¿Qué es un Fotón?

El comportamiento y composición de la luz es algo que ha intrigado a miles de pensadores a lo largo de la historia y que ha sido objeto de una enorme cantidad de experimentos. Poco a poco se ha ido conociendo más acerca de la luz y de los fenómenos electromagnéticos, y esto ha sido gracias […]
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El comportamiento y composición de la luz es algo que ha intrigado a miles de pensadores a lo largo de la historia y que ha sido objeto de una enorme cantidad de experimentos. Poco a poco se ha ido conociendo más acerca de la luz y de los fenómenos electromagnéticos, y esto ha sido gracias al descubrimiento de elementos como los fotones. En el siguiente artículo vemos qué es un fotón y cuáles son sus propiedades así como algunos de los experimentos científicos que se han realizado al respecto.

¿Qué es un fotón?

Se podría definir al fotón como la unidad básica, la partícula elemental que contiene en sí misma todas las formas de radiación electromagnética. En efecto, cuando hablamos de propiedades de la luz, estamos hablando de propiedades de los fotones, ya que son ellos quienes portan la luz ultravioleta, los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz infrarroja, la luz visible por el ser humano y, en definitiva, todos los tipos de radiación electromagnética.

Se considera un quantum o partícula cuántica ya que solo se puede explicar mediante fenómenos cuánticos. Es un elementos que no tiene masa en reposo, pero que sí tiene cuerpo, por o que se puede observar a través de fenómenos macroscópicos o microscópicos.

Por otro lado, en el artículo al hablar del fotón hemos estado refiriéndonos a él como una partícula. Sin embargo, en realidad el fotón es una partícula, pero también es una onda. Como veremo más adelante, en un principio existían teorías que no se ponían de acuerdo a este respecto. Son embargo, ha quedado demostrado que los fotones se pueden comportar tanto en forma de onda como de partícula.

Por ejemplo, un fotón se comporta en forma de onda cuando sufre una refractación. En cambio, funciona como una partícula cuando interactúa con otra superficie a la que le traspasa su energía (principalmente en forma de calor, aunque está demostrado en experimentos que la luz también es capaz de ejercer fuerza sobre los objetos).

¿Quién descubrió el fotón?

Los primeros estudios que se tienen acerca de los fotones datan del siglo XVII, cuando Isaac Newton defendía que la luz estaba formada en base a partículas. Durante aquellos tiempos no se tenía nada clara la dualidad partículas-ondas. De hecho, algunos firmes rivales de Isaac Newton, como Huygens, defendían que la luz estaba compuesta por ondas,

Años más tarde, Albert Einstein retomó las investigaciones sobre los fotones apoyándose en lo que habían descubierto otros investigadores como Max Planck. Sin embrgo, Einstein abordó el estudio desde una concepción más moderna que tratara de explicar por qué la luz no podía comportarse exclusivamente como una onda.

En sus estudios, Einstein consiguió demostrar que la luz estaba compuesta por partículas cuánticas que se comportaban, dependiendo del material o de su frecuencia, como ondas o partículas. De hecho, fue galardonado con el Premio Nobel de Ciencia en el año 1921, precisamente por su labor en la investigaciones del comportamiento de los fenómenos fotoeléctricos.

En realidad, fue en el año 1926 cuando se acuñó por primera vez el término fotón. El encargado de ponerle dicho nombre fue Gilbert Newton Lewis, y su etimología provienen del griego «luz». Desde entones, el término fotón está aceptado por la comunidad científica.

¿A qué velocidad viajan los fotones?

También fue Einstein el que dijo que nada podía viajar más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, en términos cuánticos todo puede ser posible. Así que, ¿qué pasaría si aisláramos un fotón en el vacío y tratáramos de que alcanzara la mayor velocidad posible? ¿Sería posible que este único fotón viajara más rápido que la velocidad  de la luz?

Esto es precisamente lo que se preguntaron unos científicos de la Universidad Tecnológica de Hong-Kong. Se apoyaban en unas investigaciones preliminares que sugerían que, en el medio adecuado, se podía producir una propagación superlumínica que superase la velocidad de la luz. Sin embargo, todo resultó ser un espejismo.

En el experimentos, quedó claramente demostrado que un fotón aislado y en el vacío viaja siempre a la velocidad de luz, sin llegar a sobrepasarla. Y que en el caso de algún medio que ralentice el paso de la luz, se produce un retraso de nanosegundos.

¿Se pueden ver un fotón?

Que es un foton

Otra de las preguntas interesantes acerca de los fotones es: ¿se pueden ver a simple vista? ¿Cuántos fotones son necesarios para que el ojo humano pueda captarlos?

Algunos investigadores afirman que bastan entre 1 y 3 fotones par qué éstos puedan ser captados por el ser humano. Esto sucede gracias a unos elementos denominados bastiones que se encuentran en la retina de los ojos. Sin embargo, estos mismos investigadores firman que se trata más de una «sensación» que de algo claramente visible.

Experimentos científicos relacionados con los fotones

Experimentos cientificos fotones

Estas afirmaciones han intentado ser apoyadas por experimentos. En uno de ellos, llevado a cabo en la Universidad de Illinois, se trató de ver dónde estaba este límite. Para ello se encerró a tres personas en un cubículo totalmente a oscuras durante una hora. Después de este tiempo, comenzaron a realizar descargas de entre 1 y 3 fotones dentro del reciento. Los participantes tenían un pulsador para comunicar cuando habían visto «algo». Asimismo, podían pulsar el botón 1, 2 o 3 dependiendo de lo seguros que estuviesen de su respuesta.

Sin embargo, los resultados del experimentos no fueron tan esclarecedores como prometían. En muchos casos los participantes no se daban cuenta de nada. La explicación es que los fotones podían ser absorbidos antes de llegar a la retina de los participantes. Sin embargo, también hubo algunas reacciones correctas y uno de los datos llamó mucho la atención: el grado de aciertos era muy alto cuando los sujetos pulsaban el botón 3, es decir, cuando estaban seguros de haber visto algo.

Por otro lado, según algunos experimentos realizados en los años 70, la retina del ser humano no es capaz de percibir ni siquiera el 50% de fotones, mientras que a los bastiones tan solo podrían procesar alrededor de un 20%:

Por otro lado, en 1803, mucho antes de la concepción de la teoría cuántica, el físico Thomas Young realizó un famoso experimento para demostrar que la luz se comporta como una onda. Young envió la luz del sol a través de dos rendijas hacia un trozo de papel en blanco. Cuando observó la luz en la tarjeta, reveló un patrón de bandas brillantes y oscuras que se desvanecieron hacia el borde. En lugar de atravesar una rendija u otra, la luz se había comportado como una ola, atravesando ambas rendijas e interactuando consigo misma para formar un patrón, como ondas en un estanque.

En el siglo XX, los científicos colocaron detectores en tales rendijas para determinar qué camino tomó realmente la luz. Cuando hacían esto, siempre detectaban el fotón en una ranura u otra. Además, la película desarrolló dos bandas brillantes opuestas a los huecos en lugar de las ondas: los fotones atravesaban una rendija u otra en lugar de interactuar como una onda. Es casi como si la luz supiera cómo los científicos querían que se comportara.

Los científicos estaban desconcertados sobre cómo la luz determinaba qué hacer y, lo que es más importante, cuándo «decidió» comportarse como una partícula o una onda. ¿La luz se compromete con un comportamiento al comienzo de un experimento, cuando se produce; al final, cuando se detecta; o algún tiempo en el medio?

A finales de los años setenta y principios de los ochenta, el físico teórico John Wheeler propuso algunas pruebas para responder a esta pregunta. Algunos de estas implicaron cambiar la configuración experimental después de que la luz ya había ingresado al aparato. Esto se retrasaría cuando la luz pueda elegir su comportamiento hasta cerca del final de la prueba. Fue uno de los experimentos de elección tardía de Wheeler que el equipo de la Universidad de Padua, en Italia, realizó y detalló en la revista Science Advances.

El experimento de Wheeler se había hecho antes, pero no a esta escala. El uso de un reflector en un satélite en órbita permitió al equipo probar las predicciones de la teoría cuántica a distancias más grandes que nunca.

Prueba de física cuántica en el espacio

Ya en 2017 otros investigadores de Italia llevaron a cabo un famoso experimento de física cuántica a nuevas alturas enviando luz, en forma de fotones, al espacio y viceversa, demostrando la naturaleza de la onda de doble partícula de la luz a distancias mucho mayores de lo que los científicos pueden alcanzar en la Tierra.

La clave del experimentó fue que los científicos dividieron la luz de tal manera que la onda anterior tenía polarización horizontal y la última tenía polarización vertical. En otras palabras, las ondas se orientaron en dos direcciones diferentes.

Luego, los rayos de luz fueron preparados y listos para ser enviados al espacio. El equipo de investigadores dirigió la luz hacia un satélite, donde un reflector la envió de regreso hacia el aparato en Italia. En ese punto, dos ondas de luz se dirigían hacia la Tierra, una ligeramente por delante de la otra.

Así fue cuando entró la parte de «elección retrasada» del experimento. Después de que se reflejara la luz, una computadora envió una señal aleatoria a un cristal líquido. Dependiendo de la señal, el dispositivo intercambió las polarizaciones de ambos haces de luz o los dejó igual. En ese punto, la luz atravesó nuevamente el divisor del haz. Si las polarizaciones no se modificaron, el divisor simplemente recombinó la luz, haciéndola actuar como una sola onda. Si las polarizaciones se intercambiaban, las separaba aún más, creando un retraso distinto entre los dos pulsos para que la luz actuara como una partícula individual.

El cambio se decidió solo después de que la luz regresó a la Tierra, con más de la mitad de su viaje de ida y vuelta de 10 milisegundos. Esto significaba que no había forma de que la luz «supiera» lo que los científicos esperaban hasta el final, cuando golpeó el detector.

Y eso es exactamente lo que pasó. La luz se dividió en dos haces, como una onda y, al mismo tiempo, permaneció unida como un solo fotón, hasta el final, cuando el dispositivo de cristal líquido lo obligó a comportarse como uno u otro justo antes de golpear el detector. Las predicciones de la teoría cuántica se justificaron y se reafirmó la naturaleza surrealista de la mecánica cuántica.

¿Así que, qué significa?

Los resultados del experimento de Wheeler pueden ser inquietantes para quienes les gusta creer en una realidad física definitiva. Los nuevos hallazgos sugieren que el comportamiento de los objetos en el universo es fundamentalmente indeterminado hasta que algo los obliga a comportarse de cierta manera. Las partículas se propagan como ondas, las ondas se unen en partículas y nada puede predecirse con certeza , solo una probabilidad.

Pero en definitiva, el fotón es el elemento básico de la luz, y su comportamiento es complejo a la vez que fascinante.

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