lo es. Tiene una vida media. Si haces suficientes experimentos,

5. Entonces, ¿por qué son tan importantes estos 10^-8 segundos? Porque el fotón específico (el absorbido/reemitido) no se mueve durante este período. En promedio, ralentizará ese fotón SÓLO si consideramos que el fotón absorbido/reemitido es lo mismo. Pero no decimos eso. Decimos que los fotones se ralentizan en un rebaño (llamada onda EM). Porque todavía no se considera que el fotón absorbido/reemitido se mueva a través del estado excitado. Está en forma de energía en el electrón durante un promedio de 10^-8 segundos. Y no calculamos ese tiempo en el cálculo de velocidad=distancia/tiempo. ¿Por qué? Porque aparentemente, por razones de cálculo, el #1 que el fotón reemitido todavía no tiene la misma identidad que el absorbido antes o el #2 no lo hacemos. t considerar el fotón existente como un fotón (sólo por razones de cálculo de velocidad) en todo el estado excitado mientras está en forma de exceso de energía del electrón. Solemos decir que es el mismo fotón. Así que debemos decir el #2. Pero la razón experimental es que la velocidad medida de la onda EM en el vidrio, por ejemplo, es más lenta. Y ahora ves cuál es la razón de ello, la vida media del estado excitado.

6. Después (durante) el estado excitado, se emite el fotón 'nuevo reemitido' con las mismas propiedades excepto la dirección. Su función de onda describe su movimiento y su velocidad es c. No tiene masa. La emisión es instantánea, por lo que la velocidad del nuevo fotón es c.

7. Pero, ¿por qué su velocidad c es instantánea? Porque él y todo lo que no tiene masa se crea / existe a una velocidad c en el espacio. El concepto erróneo básico que tienes es

   -Crees que las cosas existen/se crean con velocidad espacial 0 y luego necesitas acelerar. Eso no es verdad. El universo y los cuatro vectores están configurados de modo que todo lo que no tiene masa se crea/existe a una velocidad c. Tienes que reducir la velocidad. ¿Cómo? ganando masa o transmitiendo su energía a otro material con masa en reposo al ser absorbido.

   -Estás tratando de imaginar una partícula (fotón o lo que sea) con un acelerador. No tiene pedal de gas. Tampoco nada más, todos solo tenemos un pedal de freno. Todo lo que no tiene masa viaja (se crea, existe) a una velocidad c, debido a los cuatro vectores y el universo está configurado de esa manera. Tienes que reducir la velocidad si quieres, y hacerlo es ganar masa. Estás experimentando el tiempo como lo haces porque tienes masa y porque tienes la capacidad de interactuar con cosas ordinarias (material/energía) en el espacio como lo haces.

   -no hay acuerdo sobre en qué consiste el material en reposo-masa. Algunos dicen que todo tiene masa en reposo porque los gluones sin masa oscilan en algún tipo de confinamiento. si eso es cierto, entonces todo, tal como se crea, viaja a una velocidad c, y solo la suma de ellos en una escala mayor se ralentiza en el espacio, al ganar masa en reposo (gluones oscilantes, campos de Higgs, etc.).

8. No sabemos si el electrón que vuelve a emitir es el mismo electrón que el que absorbe. Debería ser porque ese es el que está en estado excitado. que tiene que volver al estado fundamental.

9. No sabemos cómo el electrón 'sabe' que necesita emitir el 'nuevo fotón reemitido' en la dirección exactamente opuesta (para el espejo), o casi en la misma dirección (para el vidrio) en la que simplemente lo hace. El vidrio hace lo mismo, absorbe, reemite, solo que la dirección de reemisión es casi la misma que la absorción (es por eso que la luz pasa a través del vidrio, sin cambiar demasiado las ondas, solo las ralentiza un poco debido a la absorción-reemisión y la vida media del estado excitado). Vea en el vidrio que el fotón individual es absorbido y reemitido miles de millones de veces a medida que pasa a través del vidrio, según el grosor del vidrio medido en átomos. Cada vez que se absorbe-reemite, necesita un tiempo promedio de 10 ^ -8 segundos (esto varía según el tipo de átomo, este tiempo exacto es para el átomo de H). Entonces, si el grosor es de mil millones de átomos, se absorbe y se vuelve a emitir en esa magnitud y la desaceleración será de 10 ^ 8 * 10 ^ -8 = 1 segundo. Ese es un ejemplo, pero muestra que esta es una cantidad de tiempo que ya está desacelerando considerablemente la onda EM. Cuanto más denso es el material/medio, más emisión/absorción, más se ralentiza.

Además de esto, en el nivel de electrón/fotón individual, no sabemos cómo sabe en qué dirección tomar, pero en el nivel de onda EM, la onda EM emitida tiene algún cambio de fase (π/2π/2) en relación con la de onda entrante, que hace que se retrase. EN QM, las ondas EM se emiten en todas partes (no solo a lo largo de la dirección de la onda entrante). Es solo que los otros caminos tomados por la luz interfieren destructivamente y se anulan entre sí. La radiación directa va junto con la onda y lo que se refleja hacia atrás es lo que ves como el 4% de luz reflejada (del vidrio). En un espejo, la onda EM se desplaza a una fase de ππ, lo que hace que la radiación directa interfiera destructivamente y, por lo tanto, la luz no atraviesa los metales. Ahora, la radiación hacia atrás pasa a través del vidrio, recibe algunas ondas asociadas y eso.

Entonces, a nivel de electrón/fotón individual, no sabemos cómo sabe en qué dirección volver a emitir el 'nuevo' fotón, pero a nivel de toda la manada, la onda EM, esta es la explicación del cambio de dirección que no es un cambio, es más de lo que queda después de que las ondas EM en todas las direcciones se cancelan excepto en la dirección final que ves.

Bien, ahora expliqué por qué las ondas EM se ralentizan en material/medio denso. Y que la velocidad de los fotones individuales siempre es c (medida localmente). Pero no expliqué si eso también ralentiza la onda EM en el caso de un espejo. Lo hace. La velocidad bidireccional de las ondas EM es, en promedio, más lenta que la velocidad unidireccional. Pero la diferencia si realmente no es tan medible, y necesitaría repetir el experimento muchas veces. Porque la vida útil PROMEDIO del estado excitado es de 10^-8 segundos. El tiempo real podría incluso ser 0. Pero si hace suficientes reflejos/pruebas de velocidad bidireccionales, se mostrará en promedio. ¿Porque es esto importante? Porque si toma el retraso de shapiro, le mostrará que en una prueba de espejo/reflexión de Venus, las ondas EM (señales de radar) tendrán una desaceleración de 2*10^-4 debido a los efectos GR. Está en un viaje de aproximadamente 20 minutos. Pero mira el estado excitado' El tiempo de vida promedio de s solo lo afectaría en PROMEDIO 10 ^ -8 segundos. Así que este efecto no es tan importante ya que es muy pequeño y no cambia tanto los resultados. Solo es importante cuando se atraviesa material grueso cuando hay muchas absorciones/reemisiones.

El espejo tiene que estar lo suficientemente frío para estar contenido en una caja de espejo. Puede que no creas que esto responde a tu pregunta, pero en cierto modo lo hace. Considere la energía puesta para mantener esos espejos bien fríos, absorberá menos energía. Pero si la caja se calienta, la energía tenderá a escapar y absorberse en el espejo.

También deberíamos incluir efectos de espejos en movimiento. Mientras que los fotones rebotan en un espejo en movimiento, pueden perder o incluso ganar energía (!), dependiendo del movimiento del espejo.

Como en nuestro caso original, cuando el espejo no se mueve, la energía generalmente permanecerá igual, pero la cantidad de fotones reflejados generalmente será menor que la cantidad de fotones incidentes, por lo que la energía total de la luz reflejada será ligeramente más bajo.

La pregunta es excelente y es una variación de la pregunta "¿Qué es un fotón?", que es una variación de la pregunta "¿Qué es un cuanto?".

Un paso hacia una respuesta es considerar las implicaciones del " teorema de no esconderse ". Una implicación es que si se absorbe un fotón, el paquete de incertidumbre que representa simplemente toma una forma diferente; no desaparece. No es descabellado considerar que el "quantum" es el "paquete de incertidumbre", y que puede pasar de una partícula a otra o de una partícula a un conjunto de partículas.

La respuesta que doy a continuación se basa en ese punto de vista.

La respuesta depende de si el término "fotón" se refiere 1) a un paquete particular de energía electromagnética, o 2) al paquete de incertidumbre (es decir, el "cuántico") asociado con un paquete particular de energía electromagnética.

En el primer caso, debemos decidir si el paquete de energía electromagnética pierde o no su identidad en el proceso de reflejarse en un espejo. Diría que no pierde su identidad, así como el "paquete de energía" en un péndulo oscilante es siempre la misma energía aunque en un momento esté en forma de energía potencial gravitacional y en otro momento esté en forma de energía cinética. En otras palabras, en el primer caso diría que la respuesta es "sí, es el mismo fotón antes y después del reflejo".

En el segundo caso, la respuesta es "sí", porque esencialmente toda la incertidumbre cuántica del fotón incidente sobrevive en el fotón reflejado.

Para eliminar la complicación añadida del problema. considere un espejo de superficie frontal, revestimiento plateado en el frente. La teoría de ondas de Maxwell simplifica el problema. Una onda plana que incide sobre la superficie metálica induce una corriente en la superficie, la corriente inducida luego se vuelve a irradiar, el componente del campo magnético de la onda incidente es paralelo a la onda reflejada, lo que da como resultado una pequeña fuerza de repulsión ejercida sobre el espejo (ley de Lenz). ). Si el espejo no está restringido, el momento se imparte al espejo, esta energía del momento perdido en el espejo no está disponible para la onda reflejada (¿Todos respetamos la conservación de la energía?). Como la frecuencia es proporcional a la energía, la frecuencia es más baja en la onda reflejada (desplazada hacia el rojo). este mecanismo es similar a: dispersión Compton clásica. Las velas ligeras también utilizan este mecanismo para los viajes espaciales: la ley de repulsión de Lenz .