Divulgación ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

[Avicarlos]

Conocemos la salida de un fotón de un foco y también la de llegada a un sensor, o pantalla. Sin embargo el trayecto en el interín es incierto, ya que puede haber seguido cualquiera de todos los posibles caminos. Lección leída. Se nos dice que la pregunta de cuál fue, no tiene sentido. Ignoro incluso porqué se nos dice que no tiene sentido.

Para mí, si el tiempo que tarda en pasar del foco F a la pantalla P es T a velocidad c, fue una recta, si es mayor, entonces sí que puede haber realizado curvas, o zigzags.

¿No podemos acotar la incertidumbre del itinerario dentro de un ángulo sólido, inferior a 180º?

Saludos de Avicarlos.

[Avicarlos]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Como ampliación a la pregunta, apunto que también hay incertidumbre en la de cual fue el fotón detectado. Pudiera no ser el mismo que salió del foco, puesto que el foco emite una cantidad cuya cifra de dieciséis órdenes, sale en dirección radial.

Saludos de Avicarlos.

[carroza]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Hola.

Los fotones no "salen" de un foco, y no siguen un "trayecto", más o menos incierto. Lo que sale del foco, y se propaga por todo el espacio es una onda electromagnética. Y la onda electromagnética no es un conjunto de fotones, con trayectorias bien definidas.

Una onda es una onda, como las olas o las ondas sonoras. Llena todo el espacio, se propaga con una velocidad caracteríastica y sufre fenómenos de interferencia. No tiene una trayectoria.

Lo que ocurre es que, desde Einstein, sabemos que cuando una onda electromagnética es absorbida por la materia, lo hace con las propiedades (energía y momento), de una partícula que llamamos fotón.

Saludos

[Avicarlos]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Mi forma de expresar la idea, ya veo que no es la apropiada. Tengo el vicio de asimilar conceptos que se me antojan asequibles. Me especificas que mi idea de onda difiere de la usual. Simplemente lo equiparaba a onda-fotón = cuanto de energía. Y a este cuanto, con su propiedad dual no lo separo igual que no separo las dos caras de una moneda.
Este es uno de los conceptos, que quizá necesito aún pulir, pero el destino, en la pantalla, ¿está bien expresado en decir que es el impacto del fotón?. Porque allí ¿está o no el fotón?.
Forma parte del átomo, o molécula en la que incidió, pero como fotón, se nos dice que no existe. Pues si solo existe en su momento, éste va a velocidad c.
Luego, yo no sé compaginar que el cuanto sea una onda que ocupe todo el espacio de su frente, como si de la pompa de un chicle se tratara y que al topar con un objeto se repliegue la pompa toda ella en el punto para desaparecer transmitiendo su energía en este punto.
Supongo que algo así debe ser pero tan embarullado lo tengo, que no me vendría mal una aclaración.

Cuando me refiero a que la luz la emite un foco, debo decir ¿"sale el fotón del foco", o "sale la onda del foco", o "estaba la energía que avanza por el espacio en una onda-foton"?. ¿No hay una manera simple de significar lo que pretendo, pero correctamente?. Pensándolo mejor, quizá "sale la onda electromagnética del foco".
Así mi error será equiparar a "onda electromagnética" con "fotón", por mi tendencia a simplificar.

Una vez tenga esto claro podría intentar averiguan si es, o no posible reducir la incertidumbre. Creo que al menos, entre su emergencia del foco y su detección en pantalla, estuvo existiendo todo el tiempo. No se trata de que existía allí y ahora aquí, pero no en el "trayecto", o durante el "tiempo", o en la "distancia de separación".

Saludos de Avicarlos.

[jinawee]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

El método de las integrales de camino es completamente equivalente al principio de indeterminación. Dices que el fotón va a velocidad c. En realidad, esto no es cierto puesto que tendrás que sumar todos los posibles movimientos (incluso atrás y delante en el tiempo). Aunque esto parezca contradecir la Relatividad, no es un problema, ya que una partícula puede ir a cualquier velocidad sin implique transmisión de información. A ver si alguien puede explicarte esto usando la noción de partícula como exitación de un campo en QFT.

[Avicarlos]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

jinawee, me dejaste K.O. Pues la verdad si es tal como dices, jamás pensé en ello. Nunca se me ocurrió que lo que sugerían los diagramas de Feynman, era que en la suma de integrales habían caminos de retroceso. Luego acabo de dar diez pasos atrás respecto a lo que iba urdiendo para entender.
En varias ocasiones sugerí que avanzaba la onda electromagnética ( yo decía el fotón), oscilando en su longitud de onda, por lo cual era también un discurrir sinuoso. Ya se me dijo que debía descartar tal idea, pero según tengo que razonar ahora, es que no solo hay que tener en cuenta cualquier itinerario en avance, sino que hay que incluir el retroceso. Ya digo, K.O. ¡ Cómo me gustaría poder llegar un día a decir O.K.!

Saludos de Avicarlos.

[reti]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

jinawee, me dejaste K.O. Pues la verdad si es tal como dices, jamás pensé en ello. Nunca se me ocurrió que lo que sugerían los diagramas de Feynman, era que en la suma de integrales habían caminos de retroceso. Luego acabo de dar diez pasos atrás respecto a lo que iba urdiendo para entender.
En varias ocasiones sugerí que avanzaba la onda electromagnética ( yo decía el fotón), oscilando en su longitud de onda, por lo cual era también un discurrir sinuoso. Ya se me dijo que debía descartar tal idea, pero según tengo que razonar ahora, es que no solo hay que tener en cuenta cualquier itinerario en avance, sino que hay que incluir el retroceso. Ya digo, K.O. ¡ Cómo me gustaría poder llegar un día a decir O.K.!

Saludos de Avicarlos.

No te traumatices por ese descubrimiento, Avicarlos. El problema en cuantica es casi siempre el como separar la realidad de la ficcion y en el caso de la integrales de Feynman el asunto es complicado. La "suma de caminos" es eso, una integracion, y debes hacerla al completo para encontrar un resultado. Lo que es real, y esta claro porque es aquello que mides, es la integral y lo que no esta ya nada claro que sea real es aquello de ... un "unico camino", que es aquello con lo que integras.

Fijate un poco en el detalle: "si un unico camino fuera real es evidente que el principio de incertidumbre (y la cuantica en general) seria un principio falso o hueco". Es un conjunto de caminos, inseparables, lo que da sentido a la teoria cuantica y entonces ... "¿¿ que realidad fisica tiene decir que un foton sigue un camino (trayectoria) entre un punto A (el foco) y un punto B (la pantalla) ??" .... evidentemente ninguna. Pero ...

... lo que en teoria cuantica de campos se llama "particula virtual" a algo que adquiere su significado precisamente de la separacion en caminos que se realiza al hacer la intergral.

[Avicarlos]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Intento apaciguarme, pero tu buena intención, reti, me desanima, al deducir que por más que pregunte a los que estudiaron esta para mí, novedosa física, no me dirán nada de lo que ocurre con la onda electromagnética entre su emisión y su captura.

Mi cándida elucubración en que se pudieran poner límites a la incertidumbre en este tramo espacial, parece que está ya sentenciada. Como si dijéramos, es inútil hablar de ello.
En este caso me aferro a la mínima acotación, a menos que ni eso sea admisible.

La onda electromagnética en el transcurso (tiempo ) de esta salida y llegada (volumen espacial de grosor su distancia), no se halla ni antes de la emisión, ni más allá de su captura.

Me cuesta darme por vencido y con timidez aventuro:

Si en este espacio de ignorada ubicación de la onda electromagnética se colocaran al azar objetos de pequeñas dimensiones que no obturaran el paso general. (que no se convirtieran por su densidad en opacos) la onda ¿dónde se manifestaría? .

A) Seguiría captándose en el mismo lugar de la pantalla inicial. No influirían los objetos de situación aleatoria.

B) No se captaría nada en la pantalla incicial, por haberse captado en un objeto de situación radial más breve , aunque distinto ángulo.

C) No se captaría nada en la pantalla inicial, por haberse captado por un objeto en ángulo distinto pero de distancia radial superior.

D) Se captaría, a pesar de que también la captasen algunos objetos aleatorios.

Saludos de Avicarlos.

[carroza]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Hola.

Si pones objetos pequeños en el camino de la onda, esto se manifestará en en hecho de que en la pantalla observarás fenómenos de interferencia.

Si la onda electromagnética es tan débil que puedes detectarla fotón a fotón, entonces verás que la probabilidad de detectar los fotones sigue un patrón de interferencia.

Ánimo con la física. No es "sencilla", en el sentido de corresponder la las imágenes "sencillas" que podemos hacernos mentalmente, pero es "simple", en el sentido de venir determinada por leyes conceptualmentemente simples, aunque matemáticamente exigentes.

[Avicarlos]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

He de confesar que hago preguntas con miedo a molestar por lo ingenuas, pero al menos vereis que mi interés es firme en querer averiguar cuanto hay de la cuántica que se corresponde con la realidad y cuan hay que no se conoce como exactamente funciona.



Me gustaría trasladar la cuántica a este simple efecto óptico. He de suponer que del foco F, parte lo que yo llamaba un fotón, pero que en realidad es una onda electromagnética, que al ser de luz aproximadamente su frecuencia es de 10^14 Hz.
Esta onda debe ocupar todo el espacio, o puede hallarse en una parte de él, pero incierto y así cumple con la incertidumbre estipulada según Heisenberg.

Intercalo un obstáculo de dimensiones pequeñas pero superior a la longitud de onda del fotón.
La onda, ya no sé si considerar que tiene la posibilidad de alcanzar a este objeto, o pasar ignorándolo, aunque mi parecer es el primero.

1ª opción- Si lo ignora, la onda al completo llegará sin dificultad a la pantalla P con las probabilidades de alcanzar cualquier punto pero con distinta intensidad que marco con los números del 1 al 6, siendo el de máxima intensidad el 1, que pudiera corresponder con el de máxima probabilidad.
Ahora bien la duda está incluso en esta primera parte del experimento : O se concentra en este 1, permaneciendo en la oscuridad el resto de la pantalla, o disminuye intensidad repartiéndose por su inmediaciones.
Esto podría asemejar a la areola de pequeña intensidad que rodea el rayo de una linterna.

2ª opción- La onda capta al objeto intercalado y ocurren dos cosas. Una, que se absorbió toda ella en el objeto y éste lo refleja incidiendo en la zona marcada con el 9. También con intensidades variables como indico en 8 y 10. Por ello no llega a la pantalla P.
Y otra que no absorbe toda la onda sino que el resto pasa llegando hasta la pantalla P pero solo en las zonas 2 y 6 y por difracción menor intensidad en 5 y 3.

Y otra pregunta es la del ángulo alfa de salida del foco, que a mi entender por más difracción que pudiera haber, no puede sobrepasar los 180º, por lo cual cabe preguntar ¿Se limita la onda a media circunferencia, o se cierra totalmente?.

Si pienso en lo que ocurre con los eclipses, me parece que el ejemplo se corresponde a la realidad.

La respuesta a estas preguntas, comporta otras, que obvio en este mensaje para no divagar.

Saludos de Avicarlos.

[carroza]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

[FONT=Times New Roman]Hola.

Entiendo que quieras conocer la fascinación de la mecánica cuántica, en su aplicación a los fotones. No obstante, para conocer bien las cosas, es útil ir paso a paso. En el caso de la óptica, hay tres teorías, con grado de complejidad y generalidad creciente. Estas son:

- Optica geométrica. La luz viene descrita por rayos, que podemos entender, o no, como pequeñas partículas. Con esto explicas perfectamente los fenómenos de sombra y penumbra que describes en tu figura.

- Optica ondulatoria. La luz viene descrita por un continuo, con propiedades de ondas, que puede producir fenómenos de difracción o interferencia que no aparecen en óptica geométrica. Las ecuaciones de maxwell son la más perfecta descripción de la óptica ondulatoria, donde aparecen campos eléctricos y magnéticos que describen todas las propiedades de la luz, salvo el efecto fotoeléctrico. La óptica geométrica es el límite de la óptica ondulatoria cuando la longitud de onda es muy pequeña comparado con el tamaño de los objetos.

- Optica cuántica. La luz viene descrita por un continuo, el potencial vector del campo electromagnético, que puede crear o aniquilar partículas que llamamos fotones. La electrodinámica cuántica (QED) es la descripción más perfecta de la óptica cuántica. La óptica ondulatoria se obtiene como el límite de la óptica cuántica cuando la energía de cada fotón es pequeña frente a la densidad de energía de la luz. La óptica cuántica describe, con una precisión brutal, todas nuestras observaciones sobre la luz y su relación con la materia, incluyendo efecto fotoeléctrico, aniquilación de electrones y positrones para producir luz, polarización del vacío, etc.


Saludos
[/FONT]

[Avicarlos]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Satisfecho que sigas siendo mi mentor en esta lid. Me describes las diferentes teorías, e incluso a cual se le da preferencia,. Pero ello, dependiendo del experimento a tratar. Pues una misma teoría, no lo explica todo.
Puestos en este caso, ¿Infrinjo alguna norma, al tratar de explicarme de algún modo lo que no me explican las teorías?.

Lo digo por cuanto si se me dice cual de ellas es la que refleja la realidad, me ceñiré solo a ella para discurrir en la parte que ésta no acabe de coincidir con la realidad.
Para empezar, asumí, y ello me costó bastante, que la "onda electromagnética", no viaja , está en el espacio y solo mediante una probabilidad interacciona con materia.
En este caso, se me ocurrió como el Sol nos envía, "ondas electromagnéticas" de todas las energías conocidas, además del viento solar y más partículas másicas. Pero el resultado en un eclipse, es el que en laboratorio, podemos experimentar una y otra vez saliendo sin error. Eso es lo que deja perplejo. Para postre la Luna, refleja parte de la luz que recibe a la Tierra y luego, la Tierra parte de esta parte recibida de la Luna vuelve a reflejar.
Se comportan como clásicos espejos, que creo es la base de la fibra óptica.

En este caso en mi croquis puse una zona en amarillo que es en la que se supone hay ausencia de Onda electromagnética. Se me hace difícil de aceptar.
En el croquis para no liar más no puse el reflejo de la pantalla P que es el que desde cualquier punto el observador puede ver. Aunque opino, que con variada intensidad, y que es lo que no sé si es correcto asimilar a pérdida de energía. Yo lo veo así por cuanto la energía con la distancia va distendiéndose en la onda. Si hace falta explicaré esto último que no es lo mío exponer en pocas palabras mis pensamientos embarullados.

¿Es así?.

De ser cierto,

¿Rompimos la onda?

Si la rompimos, ¿no será que la onda no es un ente elemental?

Y si hay que suponer que es un frente de ondas con gran número de "Ondas electromagnéticas, que están por todo el espacio", ¿Qué ocurre en este espacio de oscuridad?, ¿hay, o no ondas?.

Tengo más dudas pero debo dosificarlas. Solo quiero emparejar, lo que vaya aprendiendo, con lo que conozca de la realidad.

Saludos de Avicarlos.

[carroza]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Hola

Si el obstaculo que pones en tu figura fuera un espejo perfecto, absolutamente plano, entonces, según la óptica geométrica, en tus zonas en amarillo no habría nada de luz.

Si tu espejo no es absolutamente plano, sino que tiene algún tipo de rugosidad, entonces, según la óptica geométrica, puedes tener algo de radiación dispersada en las zonas en amarillo.

Aunque el espejo sea perfectamente reflectante y perfectamente plano, si vas a la óptica ondulatoria, tendrías algo de radiación en las zonas en amarillo, debido a los fenómenos de difracción. No obstante, la intensidad de la onda electromagnética en las zonas en amarillo sería mucho más pequeña que en el resto, y por eso se vé más oscuro.


Con respecto a tu comentario inicial, no infringes ninguna norma al decir "Trato de explicarme de algún modo lo que no me explican las teorías". Lo que ocurre, es que, en este caso, las teorías explican perfectamente cualquier fenómeno de óptica que puedas plantear. Lo que ocurre es que necesitas ciertos conocimientos y esfuerzo para entender las teorías vigentes.

Por otro lado, es importante dejar claro que no existen varias teorías (P. ej, optica geométrica, óptica ondulatoria y óptica cuántica) y uno echa mano de una u otra según lo que quiera explicar. La óptica ondulatoria es un caso particular de la óptica cuántica, y la óptica geométrica es un caso particular de la óptica ondulatoria. Lo que ocurre es que no queremos matar moscas a cañonazos, de forma que si algo lo podemos explicar con óptica geométrica, no hay por qué recurrir a la óptica cuántica (fotones, etc).

Saludos

[Avicarlos]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Muy clarificadora tu explicación carroza. Y das en el clavo que mis conocimientos son escasos, pero para matricularme a mi edad en Físicas, ni ánimos, ni posibilidades. Por ello no espero inventar la sopa de ajo, sino simplemente indagar sobre lo que estéis dispuestos a ofrecerme.

No cabe duda de que a cada respuesta, saco nueva información que tiende a mejorar mis conceptos. Tal como indicas que cada teoría para abreviar es mejor usarla en su contexto, es de cajón. Y yo ya tuve en cuenta lo de la difracción y la pérdida de energía no solo por la reflexión sino también por la de absorción parcial´Y con ello veo que tu respuesta es que en la zona amarilla, de sombra, la onda es mínima pero no cero.

-¿Es esta mínima la correspondiente a la del vacío, o sea punto cero?.

Pasando al tema de la onda, que a mí nunca me convenció que en laboratorio se lograra emitir una sola, leí en el líbro de Física cuántica de Carlos Sánchez del Río, sobre algunos experimentos recientes ( el libro ya no es tan reciente, 2002), extraigo : Así, podría argüirse que la estimación basada en la longitud de coherencia quizá no garantiza suficientemente la ausencia de solapamiento entre ellos en la región de interferencia.
Da mucha explicación del experimento de Grangier et al. en 1985.

Mi opinión es que si de probabilidades tenemos que hablar, lo más probable es que sea tan difícil separar, o aislar de entre las demás ondas a una sola, que al menos hasta ahora no se ha conseguido.
Y si esta premisa deja de ser inamovible, pienso que a pesar de estar denostada la idea de que esta onda, lo es por acumulación de muchos fotones ( ondas electromagnéticas de igual, o diversa energía, superpuestas) es más real.
Si así fuera, entendería mejor la pérdida de intensidad radial.

Pero queda aún (y con mi concepción también sería lógica,) que al interaccionar la onda, lo hace entera. Y a ella la agotaríamos en un punto. El de contacto. Sin embargo al considerar que esto no es así, aparecen los misterios de la doble ranura.

-¿Hubo algún experimento reciente que no de lugar a duda sobre la unidad elemental de la onda, a pesar de admitir que puede fragmentarse para de nuevo restituirse cosigo mismo?.

Saludos de Avicarlos.

[jinawee]

Re: ¿Se puede acotar la incertidumbre del fotón?

Con lo de que no te convence que se emitiese una sola onda, ¿te refieres a una onda coherente (de una sola frecuencia)? En tal caso, puesto que toda onda tendrá duración finita, se compondrá de varias frecuencias (posiblemente infinitas) por lo que es cierto que no se puede emitir una onda coherente.

¿Qué quieres decir con "-¿Hubo algún experimento reciente que no de lugar a duda sobre la unidad elemental de la onda, a pesar de admitir que puede fragmentarse para de nuevo restituirse cosigo mismo?" ?

Sobre lo que dice carroza, de que los fotones no salen del foco, sino la onda electromagnética, creo que está totalmente desencaminado. Pensar en términos de fotones es totalmente válido e incluso más correcto que en ondas EM (tal vez en QFT, sería más fundamental el campo gauge, no sé). Por otra parte, eso de que la onda ocupa todo el espacio... ¿qué hay de los paquetes de onda?

También hay que tener cuidado con intentar aplicar el principio de indeterminación a fotones, pues son partículas relativistas y no existe el operador posición para fotones (cuando tenga tiempo leeré algo más sobre el tema, ya que no parece haber consenso entre los físicos).

Creo que lo mejor sería que leyeses QED, de Feynman. Es un libro que te explica sin fórmulas, pero correctamente los fundamentos de la teoría que explica la interacción electromagnética. La parte de QCD, está un poco anticuada pero no importa.

Finalmente, no te desanimes porque lo que aprendes contradiga lo anterior. A mí es uno de los motivos por los que me parece tan interesante la Física, pues siempre hay algo que aprender (y desaprender).