¿Por qué no tenemos en cuenta las trayectorias de los fotones/curvas luminosas/radiación? Tengo una confusión de términos

Question

Últimamente he hecho una pregunta sobre la trayectoria de los fotones y casi todo el mundo me ha dicho que no debería hablar de trayectorias. También se hablaba de fotones, de curvas luminosas, de luz, de radiación. Parece que hay una distinción importante entre todo eso, de la que no tengo ni idea.

Entonces, ¿por qué no hablar de trayectorias de fotones? Probablemente dirás que la luz es una onda y no una partícula. ¿Pero qué significa esto, la luz no puede ser partículas que transportan campos vectoriales, y la onda está compuesta de muchas partículas con magnitudes/intensidades que varían como una forma de onda?

¿Cuál es la diferencia entre todos los términos relacionados con la luz? ¿Por qué tenemos tantos?

Answer 1

El fotón es un punto elemental "partícula" .

partícula entre comillas porque no es una partícula puntual clásica , es una entidad mecánica cuántica. Las entidades mecánicas cuánticas, dependiendo de las condiciones de contorno, muestran a veces un comportamiento clásico de partícula elemental puntual y a veces tienen una densidad de probabilidad para su ubicación que tiene propiedades sinusoidales, es decir, ondulatorias.

Un gran número de físicos que han progresado y asimilado la física de segunda cuantización de nivel de doctorado se oponen al término "trayectoria", porque la descripción de nivel superior de este nivel mecánico cuántico subyacente se considera como excitaciones en un gran número de campos en cada punto (x,y,z), estando cada partícula de la tabla representada por un campo . Esto es demasiado esotérico para la mayoría de los profanos o estudiantes de primer año de física, y en cualquier caso es matemáticamente isomórfico con la simple descripción de "trayectorias, como se ve por ejemplo en este electrón en el campo magnético que se muestra en una foto de cámara de burbujas.

La curva roja puede ajustarse con gran precisión como una partícula cargada clásica que gira en el campo magnético con pérdida de energía. Así que las trayectorias están en el cerebro del pensador.

Volvamos a los fotones. Tienen 0 carga y 0 masa. La carga 0 significa que dejarán con gran dificultad una huella en cualquier medio, y la masa 0 que según la relatividad especial viajarán en línea recta. Los experimentos del LHC dependen absolutamente de estas trayectorias de los fotones para identificarlos con el vértice del que proceden.

Evento candidato a bosón de Higgs procedente de colisiones entre protones en el detector CMS del LHC. A partir de la colisión en el centro, la partícula decae en dos fotones (líneas amarillas discontinuas y torres verdes) (Imagen: CMS/CERN)

Hasta ahí los fotones en el laboratorio.

Ahora radiación y luz. Radiación es un término que procede de la electrodinámica clásica, y la luz se representa como campos eléctricos y magnéticos cambiantes que irradian hacia el exterior desde la fuente como una onda de densidad de energía en el espacio y el tiempo. Óptica que se ha estudiado durante siglos utiliza rayos para calcular dónde impactará la onda y cómo se reflejará o refractará. Los índices de refracción y absorción dan resultados precisos para la radiación que incide sobre la materia, etc., etc. Por tanto, no se trata de trayectorias, sino de rayos.

Las ondas electromagnéticas clásicas están formadas en sinergia por billones de fotones. Esto puede verse matemáticamente para los que sepan seguir las matemáticas.

Espero que ahora quede claro que tenemos muchos términos porque luz y fotones no son sinónimos, del mismo modo que un ladrillo y un edificio no son sinónimos. Cuando se estudian fotones individuales, el concepto de trayectoria es útil en determinadas condiciones límite.

En el estudio de la luz, los rayos ópticos son una buena herramienta para describir y predecir el comportamiento de la luz.