¿Cómo transporta información la luz, que es una onda electromagnética?

Question

Vemos un objeto cuando la luz de una fuente incide sobre él y llega a nuestros ojos. ¿Cómo se codifica la luz, que es una onda electromagnética, con la información sobre el objeto? ¿Esta información se transmite a los fotones individuales o es la naturaleza ondulatoria de la luz la que se modifica para transmitir la información sobre el objeto?

Además, si la luz choca con un objeto y luego con otro de camino a nuestros ojos, ¿sólo transporta información de la última interacción que tuvo? ¿Cómo se borra (si es que se borra) la información debida a todas las interacciones anteriores?

Answer 1

Hablas de la luz como si fuera una persona que lleva una pizarra con sujetapapeles anotando cosas en su camino hacia ti. Es un fenómeno físico que se ve afectado a medida que se propaga.

Dependiendo de los diversos procesos que atraviesa antes de llegar al ojo, su amplitud, polarización, frecuencia (o longitud de onda), tiempo de pulso, etc. se ven afectados, por lo que podemos infiera lo que debe haber atravesado y llegar a saber del objeto en el que debe haberse reflejado o atravesado o del que procede.

Si se modifica la frecuencia, se dice que el fotón tiene una energía diferente de $E=h\nu$ . Como la luz tiene propiedades tanto de partícula como de onda, según la situación en que nos encontremos, podemos hablar igualmente de $k=\frac{2 \pi \nu}{c}$

Considere estos ejemplos:

• Digamos que tienes una fuente láser de bolsillo. La proyectas sobre dos paredes, una a 500 m y otra a 1 km. La luz viaja durante más tiempo para volver a ti desde la segunda pared. Aquí, la luz no se ve afectada, pero sólo se registra el tiempo. Si no sabías a qué distancia estaban las paredes de ti, ahora puedes calcular la distancia a la que se encuentran. Esto es información

• Las hojas son verdes. Esto significa que reflejan la luz verde y absorben todos los demás colores presentes en la luz solar. Cuando sales a la calle y puedes "ver" una hoja, se trata de información. Ahora bien, las frecuencias de una luz se han visto afectadas en parte.

• Ves estrellas por la noche. La luz ha viajado durante muchos años y los fotones han golpeado tu ojo. Ahora sabes cómo era la estrella hace unos años (la luz de la estrella más cercana tarda unos 4,5 años en llegar hasta ti). De este modo, se transmite información sobre la posición de la estrella y su temperatura. La longitud de onda de la luz que te llega transporta información.

• La luz de los objetos también sufre un "desplazamiento doppler": la policía utiliza este efecto para obtener la información: la velocidad del coche al que apuntan con la pistola de radar. La frecuencia cambia en este proceso. Este cambio de frecuencia transporta información.

Answer 2

Cuando un fotón llega a la retina, sólo tiene dos informaciones:

Su longitud de onda y su posición/dirección. Eso es todo.

Pero no es el único. Nos bombardean miles de millones de fotones cada segundo y el patrón que hacen estos fotones es donde se esconde la información.

Y tenemos un cerebro que es bastante bueno descifrando estos patrones.

Supongamos que un proyector de vídeo proyecta una película en una pared azul con una imagen. Usted está viendo el resultado.

Si observamos un fotón individual, puede reflejarse en la pared o en el cuadro, o puede ser absorbido. Un fotón absorbido no tiene información para nosotros, y el fotón reflejado sólo tiene su longitud de onda y posición.

La información sobre la posición del proyector se pierde por completo. Pero el patrón de la película sigue ahí.

Lo que ocurre cuando este patrón choca contra la pared azul es que la mayoría de los fotones azules se reflejan, pero menos de los otros fotones. Una vez más, esto sólo es evidente cuando se observa el patrón formado por muchos fotones.

Y la imagen tendrá zonas con distintos colores que reflejarán o absorberán los fotones a su manera. De este modo, añade su propio patrón al vapor de fotones.

La luz que finalmente llega a tus ojos es una mezcla del patrón de la película, el patrón del cuadro y el color de la pared. Esto puede resultar confuso, pero en la mayoría de los casos tu inteligente cerebro puede entenderlo.

Answer 3

Creo que tratar de pensar en términos de luz "codificada con información" es una forma confusa y excesivamente complicada de ver las cosas.

Supongamos que estoy junto a una ventana y hay una lámpara al otro lado de la ventana. ¿Qué ocurre cuando la luz de la lámpara entra en contacto con el cristal? Si quieres, puedes describir lo que ocurre así:

La luz queda codificada con la información de que la materia en esa región del espacio es transparente.

Pero esa sería una forma muy complicada de describir lo que ocurre. Una descripción mucho más sencilla de lo que ocurre es la siguiente:

La luz atraviesa el cristal.

En la inmensa mayoría de las situaciones cotidianas, cuando la luz se encuentra con un objeto, lo atraviesa (transmisión), rebota en él (reflexión) o se destruye (absorción). Así de simple; los fotones no "se codifican con información".

Cuando un rayo de luz incide, por ejemplo, sobre una palabra escrita en un papel, lo único que ocurre es que una parte de la luz se refleja y otra no.

Answer 4

Permítanme desviarme primero hacia la radio&televisión: una onda de radio de frecuencia constante no transporta información, ya que es absolutamente predecible en función de unos pocos parámetros: su amplitud, su frecuencia y su fase inicial: $$ X(t) = A\cos(\omega t +\varphi) $$ La información se codifica en la onda mediante modulador estos parámetros, es decir, modificándolos en el tiempo. Así obtenemos modulación de amplitud (AM), modulación de frecuencia (FM) y modulación de fase (el mismo AM/FM que se ve en las radios). La velocidad de esta modulación suele ser bastante baja en comparación con la frecuencia de transporte. $\omega$ - Sin esta alta frecuencia, la señal nunca se propagaría a grandes distancias.

Cuando se trata de fibra óptica, las técnicas de modulación antes mencionadas son poco prácticas debido a las frecuencias de luz extremadamente altas (en comparación con las radiofrecuencias), por lo que se recurre a la codificación numérica de $0/1$ cuando la luz está apagada/encendida. Esto podría considerarse una especie de modulación de amplitud.

Por último, volviendo a la luz natural, vemos que también codifica información, aunque quizá de más formas: en su frecuencia -más concretamente en el espectro de sus frecuencias-, en su dirección, en su fase, etc. Por cierto, la diferencia entre las imágenes convencionales y las holográficas es que unas no registran la fase, mientras que las otras sí.

Answer 5

La luz puede transportar información definida por las frecuencias del espectro luminoso que posee. Por ejemplo, el color de un objeto es una información que transmite la luz. La luz blanca del sol es en realidad muchas longitudes de onda diferentes combinadas para crear "el color blanco". Estas longitudes de onda pueden enseñarnos cosas:

• En qué objeto se refleja

• Lo que creó esta luz

• Qué cosas tuvo que pasar la luz antes de llegar a nosotros.