- Cuando un electrón salta de un nivel de energía alto a uno bajo y se crea un fotón, ¿puede detectarse el fotón desde todos los puntos de vista o sólo desde una posición discreta? ¿El núcleo del átomo proyecta una sombra sobre la perturbación del campo em que provoca la creación del fotón? Lo que encuentro difícil de entender sobre un fotón que es detectable en todas partes debido a su naturaleza ondulatoria es que con tantas creaciones de fotones que causan ondas (o son perturbaciones) en el campo electromagnético en cualquier momento, cómo es posible ver (detectar) algo discreto en absoluto si las ondas son la única explicación de la visibilidad, ya que esperaría tanta interferencia cruzada con todas las diferentes perturbaciones que se crean en cada átomo donde un electrón cambia de energía que el campo electromagnético sería simplemente un caos (soy un estudiante de Cs, no de física sin embargo, lo que podría explicar mi confusión)
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¿el fotón viaja inmediatamente a la velocidad de la luz?
Sí, en el sentido de que si se mide inmediatamente su energía y su momento, están relacionados de la manera que se requiere si y sólo si una partícula se mueve a la velocidad de la luz ( $E=pc$ ). Pero no tiene un vector de velocidad bien definido en el sentido que se imagina para una partícula clásica, porque no tiene una trayectoria bien definida.
¿El fotón asume inmediatamente su longitud final?
"Longitud" puede significar la longitud de onda o la longitud del tren de ondas, que son cosas diferentes. La cuestión principal aquí es la longitud de onda. Si asumiera inmediatamente su longitud de onda final, tendríamos una paradoja, ya que tendría que recorrer una distancia $>\lambda$ en tiempo cero, pero eso le daría una velocidad infinita. En un tiempo corto $t$ después de la emisión, el principio de incertidumbre energía-tiempo dice que debe haber una incertidumbre en la energía del fotón $\gtrsim h/t$ . Esto hace que su longitud de onda sea incierta en una cantidad correspondiente, y si se calcula el álgebra, esto es suficiente para que la paradoja desaparezca.
¿Puede detectarse el fotón desde todos los puntos de vista o sólo desde una posición que se encuentre directamente en su trayectoria?
Un fotón no tiene un camino. Una trayectoria es una propiedad de una partícula clásica, no de una partícula ondulatoria cuántica. La probabilidad de detectarlo en una dirección determinada depende del patrón de radiación, al igual que para un patrón de radiación clásico. (Este es un ejemplo del principio de correspondencia).
¿Cómo se decide la trayectoria inicial del fotón?
No tiene una trayectoria.
Santosh Bachkar
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Para responder a este tipo de preguntas, el principio de superposición cuántica es esencial.
Los procesos cuánticos son suaves. El nombre "cuántico" proviene del hecho de que algunos resultados de las mediciones se limitan a una lista finita de resultados en lugar de un continuo de resultados posibles, pero procesa siguen siendo suaves. De hecho, los procesos en la teoría cuántica son más suave ¡que los procesos de la teoría clásica! Esto es posible gracias al principio de superposición cuántica. Lo ilustraré primero en un modelo de juguete más sencillo y luego explicaré cómo se relaciona con la cuestión de los fotones.
Modelo de juguete: Moverse suavemente en un espacio discreto
Para ilustrar la afirmación de que los procesos en la teoría cuántica son más suaves que los procesos en la teoría clásica, y para explicar cómo se relaciona esto con el principio de superposición cuántica, considere un modelo de juguete de una partícula (no un fotón) en un espacio discreto donde las coordenadas sólo pueden ser enteros en lugar de números reales. En un modelo clásico, la partícula no podría moverse suavemente. Para moverse, tendría que desaparecer repentinamente de un punto y reaparecer en otro, porque las coordenadas sólo pueden cambiar en cantidades enteras. Pero en un quantum modelo, la partícula puede moverse sin problemas aunque las coordenadas sólo pueden tener valores enteros. Esto es posible gracias al principio de superposición: si $|A\rangle$ representa el estado en el que la partícula se encuentra en el punto $A$ y si $|B\rangle$ representa el estado en el que la partícula se encuentra en el punto $B$ , y luego estados como $$ \alpha|A\rangle+\beta|B\rangle $$ también son posibles, para cualquier número complejo $\alpha$ y $\beta$ con $|\alpha|^2+|\beta|^2=1$ . Los puntos $A$ y $B$ siguen teniendo coordenadas enteras, pero la ubicación de la partícula es indefinido de esa manera extraña que hace que la teoría cuántica sea tan divertida. En palabras sueltas e inadecuadas, la partícula está en parte en $A$ y en parte en $B$ . Aunque las coordenadas de esos puntos sean enteras, los coeficientes $\alpha$ y $\beta$ puede seguir variando de forma continua, por lo que el grado de localización de la partícula en cada uno de los dos puntos discretos puede variar de forma continua. De este modo, la partícula puede "moverse" suavemente de estar completamente en $A$ a estar completamente en $B$ sin entrar nunca en el espacio intermedio.
Una moraleja de esta historia es que la teoría cuántica no puede tratarse como "teoría clásica con algo de azar". El principio de superposición cuántica es esencial, y la teoría clásica (con o sin aleatoriedad) no tiene un buen análogo para esto.
¿Qué ocurre cuando se emite un fotón?
Cuando un electrón salta de un nivel de energía alto a uno bajo y se crea un fotón, ¿el fotón viaja inmediatamente a la velocidad de la luz?
Incluso si los niveles de energía disponibles para el electrón son discretos, el electrón sigue en transición sin problemas de uno a otro, gracias al principio de superposición. Esto funciona igual que en el modelo de juguete anterior, pero ahora en lugar de hablar de puntos en un espacio discreto, hablamos de niveles de energía discretos. Esta transición puede ocurrir muy rápidamente, por lo que llamarla "salto" puede estar bien; pero cuando usamos ese lenguaje, tenemos que recordar que la transición (el "salto") ocurre sin problemas aunque sea relativamente rápido.
La energía total del sistema se conserva, y a medida que el electrón transita suavemente desde el nivel de energía más alto al más bajo, la luz se sin problemas emitido. Pero espera: ¿cómo puede la emisión de un fotón ser un proceso continuo? ¿No es un fotón una cosa discreta del tipo "todo o nada"? Una vez más, el lenguaje ambiguo es el culpable. Sí, hay un sentido en el que la luz consiste en cosas discretas de todo o nada ("fotones"). Por ejemplo, cuando medimos la cantidad de energía de la luz con una frecuencia determinada, la respuesta es siempre un entero múltiplo de la constante de Planck por esa frecuencia. En este sentido, los fotones son cosas que se pueden contar. Pero cuando no estamos midiendo la energía, el principio de superposición cuántica permite que los estados superposición de diferentes números de fotones. Eso es exactamente lo que ocurre cuando se emite luz mientras un electrón transita suavemente de un nivel de energía a otro: tenemos una superposición cuántica de la forma $$ \alpha|A\rangle+\beta|B\rangle \tag{1} $$ donde $A$ significa que "el electrón está en el nivel de energía más alto y no hay ningún fotón", y $B$ significa que "el electrón está en el nivel de energía más bajo y hay un fotón presente". Aunque $A$ y $B$ difieren entre sí de forma discreta, el coeficientes en la superposición, el $\alpha$ y el $\beta$ puede variar continuamente en el tiempo. Eso es lo que ocurre cuando un átomo emite un fotón. El proceso es suave, aunque medir el número de fotones daría una respuesta discreta.
Por cierto, el hecho de medir el número de fotones modificaría el proceso de emisión que estamos tratando de estudiar, porque no podemos medir algo si no interactuamos con él.
También por cierto, si ambos coeficientes son distintos de cero en el estado (1), entonces el nivel de energía del electrón y la presencia/ausencia del fotón son enredado entre sí. Durante la transición, ni el electrón ni el fotón tienen un estado propio. Sólo el par tiene un estado bien definido, es decir, una superposición de opciones $A$ y $B$ . Este tipo de enredo es esencial para entender cómo el proceso de emisión puede ser suave.
...¿el fotón viaja inmediatamente a la velocidad de la luz? ¿Asume el fotón inmediatamente su longitud final?
Para responder a esto, es necesario abordar otra cuestión. Cuando decimos que un fotón es una partícula "puntual", lo que queremos decir es que la interacción entre los fotones y (digamos) los electrones es local sin acción a distancia. Sería igual de exacto decir que las ecuaciones de Maxwell describen el campo electromagnético como un campo "puntual" - no es el campo en sí lo que está localizado, sino la forma en que el campo interactúa con la materia cargada. El interacción es puntual, aunque el campo y la materia no lo sean. El mensaje importante es que el propio fotón puede extenderse en el espacio como un paquete de ondas extendido, aunque sea una partícula "puntual" en el sentido de que sus interacciones son locales.
Mientras el electrón realiza la transición, la perturbación en el campo elecromagnético cuántico se propaga hacia el exterior a la velocidad de la luz en el $B$ parte del estado (1). Todo el proceso es suave: la longitud de la perturbación crece mientras se produce la transición, y el principio de superposición es de nuevo lo que lo hace posible. Al final, una vez completada la transición, tendremos un fotón con una longitud finita (la longitud del paquete de ondas) que se aleja del átomo a la velocidad de la luz.
¿Puede detectarse el fotón desde todos los puntos de vista o sólo desde una posición que se encuentre directamente en su trayectoria?
¿Qué camino? El principio de superposición ataca de nuevo. El fotón no se emite en una única dirección bien definida, al igual que no tiene una única ubicación puntual bien definida. Si rodeamos el átomo con una gran cáscara esférica de detectores de fotones, sólo uno de esos detectores hará "clic", pero eso no significa que el fotón se moviera exclusivamente en esa dirección antes de la medición. El experimento de la doble rendija es la forma prototípica de demostrar esto, y hay muchos otros.
¿Cómo se decide la trayectoria inicial del fotón?
En la superposición sobre todas las direcciones, algunas direcciones pueden tener más peso que otras (en el sentido de que esos coeficientes en la superposición tienen magnitudes mayores), pero un proceso de emisión natural no dará lugar a ninguna trayectoria para el fotón. Si intentamos medir la ubicación del fotón en un momento dado, entonces obtendremos una ubicación específica como resultado de esa medición, pero de nuevo: eso es una consecuencia del acto de medición.
sata
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El fotón se mueve inmediatamente a la velocidad de la luz. Fotones en el vacío siempre moverse en c . No aceleran ni desaceleran.
Su función de onda tiene inmediatamente una longitud de onda que depende de la diferencia de los niveles de energía atómica, pero el fotón no tiene longitud porque es una partícula puntual.
El fotón puede detectarse en cualquier lugar, pero, dependiendo de la transición atómica, puede ser más probable que se detecte en algunas direcciones que en otras.
No hay una trayectoria que decidir; la probabilidad de detectar el fotón en cualquier posición está descrita por una función de onda cuántica-mecánica, no por una trayectoria clásica.
