¿Cómo sabemos que los fotones realmente existen?

Esta es una pregunta bastante buena de la que muchas personas probablemente tienen una idea equivocada. El experimento clásico para la existencia del fotón es el efecto fotoeléctrico, donde se ilumina un material y, como resultado, se expulsan electrones del material y se mide la corriente resultante. Ahora, los resultados de este experimento muestran que la absorción de la luz depende de la frecuencia, algo que la teoría clásica no predice. Sin embargo, esto tampoco requiere la existencia del fotón. Esto se puede explicar únicamente por las propiedades del material (que el dipolo de transición debe oscilar a la misma frecuencia de la luz para que sea absorbido) y no requiere la introducción del fotón. Pero hay otras cosas que la teoría clásica predice sobre el efecto fotoeléctrico que no se observan.

El que nos importa está relacionado con el tiempo. ¿Cuánto tiempo pensamos que tomará el material para absorber suficiente energía para expulsar un electrón? Clásicamente, esperaríamos que el tiempo dependiera de la intensidad de la fuente de luz. Los haces de menor intensidad contienen menos energía, y podríamos disminuir la intensidad hasta el punto en que esperaríamos una cantidad considerable de tiempo entre cuando la fuente brilla sobre el material y cuando se ha suministrado suficiente energía para expulsar un electrón. Sin embargo, esto nunca se observa. La absorción es esencialmente instantánea (rango femto a nano-segundo) y completamente independiente de la intensidad de la luz. Esto implica que la cantidad de energía requerida para la absorción está, de alguna manera, localizada y absorbida a la vez. Dado que así es como predecimos el comportamiento de las partículas, presentamos el concepto del fotón como una explicación.

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Sabemos absolutamente dos cosas acerca de la luz a partir del experimento y la observación (en realidad, sabemos más, pero estas son las relevantes para esta pregunta):

1) La luz viaja en ondas electromagnéticas, como se describe en las ecuaciones de Maxwell. Estas ondas se extienden en distancias macro e interfieren con otras ondas EM y ellas mismas.

2) Todas las ondas electromagnéticas se absorben o emiten solo en unidades discretas de energía llamadas “cuantos”. El tamaño de los cuantos para una onda dada es proporcional a su frecuencia, y la constante de proporcionalidad se llama “Constante de Planck”.

Estos dos hechos bien establecidos son difíciles (quizás imposibles) de reconciliar con nuestro sentido común y nuestra experiencia diaria. ¿Cómo puede una onda, tal vez diseminada a lo largo de muchos metros (en el caso de la interferometría estelar) ser absorbida por un solo átomo? En una máquina de resonancia magnética, una cantidad de onda de radio con una longitud de onda de 10 a 20 metros se absorbe al hacer que un solo protón salte de un campo magnético. No hay manera de entender esto en base a nuestra experiencia personal y cotidiana.

Al tratar de obtener una comprensión intuitiva de esto, las personas han imaginado que la luz “realmente” consiste en partículas (fotones). Sin embargo, esto no resuelve el problema, ya que ahora no podemos explicar cómo las partículas pequeñas pueden comportarse como ondas. Por ejemplo, hay una pregunta de Quora sobre cómo un ‘fotón único’ que pasa a través de una rendija de un interferómetro de doble rendija ‘sabe’ si la otra rendija está abierta o no: (¿Cómo puede un fotón que pasa a través de una rendija ‘saber’ sobre la existencia de la otra rendija si la formación del patrón de interferencia requiere la existencia de dos rendijas?)

Esta paradoja ha llevado a muchos científicos (incluidos Bohr y Feynman) a afirmar que la luz es una especie de quimera: se podría hacer un experimento que demostró que estaba hecho de partículas, o uno que mostró que eran ondas, pero ningún experimento posible podría mostrar ambas. al mismo tiempo. Sin embargo, esta opinión fue refutada por algunos estudiantes de Nueva Jersey que desarrollaron un experimento simple (que podría haberse realizado en cualquier momento de los últimos 70 años) que mostró ambas características a la vez. ( http://arxiv.org/ftp/quant-ph/pa… )

Simplemente siguiendo los hechos verificados empíricamente, que la luz se propaga como ondas EM pero se crea y absorbe de forma cántica, predice el resultado de este experimento sin crear ninguna paradoja (excepto, quizás, dentro de nuestras propias mentes).

Sin embargo, los hechos conocidos no se prestan a una imagen intuitiva que podamos comprender. El universo tal vez nos está diciendo que simplemente demos a nuestra intuición un descanso por un tiempo y simplemente sigamos lo que se observa. Quizás nuestra intuición mejore con el tiempo.

Gaurang Kotasthane

Sabemos que la energía electromagnética es absorbida y emitida en unidades discretas. Sabemos que la luz puede enviarse a un detector con una energía suficientemente baja que llega como puntos de impacto. Para explicar esto, llamamos unidades discretas de fotones de luz. No hay duda de que podemos construir experimentos que requieren que la luz se comporte como si fuera una corriente de tales fotones, aunque igualmente podemos construir experimentos que requieren que la luz se comporte como si fuera una onda. Normalmente, no se detectan ambos fenómenos al mismo tiempo, sin embargo, se han detectado cambios de fase alrededor de fotones individuales. Ver Lundeen, JS, Sutherland, B., Patel, A., Stewart, C., Bamber, C. 2011. Medición directa de la función de onda cuántica. Nature474 : 188 – 191.

Entonces, los fotones existen, pero eso no responde completamente a lo que probablemente estás preguntando: ¿qué es un fotón? Eso, no lo sabemos. El fotón es un término que se requiere para explicar algunos fenómenos observados, por lo que algo causa estos fenómenos, pero no sabemos exactamente qué.

Alma Osmanović

Las propiedades de la luz siempre han sido un campo intrigante. Se pensó por primera vez que la luz se probaba como una onda mediante el experimento de la Doble rendija de Young, donde se lanzaba un haz de luz en una pantalla con dos rendijas. La luz viajaría a través de ellos y crearía un patrón de interferencia en la pared detrás de la pantalla. Esto demuestra que la luz es una onda porque las ondas que atraviesan las rendijas interfieren entre sí y causan el patrón en la pared posterior. Esto fue ampliamente aceptado durante mucho tiempo hasta que Einstein descubrió un principio que llamó el efecto fotoeléctrico, que mostró que la luz es una partícula. Max Planck pensó por primera vez que la luz realmente se compone de paquetes de energía que él llamó “cuantos”. Como dije, Einstein ideó un experimento para demostrar esto cuando disparó un rayo de luz a una lámina de metal. Cuando hizo esto, descubrió que se escapaban electrones de la lámina. Lo interesante que encontró al hacer este experimento fue que cuando la intensidad de la luz aumentaba, más electrones escapaban de la lámina. Esto mostraba que los electrones no aumentaban su energía cinética y, por lo tanto, su velocidad, sino que cada paquete de energía correspondía a un cierta cantidad de electrones que se liberan a una cierta velocidad. Esto finalmente demostró que la luz en realidad está compuesta de fotones y que los fotones existen. Sin embargo, ahora vemos que hay una especie de dualidad de onda-partícula, por lo que la luz se puede describir de diferentes maneras en diferentes situaciones.

Jamie Titus

Podemos medir su energía. Cuando, por ejemplo, el fotón gamma interactúa con el material del detector a través de tres interacciones (dispersión Compton, efecto fotoeléctrico o producción de pares) provoca la producción de electrones, o en la última interacción, electrones y positrones. La carga puede ser medida. Además, cada una de estas tres interacciones es una clara evidencia de la existencia de fotones. El efecto fotoeléctrico: un fotón, si tiene suficiente energía para superar el enlace de energía del metal, hace que el electrón se expulse del metal; producción de pares, para energías de fotones superiores a 2.01 MeV, un fotón se transforma en un par de electrón-positrón … con masas conocidas.

Ian Miller

Suponiendo que su pregunta es “cómo sabemos que la luz se comporta como una partícula (fotones)”, la respuesta es “experimentos”. Un experimento simple pero clásico es el efecto fotoeléctrico, que muestra (esencialmente) que no se puede absorber energía de ninguna fracción de un fotón. Debes absorber un fotón entero o ninguno de ellos. Esta es una propiedad extremadamente difícil de satisfacer para una onda, así que este fue uno de los argumentos convincentes (entre otros) de que la luz es una partícula (llamada fotón).

Si su pregunta es “¿cómo sabemos que existe algo parecido a la luz”, la respuesta es “experimentos”? El ser más básico para abrir los ojos. La información sobre el mundo llega a usted de alguna manera, y usted podría llamar a eso “fotón” sin importar la forma que tomó.