está en tu libro de física, ve a buscar. Dice que puedes modelar la luz como una onda electromagnética o puedes modelar la luz como una corriente de fotones. No puedes usar ambos modelos al mismo tiempo. Es uno o el otro. Dice eso, ve a ver.
Aquí hay un resumen probable de la mayoría de los libros de texto.
1. Luz como Onda: La luz puede ser descrita (modelada) como una onda electromagnética. En este modelo, un campo eléctrico cambiante crea un campo magnético cambiante., Este campo magnético cambiante entonces crea un campo eléctrico cambiante y auge-usted tiene luz. A diferencia de muchas otras olas (sonido, olas de agua, olas en un estadio de fútbol), la luz no necesita un medio para «ondear».
¡Oh, es demasiado simple de una explicación? ¿Qué tal esto?
Estas son una forma de las ecuaciones de Maxwell. Describen la relación entre el campo eléctrico y magnético (bueno, Principalmente los dos últimos)., Si lo desea, puede usar cálculo vectorial en las ecuaciones anteriores y luego eliminar B para obtener:
Esta es la forma de la ecuación de onda. Las ecuaciones de Maxwell dicen que la luz es una onda.
2. La luz como partícula: el libro de texto Podría comenzar con alguna evidencia experimental del efecto fotoeléctrico histórico para mostrar que el modelo de onda de la luz no siempre describe lo que sucede.
Entonces dirá que podemos modelar la luz como «cosas» individuales (algunos libros en realidad dicen partículas y otros solo dicen fotones)., Estas «cosas» de luz tienen energía que depende de la longitud de onda tal que:
Aquí h es la constante de Planck y λ es la longitud de onda de la luz y f la frecuencia. Con el modelo de fotones, una luz más brillante solo produce más fotones por segundo.
¿es la luz una partícula o una onda?
La mayoría de los textos terminan con algo como esto:
» ¿es la luz una partícula o una onda? Esta es una pregunta difícil – la respuesta es que en algunas situaciones la luz se comporta como una partícula y en otras se comporta como una onda.,»
¿Qué hay de malo con varios modelos?
siempre tenemos varios modelos para las cosas que vemos. Sin embargo, son diferentes a este modelo de onda-partícula de luz. Veamos algunos otros modelos.
Momentum. Cuando empiezas a mirar momentum, casi siempre (excepto en el libro de texto awesome Matter and Interactions) se define como:
esto es genial. Es simple y útil., Va muy bien con el principio de impulso que dice que la fuerza neta en un objeto es la tasa de tiempo de cambio de impulso. Por supuesto, también se podría decir que está mal. ¿Qué pasa si tienes un protón moviéndose al 90 por ciento de la velocidad de la luz? En ese caso, no se puede utilizar esta definición de impulso con el principio de impulso. En su lugar, usted tiene que utilizar este modelo:
Eso es bueno, ¿verdad? Algunas personas llaman a esto el»impulso relativista». Sin embargo, me gusta llamar a esto simplemente impulso., Pero, ¿qué tiene esto que ver con dos modelos de luz? Bueno, ¿y si quisiera encontrar el impulso de un protón yendo a solo un 10% de la velocidad de la luz? ¿Qué modelo usaría? La respuesta depende de lo rápido que quieras calcular esto y de lo precisa que quieras que sea tu respuesta. Sí, sé que «rápido» es relativo.
Aquí está una parcela de impulso de un protón como una función de la velocidad para los dos modelos.
Usted puede ver que a bajas velocidades, los dos modelos de acuerdo., Cuanto más rápido va el protón, menos coinciden los dos modelos.
gravedad. Todo el mundo conoce el modelo de la fuerza gravitacional, ¿verdad? Puedes escribir algo como esto:
No. Eso está mal. Ese modelo solo funciona cuando está cerca de la superficie de la Tierra. La fuerza gravitacional es:
Que aún está mal, pero mejor. Sin embargo, a menudo no usamos el mejor modelo para la fuerza gravitacional cerca de la superficie de la Tierra. ¿Por qué? Porque el modelo mg funciona bastante bien., Además, los dos modelos están de acuerdo en la superficie de la Tierra al igual que las dos expresiones para el impulso de protones están de acuerdo para velocidades «lentas».
mecánica cuántica. Voy a omitir muchos de los detalles muy interesantes, pero permítanme decir que puedo usar el siguiente modelo el comportamiento de una partícula súper pequeña en una caja. Aquí hay un post anterior con la mayoría de los detalles de partículas en una caja. Date el gusto con eso.,
O tal vez te gustaría escribir como este:
Esta es la ecuación de Schrödinger y Ψ es llamada la función de onda. No te da nada que puedas medir directamente, pero de él puedes obtener la densidad de probabilidad, o una descripción de dónde es probable que se encuentre una partícula (o realmente, cualquier otra cosa que puedas saber sobre la partícula).
Pero espera! Hay más., ¿Y si utilizas la ecuación de Schrodinger para ver una partícula en una caja unidimensional? ¿Por qué harías esto? Porque es matemáticamente simple y porque podemos usarlo para explorar algunos de los resultados de un sistema cuántico. De la ecuación de Schrodinger, usted encontraría que la partícula solo puede existir en ciertas energías discretas. Este es realmente uno de los puntos clave de la mecánica cuántica (es el cuántico en cuántica).
Mi analogía cuántica favorita es una escalera. Para una escalera puede estar en un paso o en el siguiente paso, pero realmente no puede estar entre pasos., En este caso, se podría decir que la altura está cuantizada. Lo mismo es cierto para una partícula en una caja o un electrón en un átomo de hidrógeno. Solo hay ciertos niveles de energía posibles.
¿Este modelo cuántico de energía está de acuerdo con la mecánica clásica? Sí. Si miras una pelota de tenis rebotando hacia adelante y hacia atrás en un aula típica, podrías calcular los niveles de energía cuantificados. Sin embargo, estos niveles de energía están tan cerca uno del otro que esencialmente nunca sería capaz de verificar experimentalmente que la bola solo puede tener ciertos niveles de energía.,
para ser claros: el modelo cuántico de cosas es igual que los otros modelos anteriores. Lentamente da un resultado diferente del modelo clásico de cosas.
¿por qué los libros de texto incluyen el modelo fotónico de la luz?
ha sido muy paciente. Sé que quieres hablar de fotones, pero tuve que sacar las cosas de modelo del camino. Pero como dije, casi todos los libros de texto introductorios de física hablan de fotones usando el efecto fotoeléctrico como base para este modelo.
Hay una razón para esto., Albert Einstein ganó el Premio Nobel en 1921 en parte por su explicación del efecto fotoeléctrico. Por supuesto, Einstein hizo algunas otras cosas increíbles. En particular, la teoría general y especial de la relatividad. Pero el Premio Nobel no mencionó esto, solo el efecto fotoeléctrico. Sin embargo, durante el discurso de aceptación del Premio Nobel, Einstein habló de la relatividad y no del efecto fotoeléctrico.,
pero aquí está la parte loca (lo sé, probablemente pienses que todo este post es una locura): el efecto fotoeléctrico se puede explicar con un modelo de onda clásica de la luz junto con un modelo cuántico de la materia. En serio, puede., Omitiendo los detalles, déjame decir (y puedes mirar en tu libro de mecánica cuántica para verificar esto) que si tienes una partícula con energía E1 y quieres que pase al nivel de energía E2 puedes hacerlo agregando un potencial variable en el tiempo tal que:
Hey! Eso se parece extrañamente a la ecuación de la energía de un fotón. SIP. Si lo desea, puede usar luz con una frecuencia de f Para inducir la transición de un nivel de energía a otro., Aún mejor, no importa si esta transición es de un nivel de energía más alto a más bajo o más bajo a más alto. Esta perturbación oscilante puede explicar tanto la absorción como la emisión de luz.
¿Qué pasa con el efecto fotoeléctrico? Bueno, todos los resultados que se ven experimentalmente se pueden explicar si los electrones en el metal solo pueden existir en ciertos niveles de energía (modelo cuántico de la materia) y la luz es una onda. En realidad, algunos de los libros de texto más antiguos de mecánica cuántica muestran esto como un problema de ejemplo.
pero entonces, ¿por qué está el modelo de fotones en los libros de texto?, Yo diría que es debido a la inercia educativa. ¿Quién escribe los libros de texto? Si respondes «gente», entonces estás en lo correcto. ¿Pero dónde esta» gente » aprende física? Si dijeras «libros de texto», sería una buena respuesta. La gente aprende de libros de texto que tienen fotones. Luego escriben un libro de texto, así que claramente tendrán fotones en sus libros. Simple.
La Luz está cuantizada
mi punto principal aquí es que el fotón no es lo que crees que es. No es una pequeña bola de luz. No es luz como una partícula. Sin embargo, la luz sigue siendo bastante rara., Hay una naturaleza cuántica a los campos eléctricos y magnéticos en la luz (teoría cuántica de la radiación). Pero la mayoría de las cosas que miras se pueden explicar usando un modelo clásico de ondas de luz y un modelo cuantizado para la materia.
apelar a la Autoridad: admito que a veces, las cosas se vuelven confusas. En caso de que alguno de mis argumentos no tenga sentido, agregaré algunas opiniones de expertos (es decir, personas que saben más que yo).,
» ya es hora de renunciar al uso de la palabra ‘fotón’, y de un mal concepto que pronto tendrá un siglo de antigüedad. La radiación no consiste en partículas y el límite clásico, es decir, no cuántico de QTR es descrito por las ecuaciones de Maxwell para los campos EM, que no involucran partículas.»
O tal vez le gustaría una cita de Einstein?
» todos estos cincuenta años de meditación consciente no me han acercado más a la respuesta a la pregunta, ‘¿qué son los cuantos de luz?, Hoy en día, todos los Tom, Dick y Harry piensan que lo saben, pero se equivocan.»
Albert Einstein, letter to Michael Besso 1954.
TL;DR
Sí, esto es mucho tiempo. Estos son los puntos principales para que no tengas que leer todo.
- La Luz es impresionante.
- La mayoría de los modelos están equivocados en algún nivel. Sin embargo, poco a poco convergen a otros modelos más correctos.
- Es una especie de tonto describir la luz como una partícula.,
- De hecho, casi todo lo que se ve en la física de pregrado se puede explicar con un modelo de onda clásica de la luz junto con un modelo cuántico de la materia.
- No niego que existe una teoría cuántica de la radiación (QTR). Por ejemplo, el anti-agrupamiento de fotones no se puede describir con una onda em clásica.
me pregunto si debo poner el tl;dr en el principio. Oh, bueno.
comentarios preventivos
no se por qué, pero espero que algunas personas no estén tan contentos con este post., En general, las personas tienen una de las siguientes dos respuestas a este tipo de argumento.
Ahora, para algunos de los comentarios que usted pueda tener.
- ¿estás diciendo que Einstein estaba equivocado? Si es así, estás loco. En realidad, no. Puede describir el efecto fotoeléctrico con partículas de luz. Simplemente no necesitas hacerlo. Bien, Einstein estaba equivocado sobre el efecto fotoeléctrico. Todavía era un genio y tal vez el segundo físico más grande que sepamos., Newton solo lo margina porque cuando necesitaba nuevas matemáticas para su física, las inventó. Cuando Einstein necesitaba nuevas matemáticas, las aprendió de matemáticos.
- (Esto es de mi hermano Neil, tiene un comentario y una pregunta) simplemente odias los fotones como Steve Jobs odia los botones. ¿Podemos seguir hablando de torpedos de fotones o vas a prohibirlos también? No odio los fotones. Odio es una palabra fuerte. Pero sí, todavía se pueden usar torpedos de fotones, pero ¿qué pasa con los «torpedos ligeros»? ¿Eso funcionaría?
- ¿Qué pasa con el momento fotónico?, La mayoría de los libros de texto introductorios dan una buena explicación de cómo una onda electromagnética puede empujar la materia cargada eléctricamente. Me gusta particularmente la explicación en materia e interacciones II (Wiley: Chabay y Sherwood). De hecho, aquí está mi explicación previa de cómo la luz puede empujar la cola de un cometa.
- ¿Qué pasa con alguna otra cosa en particular que trata con fotones? Les remitiré a este muy bonito documento de David Norwood. Alli. (El uso y abuso de «photon» en Nanomecánica – pdf)
Hat Tip to David Norwood., De verdad, es su culpa que estuviera pensando en todo este asunto. Sin embargo, ofreció algunas buenas sugerencias para este post.