¿Qué se entiende exactamente por longitud de onda de un fotón?

Question

Llevo tiempo dándole vueltas a esta cuestión, y buscando en Internet no he encontrado una respuesta satisfactoria.

Muchos fotones, como los de la luz visible, tienen una longitud de onda muy pequeña (que, según mis conocimientos de física básica, es la distancia entre dos crestas), pero también sé que algunas ondas electromagnéticas tienen longitudes de onda de varios metros o incluso kilómetros, como las ondas de radio.

Lo que me quita el sueño es la pregunta: "¿Cómo es posible que un fotón tenga una longitud de onda de unos pocos kilómetros y que, sin embargo, siga considerándose una partícula?".

¿Significa esto que un fotón individual mide varios kilómetros? Si es así, ¿no estaría sujeto a tantas variaciones entre el comienzo de la onda y su final?

Me doy cuenta de que la materia también es ondulatoria, y que su incertidumbre de posición viene dada por su longitud de onda de De Broglie. ¿Se aplica esto al fotón?

En otras palabras, ¿es la longitud de onda de un fotón simplemente la incertidumbre de su posición?

Answer 1

El fotón es una partícula elemental en el modelo estándar de la física de partículas. No tiene longitud de onda . Se caracteriza en la tabla como una partícula puntual con masa cero y espín uno. Su energía viene dada por $E=h\nu$ donde $\nu$ es la frecuencia de la onda electromagnética clásica que pueden formar los fotones de la misma energía.

Aquí es donde viene la confusión. La longitud de onda y la frecuencia caracterizan la onda electromagnética emergente a partir de muchísimos fotones. Cómo emerge la onda clásica se puede ver aquí aunque necesita una base de teoría cuántica de campos para entenderlo. El fotón, como entidad mecánica cuántica, tiene una función de onda mecánica cuántica. Esta función de onda compleja conjugada al cuadrado da la densidad de probabilidad de que el fotón específico esté en $(x,y,z,t)$ . La frecuencia en la función de onda es la frecuencia de la posible onda clásica emergente, pero para el fotón individual sólo está relacionada con la probabilidad de manifestación, como por ejemplo en los experimentos de doble rendija con un solo fotón.

Cámara monofotónica que registra los fotones procedentes de una doble rendija iluminada por una luz láser muy débil. De izquierda a derecha: fotograma único, superposición de 200, 1'000 y 500'000 fotogramas.

me preguntas:

"¿Cómo puede un fotón tener una longitud de onda de unos pocos kilómetros y, sin embargo, seguir considerándose una partícula?

No es así. Se necesitan millones de fotones para formar la onda electromagnética clásica. En las fotos de arriba cada fotón individual da un pequeño punto. La acumulación da la distribución de densidad de probabilidad para los fotones, y he aquí que hay una frecuencia asociada con el patrón de interferencia, a pesar de que el fotón se manifiesta individualmente como un punto en el $(x,y)$ de la pantalla.

Por eso necesitamos la mecánica cuántica.

Editar después de que esta pregunta se convirtiera en el duplicado principal de otra, en la que tengo una larga respuesta/comentario que podría ser de interés para los lectores.

¿Tiene o no longitud de onda un fotón? [duplicar]

Answer 2

En cuanto a las partículas sin masa, no hay que olvidar que el espaciotiempo de su línea de luz está vacío (= cero). Eso significa que el punto de emisión y el de absorción son adyacentes en el espaciotiempo, aunque el intervalo espacial entre ellos mida miles de millones de años luz. En consecuencia, no hay ningún problema para la transmisión de las características de las partículas sin masa.

La onda de un fotón se propaga por el espacio con velocidad c, y la longitud de una onda es lo que podemos medir en el espacio (con un metro), aunque el intervalo espaciotiempo sea cero.

Esta regla no se aplica a los fotones que se mueven a una velocidad v < c a través de la materia. Las características de las partículas se transmiten, pero el intervalo espaciotemporal de la línea del mundo de su movimiento temporal con velocidad v < c no está vacío. Este es uno de los fenómenos de la no localidad cuántica, y sólo podemos describirlo y calcularlo, pero aún no tenemos una explicación.

Answer 3

Mi respuesta se acerca a la de @AnnaV pero hay una sutil diferencia. La función de onda no es el resultado de muchos fotones, sino que da el valor de expectativa de una medida. Las ecuaciones de Maxwell son para los fotones lo que las ecuaciones de Schrödinger y Dirac son para los electrones. Sus soluciones predicen observaciones estadísticas de fotones. Los electrones no tienen longitud de onda, sólo la tienen las funciones de onda de los electrones. Lo mismo ocurre con los fotones.

Answer 4

Desde hacía mucho tiempo se sabía que la luz presentaba efectos de interferencia, al igual que otras ondas, como las sonoras o las del agua. Así, en el experimento de la doble rendija con luz monocromática se obtienen las bandas clara y oscura en la pantalla, a partir de las cuales se puede calcular la longitud de onda de la luz. Así pues, se supuso que, al ser la luz una onda, debía existir un medio vibrante que la transmitiera, al que llamaron éter. La gran diferencia entre la luz y las demás ondas conocidas era que en la luz no existía ningún fenómeno físico alternativo, como la altura del agua o la presión del aire, que en las ondas clásicas podían medirse directamente. Planck y Einstein dieron al traste con la teoría del éter cuando la luz se convirtió en partícula, y Max Born dio la única explicación posible del efecto de interferencia: que la propiedad de onda (el cuadrado del módulo del número complejo obtenido sumando las distintas trayectorias posibles) determina la probabilidad de que el fotón se pose en ese punto de la pantalla. Es como si la naturaleza nos hubiera estado engañando haciéndonos creer que la luz debe ser una onda clásica, cuando todo el tiempo el significado de "longitud de onda" e "interferencia" son muy diferentes para una onda clásica. En el libro de Feynman 'QED' habla de 'flechas' que son números complejos representados en el plano complejo que giran según la frecuencia del fotón, describiendo así una espiral a medida que el fotón se desplaza. La longitud de onda es la distancia que recorre la flecha una vez. Es un artificio matemático (el plano complejo no existe como objeto real) que, sin embargo, nos da los resultados de experimentos reales.

Answer 5

Un fotón es una medida sobre un campo cuántico. Es un "trato único", si se quiere. Cada fotón tiene una energía y una helicidad (que a veces se confunde con el "espín"), pero eso no basta para producir una "longitud de onda", que es una propiedad de una onda electromagnética clásica. Sólo recuperamos la onda midiendo muchos fotones, que entonces se aproximan a la forma de onda clásica. Para tener una definición sensata de longitud de onda, todos estos fotones tienen que tener una energía similar, de modo que la longitud de coherencia de la onda resultante sea larga (lo suficiente). En sentido estricto, no se podría asignar esa longitud de onda a un solo fotón, ya que la medición de un solo fotón no puede decirnos que la onda es suficientemente coherente.