¿Cuál es la trayectoria de un fotón que se mueve en el vacío?

Question

Dado que la energía electromagnética es transportada por fotones y se mueve en forma de ondas, ¿significa que un solo fotón cuando se propaga por el espacio no sigue la trayectoria recta sino que siempre se mueve hacia arriba y hacia abajo, arriba y abajo como una onda. Si es así surge otra pregunta la velocidad de propagación de la luz en el vacío es fija lo que significa que siempre tomará la misma cantidad de tiempo para viajar desde el punto A al punto B, pero si un fotón siempre se mueve hacia arriba y hacia abajo también significará que viaja una distancia más larga que la distancia entre A y B y por lo tanto mal viaja más rápido que la luz se propaga, ¿es siquiera posible, podría por favor aclarar estos conceptos para mí?

Answer 1

Dado que la energía electromagnética es transportada por fotones y se mueve en forma de ondas, ¿significa que un solo fotón cuando se propaga por el espacio no sigue la trayectoria recta, sino que se mueve siempre hacia arriba y hacia abajo, como una onda?

El término fotón pertenece al ámbito de la mecánica cuántica. El fotón es una partícula elemental fundamental en la modelo estándar de la física de partículas. La energía electromagnética está bien definida en la electrodinámica clásica y mueve esta energía como una onda en el tiempo y el espacio.

Una sola partícula elemental que se propaga por el espacio se modela matemáticamente mediante una función de onda que es la solución de una ecuación mecánica cuántica. Se trata de una función numérica compleja, tiene una forma sinusoidal pero el único efecto físicamente medible es la probabilidad de obtener una señal de "fotón" en un determinado (x,y,z,t). Es la probabilidad la que tiene una dependencia sinusoidal en el espacio-tiempo, no el fotón, como se puede ver en la respuesta aquí. La energía del fotón es h*nu, donde nu es la frecuencia de la onda clásica que surgirá de un gran número de fotones de tal energía.

Por tanto, no es posible hablar de la trayectoria de un solo fotón a nivel cuántico microscópico. Sólo macroscópicamente, cuando se conoce la fuente atómica y se detecta la huella de interacción del fotón en una pantalla o en una cámara, se puede trazar una línea recta que, en efecto, es el rayo óptico de la onda em clásica.

Si es así surge otra pregunta la velocidad de propagación de la luz en el vacío es fija lo que significa que siempre tardará lo mismo en viajar del punto A al punto B, pero si un fotón siempre se mueve hacia arriba y hacia abajo también significará que viaja una distancia mayor que la distancia entre A y B y por lo tanto mal podría viajar más rápido de lo que se propaga la luz, ¿es siquiera posible?

No, no es posible en el vacío. El fotón no se propaga como imaginas, y sólo se puede describir por su energía=h*nu y su sentido de giro. Siempre viaja a c.

En el complicado entorno cuantizado de un medio con índice de refracción, la forma en que las funciones de onda de los fotones se relacionan con la onda clásica emergente, muestra que las trayectorias individuales de los fotones, que a nivel microscópico están siempre en el vacío y viajan con velocidad c, no pueden ser un rayo óptico. Un fotón individual que incide en un medio transparente interactuará mediante dispersiones elásticas con los átomos de la red y ciertamente su trayectoria no puede ser una línea recta. En coherencia con los millones de fotones de una onda em clásica es mejor hablar de las trayectorias clásicas y dejar que la mecánica cuántica se encargue de las interacciones individuales. Un verdadero análisis mecánico cuántico necesita teoría cuántica de campos y es innecesariamente complicado.

Answer 2

Tu confusión proviene de la combinación de dos conceptos diferentes (aunque están relacionados). El fotón es una partícula discreta. Una onda es un continuo. Puedes considerar la luz como una partícula discreta o como una onda, pero si piensas en ellas como lo estás haciendo, las cosas se vuelven confusas.

• Un fotón no viaja entre la función de amplitud de la onda. Se viaja en todos los caminos posibles y observamos un camino a la vez (Y normalmente si el camino de A a B es simple, los muchos caminos posibles se anulan).
• Un fotón siempre viaja a la velocidad c.
• Las subidas y bajadas de una onda electromagnética son las consecuencias del movimiento de un fotón. Son oscilaciones autoinducidas en el campo electromagnético.
• También se puede pensar que las subidas y bajadas de una onda electromagnética se pueden representar como un fotón, que lleva información sobre un cambio en el campo electromagnético a velocidad c. (Un cambio causado quizás por el movimiento de una partícula cargada como un electrón).

Por cierto, si no he respondido a tu pregunta, intenta pensar en por qué empezamos a pensar en la luz como partículas. (Los problemas que llevan a los conceptos que estás estudiando). Puedes empezar por el efecto fotoeléctrico.

Answer 3

Los fotones pueden considerarse partículas estables según la perspectiva. En el núcleo del Sol, los átomos de hidrógeno se descomponen en un plasma mixto que incluye protones y átomos de deuterio. Si éstos colisionan, forman un núcleo de helio-3 y se libera un rayo gamma. El rayo gamma es un fotón altamente energizado. Es muy difícil que este fotón escape del Sol, ya que está rodeado de protones densamente empaquetados. Rebota durante un tiempo (quizás mil o un millón de años) antes de llegar a la superficie. Debido a la pérdida de energía por las colisiones con los protones, el fotón estará ahora en el espectro visible. Entonces, si se "apunta" hacia la Tierra, tardará unos 8 minutos en atravesar el vacío para llegar aquí, pero no en una línea recta exacta, ya que el espacio-tiempo está curvado por toda la materia cercana (planetas, etc.). Sin embargo, el fotón no se mueve arriba y abajo con la forma de onda. El fotón está representado por una forma de onda porque así es como lo medimos. Para nosotros, con nuestras mediciones, el fotón es la forma de onda. Una longitud de onda = un fotón. La onda se mueve como una sola. Si yo te lanzara una percha no tomaría la trayectoria de su forma. Toda la percha se movería como una sola. Espero que esto rompa tu percepción de que un fotón viaja a lo largo de sí mismo. No se desplaza a lo largo de sí mismo. Todo lo mejor.