Los fotones son partículas subatómicas fundamentales que transportan la fuerza electromagnética o, en términos más simples, son partículas de luz y mucho más. El fotón también es el "cuántico" o unidad fundamental de radiación electromagnética. Todos están rodeados de fotones: la luz que proviene de la pantalla que está viendo está compuesta de fotones, el rayos X los médicos solían ver que los huesos están hechos de fotones, la radio en un automóvil recibe su señal de fotones y los imanes en un refrigerador usan fotones para sostenerse.
Al igual que todas las demás partículas subatómicas, los fotones exhiben dualidad onda-partícula, lo que significa que a veces se comportan como partículas diminutas y a veces actúan como ondas. Los fotones no tienen masa, lo que les permite viajar en el velocidad de la luz en el vacío 299 792 458 metros por segundo y puede viajar una distancia infinita.
descubrimiento de fotones
Aunque los físicos han estudiado la naturaleza de la luz durante siglos, los argumentos iban y venían sobre si la luz estaba hecha de partículas diminutas o era de naturaleza ondulatoria. Sin embargo, a fines del siglo XIX, el trabajo pionero del físico alemán Max Planckcambió toda la imagen.
Planck estaba estudiando algo llamado radiación de cuerpo negro, o luz de un dispositivo especial que emitía luz en todas las frecuencias de la manera más eficiente posible. Hasta Planck, nadie podía explicar el espectro de luz proveniente de estos dispositivos, por lo que Planck agregó una "solución" alas ecuaciones Al suponer que la luz podría emitirse solo en porciones discretas de energía, conocidas como cuantos, pudo desarrollar una fórmula que explicaba perfectamente los espectros del cuerpo negro, según HyperPhysics.
Los físicos no estaban exactamente seguros de qué hacer con el resultado de Planck, pero varios años después, Alberto Einstein fue un paso más allá. Para explicar el efecto fotoeléctrico, que es la liberación de electrones de un metal cuando la luz brilla sobre él, Einstein propuso que la luz en sí misma está compuesta de pequeños trozos discretos, según la Sociedad Americana de Física. Con el tiempo, esos pequeños fragmentos se conocieron como fotones.
El trabajo de Planck, Einstein y otros para estudiar la naturaleza de la luz inició el desarrollo de mecánica cuántica.
¿Los fotones son partículas?
Estrictamente hablando, los fotones no son ni partículas ni ondas; son una combinación de ambos. En algunas situaciones, su naturaleza de partículas se manifiesta más, y en otras, su naturaleza de ondas es más evidente.
Por ejemplo, un detector puede registrar la llegada de un solo fotón, que aparece como una partícula puntual. El proceso conocido como dispersión Compton implica que un fotón choque con un electrón y, en esa situación, el fotón actúa como una partícula.
Sin embargo, es imposible predecir exactamente dónde o cuándo un fotón golpeará un detector. En la mecánica cuántica, solo se pueden asignar probabilidades a los eventos. Esos eventos se modelan mediante ecuaciones para ondas, con picos en las ondas correspondientes a regiones de altaprobabilidad de recibir un fotón y valles correspondientes a regiones de baja probabilidad, según AccessScience de McGraw Hill.
Este concepto se ejemplifica mejor con el famoso experimento de la doble rendija, que solidificó la naturaleza dual de onda y partículas de la luz y, eventualmente, otras partículas subatómicas. Cuando la luz pasa a través de una pantalla con dos rendijas, formaun patrón de interferencia en el detector al otro lado de la pantalla, donde los picos de las ondas se alinean entre sí en algunos lugares, y donde los picos y valles se anulan entre sí en otros, aunque solo un fotón pasa a través de la pantallaa la vez, con cada fotón individual actuando como una partícula, el patrón de interferencia que emerge en el detector es exactamente el mismo patrón que ocurriría si las ondas pasaran a través de las rendijas.
¿Los fotones tienen masa y momento?
Los fotones tienen masa cero, lo que les permite viajar a la velocidad más rápida posible en el universo, la velocidad de la luz. Sin embargo, tienen energía y cantidad de movimiento. La energía de un fotón está dada por la constante de Planck multiplicada por la frecuencia della luz, y el momento de un fotón viene dado por la constante de Planck multiplicada por la frecuencia de la luz por la velocidad de la luz, según el sitio web de Educación Energética de la Universidad de Calgary.
El hecho de que los fotones tengan impulso permite una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, las velas solares son dispositivos de propulsión experimentales que utilizan la luz solar para empujar una nave espacial.Según la NASA, los fotones del sol rebotan en la vela reflectante, impartiendo así su impulso a la vela y moviendo la nave espacial.
¿Los fotones experimentan el tiempo?
Nuestra comprensión de la tasa del paso del tiempo proviene de la teoría especial de Einsteinrelatividad, que establece que los objetos que viajan cada vez más cerca de la velocidad de la luz experimentarán tasas de paso del tiempo cada vez más lentas. En otras palabras, los relojes en movimiento funcionan lentamente, según John D. Horton de la Universidad de Pittsburgh.
Sin embargo, el matemáticas de la relatividad especial se aplican solo a los objetos que viajan más lentamente que la velocidad de la luz y no se aplican directamente a los fotones, que viajan a la velocidad de la luz. Por lo tanto, es imposible decir qué "experimenta" un fotón en términos deel flujo del tiempo, porque los científicos no tienen un lenguaje matemático para respaldarlo. Otra forma de decir esto es que el concepto del flujo del tiempo no tiene sentido para los fotones.
¿Los fotones se ven afectados por la gravedad?
Debido a que los fotones tienen tanto energía como impulso, están influenciados por gravedad. Bajo la teoría de la relatividad general de Einstein, que es nuestra comprensión moderna de la gravedad, cualquier cosa con cualquier forma de energía incluyendo masa, momento y torsión está influenciada por la gravedad. Específicamente, las partículas sin masa, como los fotones, siguen "geodésicas," que son caminos de mínima distancia de un punto a otro, según EarthSky.
En relatividad general, espacio-tiempo es curvo debido a la influencia de objetos masivos. Esto puede hacer que la ruta de "distancia mínima" sea una línea curva, al igual que los aviones tienen que seguir una ruta curva para ir directamente de una ciudad a otra, porque Tierra en sí mismo es curvo.
La curvatura del espacio-tiempo afecta a los fotones de varias maneras. Cuando los fotones se mueven de una región de gravedad fuerte a una región de gravedad más débil, perderán energía, lo que reduce sus frecuencias al extremo más rojo del espectro. Cuando los fotonespase cerca de objetos masivos, su dirección de movimiento cambiará.
Recursos adicionales
- Puede profundizar en la relación entre la luz y el tiempo en este vídeo de YouTube presentado por el autor de este artículo, el astrofísico Paul M. Sutter.
- Para una exploración divertida de la naturaleza de la mecánica cuántica que, por supuesto, también analiza los fotones, consulte "Cómo enseñar física cuántica a tu perro" Scribner, 2010 por el físico Chad Orzel.
- The Physics Asylum también alberga un excelente video explicativo sobre la naturaleza del fotón, que puede ver aquí.
Bibliografía
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