La luz y su naturaleza intrínseca han sido objeto de debate durante miles de años. Desde las ideas de Platón hasta la actualidad, se han ido refutando y completando diferentes teorías sobre qué es la luz. A día de hoy, la idea de que la luz es un conjunto de partículas llamadas fotones está muy extendida. El objetivo de este trabajo es analizar de forma crítica esta idea y el mismo concepto del fotón como corpúsculo, así como discutir distintos fenómenos paradigmáticos desde el punto de vista de las teorías semiclásicas, haciendo especial énfasis en el efecto fotoeléctrico que, popularmente, es considerado una de las mayores evidencias del carácter discreto de la radiación.
La luz y su naturaleza intrínseca han sido objeto de debate durante miles de años. Desde las ideas de Platón hasta la actualidad, se han ido refutando y completando diferentes teorías sobre qué es la luz. A día de hoy, la idea de que la luz es un conjunto de partículas llamadas fotones está muy extendida. El objetivo de este trabajo es analizar de forma crítica esta idea y el mismo concepto del fotón como corpúsculo, así como discutir distintos fenómenos paradigmáticos desde el punto de vista de las teorías semiclásicas, haciendo especial énfasis en el efecto fotoeléctrico que, popularmente, es considerado una de las mayores evidencias del carácter discreto de la radiación.
En 1905 Albert Einstein publica su articulo “Sobre un punto de vista heuristico concerniente a la produccion y transformacion de la luz” donde por primera vez se logra dar una explicacion al fenomeno del desprendimiento de electrones desde una superficie metalica como consecuencia de la incidencia de un haz de luz sobre dicha superficie. La explicacion se basa en el concepto de cuanto de energia introducido por Max Planck. En 1968 Willis E. Lamb Jr. y Marlan O. Scully en su articulo “El efecto fotoelectrico sin fotones” buscan dar una explicacion al mismo efecto estudiado y teorizado por Einstein, reemplazando el concepto de foton por una onda electromagnetica clasica la cual sera la encargada de estimular los electrones del atomo hasta el punto de lograr desprenderlos del mismo. En este caso, haciendo uso de la imagen de interaccion o imagen de Dirac y la teoria de perturbacion dependiente del tiempo se busca dar una explicacion probabilistica a la interaccion entre atomo y la radiacion. En este trabajo se reproducen los calculos llevados a cabo por Lamb y Scully, mostrando como a partir de un modelo semi-clasico se logra explicar los resultados experimentales del efecto fotoelectrico de la misma manera como lo hace la explicacion basada en el concepto de foton.
En el año en que se conmemoran los cien años de la mecánica cuántica, este artículo vuelve a analizar una pregunta antigua y, en apariencia, sencilla: ¿qué es la luz en sentido físico? Para intentar resolverla, se hace un recorrido histórico que va desde la teoría corpuscular de Newton y la descripción ondulatoria de Huygens, pasando por los experimentos de interferencia de doble rendija de Young, hasta la teoría de Maxwell que establece la luz como una onda electromagnética. Se muestra cómo esa respuesta, que parecía bien explicada hacia finales del siglo XIX, resultó insuficiente cuando a comienzos del siglo XX aparecieron resultados experimentales imposibles de explicar usando la física clásica. Con nuevos resultados experimentales, se muestra cómo la cuantización propuesta por Planck resuelve el problema de la radiación de cuerpo negro y cómo Einstein, al explicar el efecto fotoeléctrico, obliga a introducir la idea los de cuantos de luz: los fotones. Posteriormente, se discute cómo la teoría y los experimentos contemporáneos consolidan la dualidad onda–partícula, incluso si se consideran fotones individuales, usando divisores de haz e interferómetros que revelan interferencia a nivel de un solo cuanto. Finalmente, se ofrece una visión general de desarrollos actuales que conectan los fundamentos de la mecánica cuántica, con el entrelazamiento, la no-localidad y las pruebas tipo Bell. Se hace énfasis en comprender, por qué los fotones siguen siendo centrales tanto para preguntas conceptuales aún abiertas como para tecnologías cuánticas emergentes, en particular la comunicación y la computación cuántica.
Esta charla va dirigida a oyentes muchos de los cuales no han estudiado Mecanica Cuantica. Tratare pues de ser lo mas economico posible en el uso de formulas, siguiendo la opinion de S. Hawking de que en un trabajo dirigido al publico no especializado cada formula reduce la audiencia a la mitad. Sin embargo va a ser una charla enfocada desde la fisica, en base a los experimentos e interpretaciones actuales, y no en el analisis historico de las formulaciones originales, o en discusiones filosoficas que todavia persisten. Albert Einstein contribuyo esencialmente al nacimiento de la Mecanica Cuantica. Al analizar el efecto fotoelectrico en 1905 fue el primero en proponer la discretizacion de la radiacion electromagnetica en cuantos de luz (fotones) como un autentico fenomeno fisico. Planck habia utilizado en 1900 una discretizacion analoga como un acto de desesperacion, para reproducir teoricamente el comportamiento observado de la radiacion del cuerpo negro, pero sin atreverse a proponerlo como algo mas que un metodo de calculo. Aunque al principio la explicacion de Einstein tropezo con fuertes reticencias, acabo siendo la contribucion concreta que se cita en la concesion de su Premio Nobel de Fisica en 1921. El analisis de Einstein del efecto fotoelectrico no es objeto de controversia hoy: los lectores interesados pueden encontrarlo discutido en los libros de Fisica Cuantica [1]. En la recomendacion para su ingreso en la Academia Prusiana de Ciencias, los firmantes, que incluian a Planck, decian: “... there is hardly one among the great problems, in which modern physics is so rich, to which Einstein has not made an important contribution. That he may have missed the target in his speculations, as, for example, in his hypothesis of light quanta (photons), cannot really be held too much against him, for it is not possible to introduce fundamentally new ideas, even in the most exact sciences, without occasionally taking a risk.”. En cambio, en la concesion del premio Nobel se dice “... for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the fotoelectric effect.” Estas dos citas estan recogidas en [1].
Ondas y Corpúsculos (') J esta charla (llamémosla así), trataré de exponer en la forma más simple y clara posible los concep tos y las ideas que se refieren a la moderna con cepción dualística de 1 a energía y de la materia.Comenzaré este estudio con la exposición del dualismo de la energía radiante y con este objeto creo oportuno exponer, an tes que nada, el desarrollo en el tiempo del pensamiento cientí fico que se refiere a la propagación en el espacio, de la luz y de todas las' otras radiaciones que son de la misma naturaleza que la luz y cuyo conjunto constituye la así llamada energía ra diante.Pasaré en revista las hipótesis, las teorías, las leyes ex perimentales sucesivamente obtenidas y de este análisis podré hacer resaltar lo grande que ha sido y es el esfuerzo y el tormento (séame permitida esta palabra) del pensamiento científico de los hombres de ciencia desde la iniciación de los estudios físicos hasta hoy día, para obtener una idea siempre más precisa siempre más próxima a la realidad de los hechos experimentales sucesi vamente descubiertos, del mecanismo (llamémoslo así) de la pro pagación en el espacio de la energía radiante.Y con mucha ra zón, los más grandes físicos del mundo se preocuparon de la (*) (*) Conferencia dictada el 10 de
El problema que pretendemos abordar en nuestro trabajo parte de la comprensión del fotón como un campo por excelencia monocromático y su localización espacio-temporal. Las contradicciones surgen a partir de que el modelo matemático para la descripción de la luz a nivel cuántico están basados en el análisis de Fourier, y desde este punto de vista un campo monocromático es representado como una onda armónica. A grandes rasgos, el análisis de Fourier establece que un campo monocromático es aquel que se extiende in_x001B_nitamente y de forma homogénea en el tiempo y el espacio. De acuerdo al análisis de Fourier, solo una onda armónica cumple estas características, la cual tiene un espectro único, es decir una única frecuencia asociada. Sin embargo, experimentalmente la noción de fotón es un tanto diferente. Un fotón se encuentra localizado dentro de un rango temporal ∆t, y solo puede ser detectado dentro de dicho rango temporal, es decir tiene cierto grado de localización. El inconveniente ocurre cuando se quiere tener un fotón parcialmente localizado que a su vez tenga una única frecuencia bien de_x001B_nida. Esto es inviable desde el análisis de Fourier, puesto que si se desea obtener un campo localizado, este debe estar compuesto de in_x001B_nitos modos que conforman un paquete de ondas. En nuestro trabajo abordamos este problema partiendo desde los conceptos fundamentales de la cuantización de la luz. Comenzamos describiendo una formulación mecanocuántica de la luz que permita estudiar el concepto de función de onda del fotón. Posteriormente estudiamos el proceso de segunda cuantización y analizamos especialmente el concepto de las _x001E_uctuaciones del campo de vacío. Basados en una hipótesis en la que asociamos las ondas armónicas con los estados de vacío, construímos un modelo que permite solventar muchas de las di_x001B_cultades conceptuales que puedan conducir a malas interpretaciones. En este sentido, el estado cuántico de un fotón es entendido como una composición de estados de vacío sobre todos los modos o frecuencias en las que una fuente puede emitir. De gran importancia en nuestro trabajo es la necesidad de introducir una teoría de procesos aleatorios al estudio de la radiación a nivel fundamental, puesto que consideramos que las _x001E_uctuaciones de vacío le otorgan a la radiación un carácter estocástico. Finalmente realizamos una aplicación del modelo propuesto orientada a la emisión emisión espontánea y estimulada. Como resultado principal en esta dirección veremos que nuestro modelo permite calcular las probabilidades de transición mediante una de_x001B_nición particular de los estado inicial y _x001B_nal de un sistema átomo-campo.