Uso y abuso del término fotón en física elemental

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Todo el mundo sabe lo que es un fotón, una partícula elemental de luz. La mayoría de la gente tiene una imagen de un fotón similar a la de la figura de la izquierda, una partícula “redondita” de luz que sigue una trayectoria bien definida. La mayoría de la gente alude a la explicación del efecto fotoeléctrico por parte de Einstein, que le llevó al Premio Nobel, para justificar esta idea de fotón. De hecho, Einstein tenía en mente “cuantos de luz” que no es lo mismo que partículas. La idea del fotón como partícula y su nombre son de del físico Gilbert N. Lewis, de 1926, poco conocido por sus ideas muy especulativas sobre los fotones, como partículas. Sólo se le recuerda porque les puso el nombre.

¿Eres físico de profesión? ¿Sabes lo que es un fotón?

Atención, pregunta: ¿cómo explicarías un campo magnético estático utilizando solamente fotones? O mejor, cómo se lo explicarías a alguien que no sabe nada de electrodinámica cuántica y/o electromagnetismo relativista.

Aclaro la pregunta: Un campo entre, pongamos, dos electrones se visualiza fácilmente suponiendo que intercambian fotones virtuales (como dos jugadores de tenis de playa parecen estar cerca gracias a la pelota). Uno se imagina los fotones como “pelota” y listo. Esta imagen es muy parecida a las líneas de campo de fuerza de Faraday, concepto desfasado del s. XIX que todavía se puede ver en los libros de electromagnetismo (sobre todo en los dirigidos a ingenieros). Pero esta analogía no permite visualizar fácilmente un campo magnético. Cómo se relacionan los fotones virtuales con las líneas de fuerza del campo de Lorentz, por ejemplo.

Para un físico profesional la respuesta técnica a la pregunta es de examen de cuarto curso. Pero la respuesta intuitiva es mucho más difícil. Para alumnos de primer curso o para alumnos de cursos de física en ingeniería, la visualización del fotón como partícula no ayuda, más bien al contrario, perjudica la comprensión. Por ello, muchos físicos docentes están en contra del uso y abuso de estas imágenes “clásicas” a alumnos de primeros cursos.

El artículo en la web de Rhett Allain, de Physics Stuff, “Photon – do we need these?,” 08/04/08 , va en esta línea. Se basa en un artículo previo de David P. Norwood, “The Use and Abuse of the “photon” in Nanomechanics,” de elocuente título y recomendable lectura.

La idea de ambos artículos es sencilla: el único sitio donde un estudiante de física “elemental” necesita “ver” la palabra fotón es para explicar el efecto fotoeléctrico, como normalmente se hace, pero para explicar dicho efecto no se necesita recurrir a la naturaleza “particular” del fotón, que puede ser tratado como onda (con momento y energía, pero onda), sin ningún problema conceptual. Los electrones emitidos por el efecto fotoeléctrico si se tratan como partículas. Pero, el fotón no requiere dicho tratamiento. Aunque todo el mundo se lo de. Faltaría más. ¡Sir Fotón podría enfadarse!

David Norwood nos recuerda que el efecto fotoeléctrico no implica que la luz esté formada por partículas. Este efecto sólo pone en evidencia que los estados electrónicos de la materia están cuantizados. La energía de los electrones eyectados depende de la frecuencia de la luz incidente, y no de su intensidad, ya que sólo luz incidente de la frecuencia correcta puede excitar a un electrón en un estado o nivel de energiá para que realice una transición a uno nuevo. Pero se utiliza en el cálculo que la luz tiene momento (lineal). Sí pero ello no requiere introducir la idea de partícula. En electromagnetismo clásico los campos electromagnéticos (oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos) pueden transferir energía y momento a una partícula.

¿Dónde está un fotón? Es decir, ¿podemos hablar de la posición de un campo electromagnético? Si f(x,t) es la función de onda que describe un fotón, la x no se refiere a que el fotón se encuentre en la posición x sino que es una etiqueta para indicar que el campo f varía de un punto a otro. El concepto de posición no es aplicable a un solo fotón (en electrodinámica cuántica).

¿Qué tamaño tiene un fotón? Una medida de lo concentrado que está el campo electromagnético es su longitud de onda. Pero una onda plana (lo más parecido a un “fotón”) con longitud de onda y frecuencia bien definidas no está localizada en el espacio (ocupa todo el espacio). Para hablar de campo electromagnético “concentrado” tenemos que hablar de un paquete de ondas, es decir, de muchos “fotones” (infinidad de ondas planas). En dicho caso, la longitud de onda “efectiva” del paquete nos da un tamaño. 

Pero, y qué pasa con los contadores de fotones. ¿No son capaces de contar los fotones de un haz láser uno a uno? Para fuentes de luz con intensidad (“número de fotones”) extremadamente débil (“muy pocos fotones”), los contadores de fotones no cuentan realmente los fotones, sino los electrones que se emiten cuando estos fotones colisionan con un material que los absorbe. La cuenta de electrones nos da la cuenta de “fotones”. Es decir, los contadores de fotones, no cuentan las partículas de tipo fotón que inciden sobre el material, sino que la cuenta es una manera, como cualquier otra, de medir intensidades de luz muy débiles. En este sentido el artículo de Quantum Matters (un grupo de físicos bajo el pseudónimo de Damian Rudelberg), “On Quantum Measurement,” os puede aclarar algunas ideas, aunque está dirigido a físicos (y estudiantes).

En resumen, si eres profesor de física, cuida tu lenguaje. Si eres alumno de física pregunta a tu profesor. Si eres aficionado a la física o a la ciencia, espero no haberte aburrido.

4 pensamientos en “Uso y abuso del término fotón en física elemental

  1. El dibujo es incorrecto ya que parece indicar que los fotones pasan por una u otra ranura. La manera correcta de entender el experimento de la doble ranura es que cada fotón individual pasa por ambas ranuras e interfiere consigo mismo para formar las franjas. Y que hasta que se detecta en la pantalla, cada fotón (o idénticamente su función de onda si hay quejas de nomenclatura) es suficientemente extendido como para pasar por las dos ranuras a la vez (o mejor dicho “en camino”). Cuando este experimento se repite con luz tan débil que los fotones salen uno a uno se continuan observando las franjas de interferencia.

  2. Muy interesante el comentario. Yo me inclino (intuitivamente ya que solo soy un simple aficionado) por considerar que el término “partícula” es erróneo, y que proviene de la idea clásica de ir “cortando pedacitos” cada vez más pequeños de materia hasta llegar a “sus partículas elementales constituyentes”. Como apunta el art. creo que experimentos como el de la doble rendija, tienen una interpretación “más razonable” si consideramos que lo que lanzamos a través de las rendijas (sean fotones, electrones, o moléculas) son ondas en vez de partículas. Al fin y al cabo sabemos que propiedades tan “habituales” de lo que llamamos y experimentamos como materia (como por ejemplo la impenetrabilidad de los sólidos) solo son manifestaciones de la repulsión electromagnética entre los electrones.

  3. Para tener fotones se debe tener las siguientes condiciones.
    Un cilindro de Fe.
    vacio + gas(presion +)+ potencial electrico= Fotones.
    vacio = un alto vacio.
    gas = gas dielectrico con presión positiva.
    potencial eléctrico = superior a 1 KV.
    Obtendremos un haz de fotones de tipo rayo gamma visualizado en forma
    de triangulo( conexiones fijas + y -).
    Si la conexión + (fija) y -(movil), se coloca en cualquier punto del cilindro, se obtiene=
    Un haz de fotones trasladados, tambien en forma de triangulo.
    Ahora, la conexion – se hace gira alrededor del cilindro, se obtiene= Un haz de fotones circular.

    Lo anterior fue realizado en laboratorio en forma experimental posterior a ensayos de confinacion del plasma en altas potencia de CA y CC en un interruptor de baja tension.

    Para mayores informaciones contactar e mail:
    marcelinorecabal@hotmail.com

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