Divulgación Consulta sobre fotones y ondas electromagnéticas polarizadas.

[inakigarber]

A raíz de la lectura del libro sobre mecánica cuántica de Cohen Tannoudji, recordé el siguiente experimento sobre luz polarizada (hay algún vídeo en youtube si no recuerdo mal)
Supongamos el siguiente montaje;

En este montaje tenemos una linterna que emite luz monocromática polarizada con una salida que nos permite variar el ángulo de polarización a voluntad. A medio camino tenemos un filtro polarizado con un ángulo de polarización fijo. Si ambos ángulos de polarización son iguales, pasará la totalidad de la luz a través del filtro, llegando a la pantalla en su totalidad. Si ambos ángulos son perpendiculares no pasará luz alguna. En el caso intermedio color verde, se dará una situación intermedia, parte de la luz pasara y el resto no. Esto, si no me equivoco, sería el caso obtenido en un experimento de óptica clásica en el que lanzamos simultáneamente un número muy elevado de fotones.

Si lanzáramos los fotones de uno en uno no podríamos saber de antemano que fotones van a pasar y cuales no, por ejemplo en el caso marcado en verde, pero los resultados de la mecánica cuántica (si no me equivoco) deben de ser tales que con un número elevado de fotones reproduzcan el mismo resultado que el el la física cuántica. ¿Significa esto que cada fotón es una partícula asociada a una onda de probabilidad y que a su vez esta onda de probabilidad tiene un plano de polarización que es el que determinará que pase o no por el filtro? ¿Como se interpreta este experimento?
Por otra parte, una onda electromagnética se representa como una onda senoidal (nos imaginamos que lo que está dibujado abajo lo es) que se propaga en el espacio y en el tiempo, alternando zonas de gran amplitud y otras de amplitud nula. Si la amplitud de la onda representa la amplitud de probabilidad de encontrar un fotón, ¿Significa esto que los fotones que forman la onda van a viajar por el espacio espaciados en zonas de gran concentración de ellos alternadas con zonas en las que no hay (o apenas hay) fotones?

Supongo que debo estar equivocado de nuevo.

Saludos y gracias.

[carroza]

Re: Consulta sobre fotones y ondas electromagnéticas polarizadas.

Hola.

Creo que, antes de responder a tus preguntas, es importante tener claro las diferentes imágenes que uno puede tener de la luz.

1) Teoría corpuscular clásica.
Una imagen clásica, intuitiva, muy popular hasta el siglo XIX, es considerar que la luz es un chorro de particulas de luz (no fotones). Esta imagen permite describir muy bien la reflexión y la refracción. Esta teoría no explica bien la difracción, es decir, la aparición de interferencias. Con respecto a los experimentos con polarizadores, una imagen corpuscular clásica podría explicarlos, introduciendo unas variables ocultas de estas partículas de luz, que determinarían, a priori, si una particula de luz pasa o no pasa por un polarizador. No obstante, esa teoria clásica no explica las correlaciones entre dos polarizadores, relacionadas con las desigualdades de Bell (no entro en este problema). Una teoría corpuscular clásica, sin embargo, si describe muy claramente el hecho de que, cuando detectamos de luz, lo hemos no de forma continua, sino en "paquetes" de energía.

2) Teoría ondulatoria clásica.
La luz es una onda electromagnética clásica, descrita por las ecuaciones de Maxwell. Esto explica muy bien reflexion, refraccion, difracción, y todos los experimentos posibles que podamos hacer con polarizadores, correlaciones incluidas. Lo que no explica es que la luz la detectemos en paquetes.

3) Teoría cuántica de campos.
La luz es un campo electromagnético, y como tal, describe todas las propiedades ópticas, de reflexión, refracción, difracción, y paso por polarizadores. Además, debido al carácter cuántico de los campos (son operadores, no conmutan), la interacción de estos campos con detectores ocurre siempre en paquetes de energía y momento definido que llamamos fotones. Esto, a su vez, explica perfectamente la detección de la luz en paquetes.

Creo que es muy importante distinguir entre (1) y (3). Para ello, sería util tener un conocimiento de (2), que no es trivial, sin haber tenido un buen curso de óptica y electromagnetismo clásico. Pero bueno, para eso estamos en el foro, para intentar explicar las cosas al nivel al que nos pregunteis.

Un saludo

[inakigarber]

Re: Consulta sobre fotones y ondas electromagnéticas polarizadas.

Debo pensar que lo que escribí arriba está equivocado, pero no se en donde. Me gustaría tener mas detalle.

[carroza]

Re: Consulta sobre fotones y ondas electromagnéticas polarizadas.

Si lanzáramos los fotones de uno en uno no podríamos saber de antemano que fotones van a pasar y cuales no, por ejemplo en el caso marcado en verde, pero los resultados de la mecánica cuántica (si no me equivoco) deben de ser tales que con un número elevado de fotones reproduzcan el mismo resultado que el el la física cuántica. ¿Significa esto que cada fotón es una partícula asociada a una onda de probabilidad y que a su vez esta onda de probabilidad tiene un plano de polarización que es el que determinará que pase o no por el filtro? ¿Como se interpreta este experimento?

Hola. Una "onda de probabilidad", análoga a la función de onda que describe un electrón, viene descrita por un escalar en cada punto. Por tanto, una "onda de probabilidad" no puede describir el fenomeno de polarización. Un campo vectorial, como es el campo electromagnético, tiene una dirección en cada punto, y por tanto si puede describir la polarización.

Por otra parte, una onda electromagnética se representa como una onda senoidal (nos imaginamos que lo que está dibujado abajo lo es) que se propaga en el espacio y en el tiempo, alternando zonas de gran amplitud y otras de amplitud nula. Si la amplitud de la onda representa la amplitud de probabilidad de encontrar un fotón, ¿Significa esto que los fotones que forman la onda van a viajar por el espacio espaciados en zonas de gran concentración de ellos alternadas con zonas en las que no hay (o apenas hay) fotones?

Sí es correcto que, cuanto más grande sea el campo electromagnético en un punto (estrictamente hablando, el potencial vector), mayor será la probabilidad de que, si ese campo interacciona con algo en ese punto, transmita un paquete de energía que llamamos fotón.

No es correcto imaginar que hay unas partículas, llamadas fotones, que existen independientemente de la interacción con propiedades definidas, y cuya "función de onda" viene dado por el campo electomagnético, Esto no explicaría fenómenos de polarización (a no ser que metieramos variables ocultas), no explicaría la correlación entre dos polarizadores lejanos (experimento de Aspect, incluso metiendo variables ocultas), y no explicaría que, al cuantizar un campo, en general el número de fotones no está bien definido.

Un saludo