¿Qué significa exactamente la longitud de onda de un fotón?

El fotón es una partícula elemental en el modelo estándar de la física de partículas. No tiene longitud de onda . Se caracteriza en la tabla como una partícula puntual de masa cero y espín uno. Su energía está dada por$E=h\nu$, dónde$\nu$es la frecuencia de la onda electromagnética clásica que pueden generar fotones de la misma energía.

Aquí es donde viene la confusión. La longitud de onda y la frecuencia caracterizan la onda electromagnética emergente de muchos fotones. Aquí se puede ver cómo emerge la onda clásica, aunque se necesita una base de teoría cuántica de campos para comprenderla. El fotón, como entidad mecánica cuántica, tiene una función de onda mecánica cuántica. Esta función de onda compleja conjugada al cuadrado da la densidad de probabilidad para que el fotón específico esté en$(x,y,z,t)$. La frecuencia en la función de onda es la frecuencia de la posible onda clásica emergente, pero para el fotón individual solo está relacionada con la probabilidad de manifestación, como por ejemplo en los experimentos de doble rendija de un solo fotón.

grabación de cámara de fotón único de fotones de una doble rendija iluminada por una luz láser muy débil. De izquierda a derecha: fotograma único, superposición de 200, 1'000 y 500'000 fotogramas

usted pregunta:

"¿Cómo puede un fotón tener una longitud de onda de unos pocos kilómetros y aun así ser considerado como una partícula?

No es asi. Se necesitan trillones de fotones para construir la onda electromagnética clásica. En las fotos de arriba, cada fotón individual da un pequeño punto. La acumulación da la distribución de densidad de probabilidad para los fotones, y he aquí, hay una frecuencia asociada con el patrón de interferencia, aunque el fotón se manifiesta individualmente como un punto en el$(x,y)$de la pantalla

Por eso necesitamos la mecánica cuántica.

Editar después de que esta pregunta se convirtió en el duplicado principal de otra, donde tengo una respuesta/comentario largo que podría ser de interés para los lectores.

¿Un solo fotón tiene una longitud de onda o no? [duplicar]

Mi respuesta es cercana a la de @AnnaV pero hay una sutil diferencia. La función de onda no es el resultado de muchos fotones, sino que da el valor esperado de una medición. Las ecuaciones de Maxwell son para los fotones lo que las ecuaciones de Schrödinger y Dirac son para los electrones. Sus soluciones predicen observaciones estadísticas de fotones. Los electrones no tienen longitud de onda, solo las funciones de onda de electrones la tienen. Lo mismo es cierto para los fotones.

Con respecto a las partículas sin masa, no olvide que el espacio-tiempo de su línea de tiempo similar a la luz está vacío (= cero). Eso significa que el punto de emisión y el de absorción son adyacentes en el espacio-tiempo, incluso si el intervalo espacial entre ellos mide miles de millones de años luz. En consecuencia, no hay problema para la transmisión de características de partículas para partículas sin masa.

La onda de un fotón se propaga por el espacio con velocidad c, y la longitud de una onda es lo que podemos medir en el espacio (con un metro), incluso si el intervalo de espacio-tiempo es cero.

Esta regla no se aplica a los fotones que se mueven a una velocidad v < c a través de la materia. Las características de las partículas se transmiten, pero el intervalo de espacio-tiempo de la línea de tiempo de su movimiento temporal con velocidad v < c no está vacío. Este es uno de los fenómenos de la no localidad cuántica, y solo podemos describirlo y calcularlo, pero aún no tenemos una explicación.

Desde hace mucho tiempo se sabía que la luz mostraba efectos de interferencia, al igual que en otras ondas como el sonido y las ondas de agua. Entonces, en el experimento de la doble rendija con luz monocromática, obtienes las bandas claras y oscuras en la pantalla, a partir de las cuales puedes calcular una longitud de onda para la luz. Así se supuso que la luz siendo una onda debe haber un medio vibratorio para transmitirla, al que llamaron éter. La gran diferencia entre la luz y otras ondas conocidas era que para la luz no había ningún fenómeno físico alternativo, como la altura del agua o la presión del aire, que para las ondas clásicas se podía medir directamente. La teoría del éter fue golpeada en la cabeza por Planck y Einstein cuando la luz se convirtió en una partícula, y Max Born dio la única explicación factible posible del efecto de interferencia, que la propiedad de la onda (el cuadrado del módulo del número complejo obtenido sumando los distintos caminos posibles) determina la probabilidad de que el fotón caiga en ese punto de la pantalla. Es como si la naturaleza nos hubiera estado engañando haciéndonos creer que la luz debe ser una onda clásica, cuando todo el tiempo el significado de 'longitud de onda' e 'interferencia' son bastante diferentes a una onda clásica. En el libro 'QED' de Feynman, habla de 'flechas', que son números complejos representados en el plano complejo que giran según la frecuencia del fotón, describiendo así una espiral a medida que el fotón se mueve. La longitud de onda es la distancia que recorre la flecha una vez alrededor. Es un dispositivo matemático (el plano complejo no existe como un objeto real) que sin embargo nos da los resultados de experimentos reales. cuando todo el tiempo el significado de 'longitud de onda' e 'interferencia' son bastante diferentes a una onda clásica. En el libro 'QED' de Feynman, habla de 'flechas', que son números complejos representados en el plano complejo que giran según la frecuencia del fotón, describiendo así una espiral a medida que el fotón se mueve. La longitud de onda es la distancia que recorre la flecha una vez alrededor. Es un dispositivo matemático (el plano complejo no existe como un objeto real) que sin embargo nos da los resultados de experimentos reales. cuando todo el tiempo el significado de 'longitud de onda' e 'interferencia' son bastante diferentes a una onda clásica. En el libro 'QED' de Feynman, habla de 'flechas', que son números complejos representados en el plano complejo que giran según la frecuencia del fotón, describiendo así una espiral a medida que el fotón se mueve. La longitud de onda es la distancia que recorre la flecha una vez alrededor. Es un dispositivo matemático (el plano complejo no existe como un objeto real) que sin embargo nos da los resultados de experimentos reales. describiendo así una espiral a medida que el fotón se mueve. La longitud de onda es la distancia que recorre la flecha una vez alrededor. Es un dispositivo matemático (el plano complejo no existe como un objeto real) que sin embargo nos da los resultados de experimentos reales. describiendo así una espiral a medida que el fotón se mueve. La longitud de onda es la distancia que recorre la flecha una vez alrededor. Es un dispositivo matemático (el plano complejo no existe como un objeto real) que sin embargo nos da los resultados de experimentos reales.

Un fotón es una medida en un campo cuántico. Es un "trato único", si quieres. Cada fotón tiene una energía y una helicidad (a veces confundida con "spin"), pero eso no es suficiente para producir una "longitud de onda", que es una propiedad de una onda electromagnética clásica. Solo recuperamos la onda midiendo muchos fotones, que luego se aproximan a la forma de onda clásica. Para tener una definición sensata de longitud de onda, todos estos fotones deben tener una energía similar, de modo que la longitud de coherencia de la onda resultante sea larga (suficiente). Estrictamente hablando, uno no asignaría esa longitud de onda al fotón único, ya que la medición del fotón único no puede decirnos que la onda sea lo suficientemente coherente.