¿Qué son exactamente las ondas de luz?

Question

Sabemos que una onda sonora es una perturbación que se desplaza a través de un medio cuando las partículas del mismo ponen en movimiento a las partículas vecinas. Y utilizando las variaciones de presión podemos trazar un gráfico presión/tiempo que se parece a una "onda" en el sentido del dibujo.

¿Qué queremos decir cuando decimos que la luz es una onda y las partículas? utilizando el sistema anterior, podemos decir que la luz es la perturbación que se mueve a través de un medio de fotones( perdóname que no tiene sentido). Cuando dibujamos una "onda" de luz, ¿qué significa que un fotón sube y baja?

Por favor, que la respuesta sea lo más "matemática no complicada" posible.

Answer 1

Puede ser útil comenzar esta explicación desde el origen de una onda luminosa: una carga oscilante. Empecemos con la idea de que una carga estacionaria está rodeada por un campo eléctrico, y luego imaginemos que esa carga oscila hacia arriba y hacia abajo. Ahora las líneas de campo se convertirán en meneos en lugar de líneas rectas. Esas líneas de campo oscilantes son las ondas electromagnéticas que llamamos "luz" (véase animación ). Resulta (como se ha dicho en otra respuesta) que las partes eléctrica y magnética de la onda se ayudan mutuamente y permiten que la onda se propague en el espacio libre de forma muy eficiente. Ahora, imagina lo que ocurre cuando esa onda choca con una carga estacionaria (llámala carga "detectora"): el campo eléctrico ondulante tirará de la carga hacia arriba y hacia abajo y la carga "detectora" empezará a oscilar.

Si estas cargas son los electrones que rodean a los átomos, entonces se empieza a ver de dónde viene la luz y cómo se detecta. También vemos cómo la onda viaja por el vacío: no hay ningún medio que la transporte. Esta es una de las características notables de la radiación electromagnética.

En cuanto a los fotones, son un concepto peliagudo que todavía suscita debates entre los expertos.El fotón es una representación de la luz que sólo es útil cuando el haz de luz es muy débil (por lo que un fotodetector hace chasquidos distintos) o está específicamente preparado en un estado especial con exactamente uno (o exactamente $N$ ) de los fotones.

Answer 2

La luz que vemos con nuestros ojos es radiación electromagnética , muy bien modelado por Ecuaciones de Maxwell .

Las ondas electromagnéticas pueden imaginarse como una onda oscilante transversal autopropagada de campos eléctricos y magnéticos. Esta animación 3D muestra una onda plana linealmente polarizada que se propaga de izquierda a derecha. Obsérvese que los campos eléctrico y magnético de dicha onda están en fase entre sí, alcanzando mínimos y máximos juntos.

Como dice la otra respuesta eso estaba bien hasta que el efecto fotoeléctrico demostró que la luz se compone de zillones de fotones , las partículas elementales en el marco mecánico cuántico subyacente a partir del cual los comportamientos clásicos emerger . En el enlace se demuestra esto pero no es simple matemática, necesita cursos de postgrado en física y matemáticas, probablemente en sus futuros estudios.

Cuando dibujamos una "onda" de luz, ¿qué significa que un fotón sube y baja?

Un millón de fotones se unen en fase para crear la variación ascendente y descendente de los campos eléctricos y magnéticos clásicos.

La forma en que el comportamiento ondulatorio clásico emerge de los zillones de fotones no es sencilla, tiene que ver con la cuantización de las ecuaciones de Maxwell. Espero que esto te ayude en tus futuros planes de estudio.

Answer 3

Como esto no se ha dicho todavía, me gustaría dar mi opinión al respecto.

Todas las partículas fundamentales pueden verse como excitaciones de campos. Esto es cierto para los fotones, los electrones, los neutrinos, etc. ¿Necesitan estos campos un medio en el que se propaguen? Por lo que sabemos, no. Todo lo que vemos y experimentamos son excitaciones de estos campos, una sola de las cuales llamamos partícula. Se trata de un fotón para el campo fotónico (electromagnético), un electrón para el campo electrónico, etc. Estos campos tienen propiedades diferentes, como su masa, y pueden interactuar entre sí. Si una partícula no tiene masa (masa en reposo si no está implícita), tiene que viajar a la velocidad de la luz.

Definitivamente, la propagación de la luz no es la propagación de las ondas en el fondo de los fotones, sino la propagación de las excitaciones en el campo. No se requiere ningún medio para que el campo viva si consideramos los campos como las cantidades fundamentales.

Para algunos campos (masivos), la naturaleza cuantificada es mucho más evidente para nosotros desde nuestra experiencia cotidiana que para otros. Pero la cuantización es una propiedad fundamental aplicable a todos ellos.

¿Cómo conciliamos la imagen de las ondas y las partículas? Yo diría que la imagen de la partícula es una construcción de nuestras mentes que proviene de nuestra experiencia cotidiana del mundo. No me malinterpreten: la cuantización es una propiedad fundamental y si quieren llamarla "partículas", supongo que es una cuestión de nomenclatura. Pero deberíamos pensar en términos de excitaciones de campos cuantizados. Algunas excitaciones, por ejemplo algunos estados de Fock, tienen propiedades más parecidas a las de las partículas, otras, como los estados coherentes de Glauber para los campos bosónicos, tienen propiedades más parecidas a las de las ondas clásicas.

Answer 4

Einstein comparó una vez el fotón con una persona famosa (lo siento, he olvidado el nombre) que cambió de confesión a una edad temprana y volvió a su confesión inicial antes de morir:

La luz se comporta como un fotón en el punto inicial y en el punto final, y se comporta como una onda durante su recorrido.

Por cierto, la onda de luz no sube y baja, no es una "onda" en el espacio", un rayo de luz es recto, tomando siempre el camino más económico.

Answer 5

Las ondas luminosas son exactamente una explicación teórica de la radiación de la luz. La propagación de las ondas de los campos electromagnéticos es una buena teoría que funciona para las bajas frecuencias, pero como demostró Einstein (y fue premiado con el Nobel) el efecto fotoeléctrico sólo se puede explicar si la radiación electromagnética se emite como cuantos de energía dirigidos.

Supongo que la luz experimentada, como fenómeno elemental, no tiene la forma de una onda geométrica ni de una partícula geométrica.

Una cosa sobre la luz que creo que vale la pena notar es que si el movimiento se expresa como $\displaystyle\gamma^{-1}=\sqrt{1-\frac{v}{c}}$ entonces el movimiento de la luz se convierte en un cero multiplicativo, lo que da una "explicación" algebraica de la composición de las velocidades:

Supongamos que $\displaystyle m_k=\sqrt{1-\frac{v_k}{c}}$ entonces la composición de los "movimientos"

$\displaystyle m_1\star m_2=\frac{m_1m_2}{\left(1+\sqrt{(1-m_1^2)(1-m_2^2)}\right)}$

Para la luz el "movimiento" es $m_c=0$ y por eso es un límite: $0\star m=0$ . :)