fotón

History

Ya en el siglo XVII, Newton supuso que la luz consistía en partículas minúsculas. Pero la verdadera revolución ocurrió en 1905, cuando Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico —la expulsión de electrones de un metal por la luz— precisamente mediante cuantos de luz. Aunque la palabra 'fotón' no apareció hasta 1926, acuñada por el químico Gilbert Lewis, la idea de la partícula de luz se convirtió en uno de los pilares de la física cuántica.

How it works

Cuando un electrón en un átomo salta de una órbita alta a una baja, emite el exceso de energía en forma de fotón. Este proceso se asemeja a una piedra lanzada a un estanque: la energía del impacto se propaga en círculos por el agua. Sin embargo, el fotón logra ser a la vez onda y partícula. Es precisamente esta naturaleza dual lo que le permite, por ejemplo, interferir o reflejarse, y al mismo tiempo ser registrado por un detector como un destello puntual.

History

Ya en el siglo XVII, Newton supuso que la luz consistía en partículas minúsculas. Pero la verdadera revolución ocurrió en 1905, cuando Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico —la expulsión de electrones de un metal por la luz— precisamente mediante cuantos de luz. Aunque la palabra 'fotón' no apareció hasta 1926, acuñada por el químico Gilbert Lewis, la idea de la partícula de luz se convirtió en uno de los pilares de la física cuántica.

How it works

Cuando un electrón en un átomo salta de una órbita alta a una baja, emite el exceso de energía en forma de fotón. Este proceso se asemeja a una piedra lanzada a un estanque: la energía del impacto se propaga en círculos por el agua. Sin embargo, el fotón logra ser a la vez onda y partícula. Es precisamente esta naturaleza dual lo que le permite, por ejemplo, interferir o reflejarse, y al mismo tiempo ser registrado por un detector como un destello puntual.

History

La noción de la naturaleza discreta de la radiación surgió en 1900, cuando Max Planck introdujo la cuantización de la energía para explicar el espectro del cuerpo negro. Albert Einstein en 1905 desarrolló la hipótesis, proponiendo que la luz no solo se emite sino que también existe en forma de cuantos, explicando con éxito el efecto fotoeléctrico. En 1923, Arthur Compton confirmó experimentalmente la naturaleza corpuscular al observar la dispersión de fotones de rayos X por electrones. El término 'fotón' fue propuesto por Gilbert Lewis en 1926. El desarrollo posterior de la electrodinámica cuántica (Feynman, Schwinger, Tomonaga) consolidó definitivamente al fotón como partícula de intercambio del campo electromagnético. De la lista proporcionada, con el fotón están relacionados James Clerk Maxwell, cuyas ecuaciones describen las ondas electromagnéticas, y Alain Aspect, quien realizó experimentos con fotones para verificar las desigualdades de Bell.

How it works

El fotón se emite cuando un sistema cuántico (por ejemplo, un electrón en un átomo) pasa de un estado de mayor energía a uno de menor energía, llevándose la diferencia de energía. Y viceversa, la absorción de un fotón lleva al sistema a un estado excitado. El fotón siempre se propaga a velocidad c en el vacío, lo cual es consecuencia del principio de constancia de la velocidad de la luz. En una onda electromagnética descrita por las ecuaciones de Maxwell, el fotón representa una excitación elemental de los modos del campo. Su energía e impulso están dados por las fórmulas E = hν y p = h/λ; por tanto, cuanto mayor es la frecuencia (menor la longitud de onda), mayor es la energía del fotón. Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, es imposible medir simultáneamente con precisión el tiempo de llegada de un fotón y su energía. Los fotones obedecen la estadística de Bose-Einstein y pueden acumularse en un mismo estado cuántico, lo que constituye la base del funcionamiento de los láseres. La interacción con la materia da lugar a fenómenos como la radiación de Hawking cerca de agujeros negros y las lentes gravitacionales, la curvatura de la trayectoria de los fotones en campos gravitatorios.

Open problems & fun facts

¿Cómo exactamente interfiere un fotón consigo mismo en el experimento de la doble rendija con una medición 'no perturbativa'?; La naturaleza del fotón individual: ¿es posible obtener una 'fotografía' espacio-temporal completa de él?; Creación de una fuente ideal de fotón único de alta pureza para comunicaciones cuánticas.

💡 Los fotones no envejecen. La luz más antigua que observamos como radiación de fondo de microondas ha viajado hacia nosotros durante casi 13,8 mil millones de años, prácticamente desde el nacimiento del Universo.