¿Cuál es la naturaleza física de las ondas electromagnéticas?

Question

He estado tratando de averiguar cuál es la naturaleza física de las ondas electromagnéticas, ya que razoné que dado que las ondas electromagnéticas tienen onda longitudes que se dan en unidades de distancia, en lugar de unidades de energía o alguna otra unidad más abstracta/no física, entonces las ondas electromagnéticas deben tener una descripción física.

Pregunté a mi compañero de piso (que estudia ingeniería de hardware informático en la universidad) y aunque pudo proporcionar algunas ecuaciones apropiadas que relacionaban las propiedades de las ondas electromagnéticas, parecía que su descripción física quedaba como una caja negra por parte de sus profesores.

Para dilucidar lo que estoy preguntando:

a) ¿Qué representan un pico o una depresión en el espacio físico?

b) ¿Una onda electromagnética que atraviesa el espacio físico a lo largo del tiempo llena un área, o más bien, en el caso de la luz no polarizada, un volumen? Si no es así, ¿por qué utilizamos unidades de distancia para medir la amplitud y la longitud de onda?

c) Si ocupa un volumen, ¿se reduce este volumen durante una depresión y se expande durante un pico?

d) Si ocupa un volumen, ¿la energía del fotón o de los fotones se vuelve máximamente difusa y luego mínimamente difusa de forma cíclica?

Tratando de entenderlo por mí mismo, mi resultado final es un dibujo de una onda simple con una cuadrícula dibujada encima donde asumo que cada caja es un área de planck y asignamos un 1 para las cajas que están dentro del área de la onda y un 0 para las cajas que están fuera. Usando esta técnica llegué a la conclusión de que para cada momento en el tiempo podría asignar un valor porcentual para la densidad (o alternativamente la difusividad; no sé la palabra que se usaría para referirse al grado en que un sistema es difuso, en una nota lateral, si lo sabes, ¡por favor házmelo saber!) de la energía del fotón(es) (tal vez en forma de oscilación física a lo largo de la distancia) basado en la proporción de 1s a 0s en esa columna. En este dibujo estoy asumiendo que la luz está polarizada y que sólo miro una de las fuerzas eléctricas o magnéticas, aunque supongo que podría simplemente duplicar mi porcentaje de densidad para cada columna para incluir ambas. Sin embargo, esta interpretación parece mal concebida; ¿cómo se ve la onda de probabilidad del fotón o fotones en comparación con la onda que he dibujado?

Muy confundido y buscando respuestas que puedan ayudar a arrojar algo de luz sobre el asunto. En última instancia, me temo que el problema de mis intentos de discernir una imagen física de una onda electromagnética radica en que la respuesta es realmente poco intuitiva e insatisfactoria. Por cierto, soy un lego con interés en la física, no un estudiante de ella, así que, por favor, traten de ser lo más idiotas posible con sus respuestas.

Gracias.

Answer 1

Campos

En primer lugar, hay que entender qué es un campo. Hay un muy buena respuesta de dmckee sobre lo que es realmente un campo que puedes (y debes) leer, pero voy a intentar mi propia versión. Matemáticamente, un campo es algo que tiene un valor en cada punto del espacio y del tiempo. Un ejemplo típico es la temperatura. El aire de tu habitación tiene una temperatura diferente en cada punto y esta temperatura puede cambiar con el tiempo, así que a cada punto del espacio y del tiempo le asociamos un número $T$ . Podríamos escribir $T(x, y, z, t)$ , lo que indica que la temperatura es una función de $x, y, z$ (espacio) y $t$ (tiempo).

La temperatura es un escalar porque en cada punto es un escalar (es decir, un número). Pero podemos tener diferentes tipos de campos. Por ejemplo, el aire de tu habitación puede estar en movimiento, por lo que en cada punto tendrá una velocidad $\mathbf{v}(x,y,z,t)$ . Esta velocidad es un vector porque en cada punto tiene una magnitud y una dirección (si no sabes lo que es un vector, imagínatelo como una pequeña flecha; la dirección te dice en qué dirección se mueve el aire en ese punto concreto, y la longitud de la flecha te dice lo rápido que se mueve).

Olas

El aire puede transportar ondas, que llamamos sonido. El sonido no es más que un montón de moléculas de aire que oscilan juntas de tal manera que transportan energía de un lugar a otro, de la misma manera que vemos las ondas en el agua. Con nuestros campos de fantasía podemos describir una onda diciendo que en un punto determinado la velocidad oscila de un lado a otro, y la fase de esta oscilación cambia a medida que nos movemos de un lugar a otro.

La temperatura y la velocidad son campos que, en cierto sentido, no existen físicamente por sí mismos: describen alguna propiedad de un fluido, pero es el fluido el que tiene realidad física, no sus propiedades. Pero hay campos que no son una propiedad de nada más, y el campo electromagnético es el más importante de ellos.

Campo electromagnético

El campo electromagnético se describe mediante dos campos vectoriales $\mathbf{E}$ y $\mathbf{B}$ , denominados campo eléctrico y magnético respectivamente. Para los fines de la luz podemos olvidarnos de $\mathbf{B}$ y sólo hablar del campo eléctrico. Al igual que la velocidad de un fluido, este campo puede representarse mediante una flecha en cada punto del espaciotiempo. Su interpretación física es que si colocas una carga en algún lugar, hay una fuerza sentida por la carga que apunta en la dirección de $\mathbf{E}$ y es proporcional a su magnitud. (También hay efectos magnéticos, pero los ignoramos). Esto es simplemente una visión más sofisticada de la idea de que las cargas similares se repelen y las opuestas se atraen; en lugar de pensar en una fuerza entre las cargas, decimos que una carga crea un campo eléctrico cerca de ella, que a su vez es sentido por la otra carga.

Una onda electromagnética es simplemente una oscilación de los campos eléctrico y magnético. En cada punto, la magnitud del campo aumenta y disminuye con el tiempo. Wikpiedia tiene unos bonitos gifs mostrando este proceso en el tiempo y el espacio. La longitud de onda es una distancia física: es la distancia entre dos máximos o dos mínimos del campo. Sin embargo, la amplitud no es una distancia: mide la intensidad del campo, por lo que se mide en unidades de campo (Newton por culombio o voltios por metro para el campo eléctrico en unidades del SI).

Se puede ver en las imágenes habituales que una onda EM es un transversal es decir, la dirección de los campos es perpendicular a la dirección de propagación de la luz. Esto contrasta con una onda sonora, que es longitudinal es decir, las moléculas oscilan de un lado a otro, y se mueven en la misma línea que recorre la onda.

Así que vamos a responder a sus preguntas:

a) Los picos y las depresiones son los puntos en los que la magnitud del campo es máxima en una u otra dirección. Como tal, no tiene mucho sentido distinguir entre picos y valles, porque si se mira desde el otro lado cambian de lugar.

b,c,d) Una onda no ocupa realmente espacio. Puede haber campos sobre una región del espacio, pero las flechas que se ven en las animaciones no tienen una longitud física. Representan la magnitud de los campos, pero no ocupan espacio físico. Recuerda que hay dos flechas (por $\mathbf{E}$ y $\mathbf{B}$ ) en cada punto del espacio. Como he dicho antes y se ha dicho en los comentarios, las longitudes de onda son longitudes porque son la distancia entre dos máximos, pero las amplitudes no son longitudes.

La imagen mental que describe en su pregunta es, si me perdona, un desastre. Estás mezclando esta descripción de las ondas EM con el punto de vista de la mecánica cuántica, lo cual es casi seguro que conducirá a errores. La QM suele tratar en términos de partículas, así que la idea básica es que ahora se piensa en la luz como un montón de partículas (fotones), con una cierta probabilidad en cada punto del espacio de encontrar un fotón. El problema con la mecánica cuántica es que es extremadamente extraña e incluso los mejores físicos tienen problemas para formarse una imagen mental intuitiva de cómo funciona. Así que, por favor, olvídate de los fotones hasta que entiendas realmente las ondas clásicas que he descrito en este post.