Sia la teoria ondulatoria della luce che la teoria delle particelle della luce sono approssimazioni a una teoria più profonda chiamata Elettrodinamica quantistica (QED in breve). La luce non è un'onda né una particella ma è invece un'eccitazione in un campo quantistico.

La QED è una teoria complicata, quindi mentre è possibile eseguire calcoli direttamente in QED, spesso troviamo che sia più semplice da usare un'approssimazione. La teoria ondulatoria della luce è spesso una buona approssimazione quando guardiamo a come la luce si propaga e la teoria delle particelle della luce è spesso una buona approssimazione quando guardiamo come la luce interagisce, cioè scambia energia con qualcos'altro.

Quindi non è realmente possibile rispondere alla domanda dove si trova il fotone in questa spiegazione . In generale, se stai guardando un sistema, come quello nel video, dove la teoria delle onde è una buona descrizione della luce, troverai che la teoria dei fotoni è una descrizione povera della luce, e viceversa . I due modi di guardare la luce sono complementari.

Per esempio, se guardi l'esperimento descritto nella risposta di Anna (che è uno degli esperimenti fondamentali per comprendere la diffrazione!) La teoria ondulatoria ci fornisce una buona descrizione di come la luce viaggia attraverso le fessure di Young e crea il pattern di interferenza, ma non può descrivere come la luce interagisce con il fotomoltiplicatore utilizzato per registrare l'immagine. Al contrario, la teoria dei fotoni ci fornisce una buona spiegazione di come la luce interagisce con il fotomoltiplicatore ma non può descrivere come ha viaggiato attraverso le fessure e ha formato il modello di diffrazione.

In questo link esiste una spiegazione matematica di come un insieme di fotoni di frequenza $ \ nu $ ed energia $ E = h \ nu $ finisca per costruire coerentemente la classica onda elettromagnetica di frequenza $ \ nu $.

Non è semplice da seguire se non si ha il background matematico. Osservare concettualmente l'accumulo di frange di interferenza da singoli fotoni in un esperimento a due fenditure potrebbe darti un'intuizione di come anche se la luce è composta da singole particelle elementari, fotoni, il modello d'onda classico emerge quando l'insieme diventa grande.

Figura 1. Registrazione con telecamera a fotone singolo di fotoni da una doppia fenditura illuminata da luce laser molto debole. Da sinistra a destra: fotogramma singolo, sovrapposizione di 200, 1’000 e 500’000 fotogrammi.

Nel 1995 Willis Lamb pubblicò un provocatorio articolo dal titolo "Anti-photon", Appl. Phys. B 60, 77-84 (1995). Poiché Lamb è stato uno dei grandi pionieri della fisica del XX secolo, non è facile liquidarlo come un vecchio pazzo.

Scrive nel paragrafo introduttivo:

I concetti di fotone usati da un'alta percentuale della comunità laser non hanno alcuna giustificazione scientifica. Sono trascorsi circa trentacinque anni dalla realizzazione del primo laser. Prima sarà possibile una riformulazione appropriata dei nostri processi educativi, meglio è.

Conclude con questi commenti:

Si parla molto della dualità onda-particella nella discussione della meccanica quantistica. Questo può essere necessario per coloro che non vogliono o non sono in grado di acquisire una comprensione della teoria. Tuttavia, questo concetto è ancora più inutilmente introdotto nelle discussioni sui problemi della teoria quantistica o della radiazione. Qui compaiono le onde di modo normale di un'elettrodinamica puramente classica, e per ogni modo normale c'è una particella di oscillatore armonico pseudosemplice equivalente che può quindi avere una funzione d'onda il cui argomento è la corrispondente ampiezza di modo normale. Nota che la particella non è un fotone. Si potrebbe piuttosto pensare a una molteplicità di due concetti d'onda distinti e un concetto di particella per ciascuna modalità normale del campo di radiazione. Tuttavia, tali concetti non sono realmente utili o appropriati. Il "Principio di complementarità" e la nozione di dualità onda-particella furono introdotti da N. Bohr nel 1927. Riflettono il fatto che si occupò principalmente di concetti teorici e filosofici e lasciò il lavoro dettagliato agli assistenti post-dottorato. È molto probabile che Bohr non abbia mai fatto da solo un calcolo quantomeccanico significativo dopo la formulazione della meccanica quantistica nel 1925-1926. È giunto il momento di rinunciare all'uso della parola "fotone", e di un cattivo concetto che tra poco sarà vecchio di un secolo. La radiazione non è costituita da particelle e il limite classico, cioè non quantistico, del QTR è descritto dalle equazioni di Maxwell per i campi elettromagnetici, che non coinvolgono le particelle. Parlare di radiazioni in termini di particelle è come usare frasi onnipresenti come "Sai" o "Voglio dire" che sono molto da sentire in alcune culture. Per un amico di Charlie Brown, potrebbe servire come una sorta di coperta di sicurezza.

Il dilemma del fotone

È postulato da Planck che l'energia sia quantizzata. A causa della teoria elettromagnetica classica la luce è un campo elettromagnetico. Questo campo soddisfa un'equazione d'onda che viaggia alla velocità della luce. Quindi, la luce è un'onda elettromagnetica. La luce è costituita da fotoni; e così ogni fotone trasporta un'unità di energia. Questo comportamento è dimostrato dagli effetti fotoelettrico e Compton. Poiché la luce è un'energia elettromagnetica, i fotoni devono anche trasportare il campo elettromagnetico e un'unità di esso. Mentre i fotoni sono oggetti quantistici, la luce è ancora governata dalla teoria classica di Maxwell. Il modello del fotone non è criticamente coerente con le equazioni di Maxwell, poiché ha una doppia natura. In effetti la luce come un'onda è ben descritta da Maxwell. Ricorda che le equazioni di Maxwell non coinvolgono la costante di Planck e quindi non possono descrivere la natura particellare del fotone. Le equazioni di Maxwell complete dovrebbero coinvolgere questo elemento mancante. Nel paradigma elettrodinamico quantistico, il fotone viene portato a interagire con gli elettroni invocando l'idea di accoppiamento minimo in cui elettroni e fotoni scambiano quantità di moto. Il fotone appare come un mediatore tra le particelle cariche.

Allo stesso tempo, mentre una particella carica in movimento ha il proprio campo elettrico e il campo magnetico che dipendono dalla velocità della particella, il fotone, il vettore dell'energia elettromagnetica, è privo di questi campi auto perché non ha carica e massa. Pertanto, un fotone senza carica non può avere campi elettrici e magnetici che accompagnano il suo movimento.

Le equazioni di Maxwell appropriate dovrebbero quindi incorporare il momento lineare del fotone così come il suo momento angolare. In tal caso le nuove equazioni di Maxwell possono quindi descrivere la duplice natura del fotone. Come la carica elettrica, il momento angolare è generalmente una quantità conservata. La domanda è: come si possono correggere queste proprietà dei fotoni? Un modo per ottenere ciò è impiegare quaternioni che genericamente consentono di unire molte proprietà fisiche in un'unica equazione. Questo è così perché l'algebra dei quaternioni è così ricca, a differenza dei normali numeri reali. A tal fine utilizziamo la parentesi del commutatore posizione-momento e invociamo una funzione d'onda fotonica. Questa funzione d'onda è costruita dalla complessa combinazione lineare dei campi elettrico e magnetico.

Il risultato della parentesi fornisce tre equazioni che definiscono i campi elettrici e magnetici del fotone in termini di momento angolare. Queste equazioni risultano essere molto simili a quei campi creati da una carica in movimento. Pertanto, i campi elettrico e magnetico del fotone non richiedono una carica per il fotone. È interessante che il fotone non abbia carica e massa ma abbia campi elettrici e magnetici oltre che energia. Questi campi dovrebbero anche soddisfare le equazioni di Maxwell. In questo modo, si ottengono cariche elettriche e magnetiche aggiuntive e densità di corrente per il fotone. Le equazioni di Maxwell emergenti sono ora appropriate per descrivere il fotone come una particella quantistica. Questi termini aggiuntivi nelle equazioni di Maxwell sono la fonte nella descrizione del comportamento dell'elettrodinamica quantistica del fotone. Alcuni fenomeni emergenti associati all'isolante topologico, l'effetto di rotazione di Faraday, l'effetto Hall e l'effetto di Kerr potrebbero essere esempi di questi termini di contributo alle equazioni di Maxwell.

Ecco le equazioni di Maxwell quantizzate che incorporano il momento lineare e angolare del fotone. Questi sono i campi elettrici e magnetici dovuti al fotone come particella: \ begin {equation} \ vec {L} \ cdot \ vec {E} = - \ frac {3 \ hbar c} {2} \, \ Lambda \ ,, \ qquad \ qquad \ vec {L} \ cdot \ vec {B} = 0 \ ,, \ end {equation} e \ begin {equation} \ vec {B} = - \ frac {2} {3 \ hbar c} \, (\ vec {L} \ times \ vec {E}) \ ,, \ qquad \ qquad \ vec {E} = \ frac { 2 c} {3 \ hbar} (- \ Lambda \, \ vec {L} + \ vec {L} \ times \ vec {B}) \ ,. \ end {equation} E queste sono le nuove equazioni di Maxwell: \ begin {equation} \ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {E} = - \ frac {4c} {3 \ hbar} \, \, (\ vec {B} - \ frac {1} {2} \, \ mu_0 \ vec {r} \ times \ vec {J}) \ cdot \ vec {p} + \ frac {2} {3 \ hbar c} \, \ vec {E} \ cdot \ vec {\ tau} + \ frac {\ parziale \ Lambda} {\ partial t} \ ,, \ qquad \ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {B} = \ frac {4} {3 \ hbar c} \, \, \ vec {E} \ cdot \ vec {p} + \ frac {2} {3 \ hbar c} \, \ vec {B} \ cdot \ vec {\ tau} \ ,, \ end {equation} e \ begin {equation} \ vec {\ nabla} \ times \ vec {B} = \ frac {1} {c ^ 2} \, \ frac {\ partial \ vec {E}} {\ partial t} + \ frac {2} {3 \ hbar c} \ left (\ Lambda \ vec {\ tau} + \ vec {B} \ times \ vec {\ tau} - \ frac {\ vec {P}} {\ varepsilon_0} \ times \ vec {p} \ right) - \ vec {\ nabla} \ Lambda \ ,, \ end {equation}

\ begin {equation} \ vec {\ nabla} \ times \ vec {E} = - \ frac {\ partial \ vec {B}} {\ partial t} - \ frac {2c} {3 \ hbar} \ left (\ mu_0 \ vec { J} \ times \ vec {L} + \ frac {\ vec {\ tau}} {c ^ 2} \ times \ vec {E} +2 \ Lambda \, \ vec {p} \ right) \ ,, \ end {equation} dove \ begin {equation} - \ Lambda = \ frac {1} {c ^ 2} \, \ frac {\ partial \ varphi} {\ partial t} + \ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {A} = \ partial_ \ mu A ^ \ mu \ ,. \ end {equation} Nell'elettrodinamica standard $ \ Lambda = 0 $ rappresenta la condizione dell'indicatore di Lorenz.

Per capire il dualismo delle particelle d'onda devi semplicemente capire che cosa è il tempo:

Nel 1905, il concetto di tempo unico newtoniano fu sostituito da un duplice concetto di tempo di coordinate osservate e tempo proprio: il tempo osservato è relativo e dipendente dall'osservatore, ed è derivato dal tempo proprio intrinseco della particella osservata ( "Il tempo misurato da un orologio che segue un dato oggetto"). Il tempo corretto è il concetto di tempo più fondamentale.

Puoi capire il dualismo delle particelle d'onda se consideri il caso più semplice di un fotone, cioè un fotone che si muove alla velocità della luce c. L'intervallo spaziotemporale di tali fotoni (che corrisponde al loro tempo proprio) è zero. Ciò significa che l'evento di emissione e l'evento di assorbimento sono adiacenti nello spaziotempo, la particella di massa emittente sta trasmettendo la quantità di moto che è chiamata fotone direttamente alla particella di massa assorbente, senza alcun spazio-tempo tra di loro. Ciò significa che le caratteristiche delle particelle vengono trasmesse direttamente senza la necessità di alcuna particella senza massa intermedia.

Tuttavia, per gli osservatori l'intervallo zero spaziotemporale non è osservabile, ad es. tra il Sole e la Terra si osservano otto minuti luce, anche se l'intervallo spazio-temporale del percorso del fotone è zero. Nonostante la trasmissione diretta di una quantità di moto tra due particelle di massa, gli osservatori osservano un'onda elettromagnetica che sta riempiendo il vuoto di otto minuti luce.

In sintesi, le caratteristiche delle particelle vengono trasmesse direttamente secondo i principi degli intervalli spaziotemporali e del tempo appropriato, mentre l'onda viene trasmessa secondo i principi della varietà spazio-temporale osservata.

Ora ti chiederai: che dire dei fotoni che si muovono più lentamente di c (attraverso campi gravitazionali e mezzi trasparenti)?La risposta è che qui sono impliciti effetti quantistici come la non località.Ma è importante notare che il caso limite dei fotoni nel vuoto che si muovono in c può essere spiegato e compreso in modo classico, senza bisogno di alcuna teoria quantistica.

Che cosa sono i fotoni?

I fotoni vengono emessi ogni volta che un corpo ha una temperatura superiore a 0 Kelvin (la temperatura zero assoluta).Tutti i corpi che ci circondano (tranne i buchi neri) in qualsiasi momento si irradiano.Emettono radiazioni nell'ambiente circostante così come ricevono radiazioni dall'ambiente circostante.Max Planck è stato il fisico che ha scoperto che questa radiazione deve essere emessa in piccole porzioni, in seguito chiamate quanti e anche successivamente chiamate fotoni.Facendo alcuni cambiamenti nell'immaginazione di come gli elettroni sono distribuiti attorno al nucleo, si è concluso che gli elettroni vengono disturbati dai fotoni in arrivo, in questo modo guadagnano energia e restituiscono questa energia dall'emissione di fotoni.E i fotoni non vengono emessi solo dagli elettroni.Anche il nucleo, se ben disturbato, emette fotoni.Tali radiazioni sono chiamate raggi X e raggi gamma.

Che cos'è la radiazione elettromagnetica?

La radiazione EM è la somma di tutti i fotoni emessi dagli elettroni, protoni e neutroni coinvolti di un corpo. Tutti i corpi emettono radiazioni infrarosse; a partire da ca. A 500 ° C emettono luce visibile, prima emettendo luce rossa e poi risplendendo sempre di più. Esistono alcuni metodi per stimolare l'emissione di radiazioni EM. Si è scoperto che oltre alla riemissione di fotoni esiste una seconda possibilità di generare radiazioni EM. Ogni volta che un elettrone viene accelerato, emette fotoni. Questa spiegazione aiuta a capire cosa succede nel filamento bagliore di una lampadina elettrica. Gli elettroni sul filamento non si muovono direttamente in avanti, si scontrano e corrono a zig-zag. Con queste accelerazioni perdono energia e questa energia viene emessa come fotoni. La maggior parte di questi fotoni sono fotoni infrarossi e alcuni di questi fotoni si trovano nel raggio della luce visibile. In un tubo fluorescente gli elettroni vengono accelerati con maggiore energia ed emettono fotoni ultravioletti (che vengono convertiti in luce visibile dal rivestimento fluorescente del vetro). Gli elettroni di energia più elevata (con velocità più elevata) raggiungono il nucleo e il nucleo emette raggi X. Finché l'energia introdotta è un flusso continuo, nessuno è in grado di misurare un'oscillazione della radiazione EM.

Che cosa sono le onde EM?

Utilizzando un generatore di onde è possibile creare radiazioni EM oscillanti. Tali radiazioni sono chiamate onde radio. Si è scoperto che un circuito LC modificato in un'unità con un generatore di onde è in grado di irradiare e che è possibile filtrare una tale radiazione modulata (di una certa frequenza) dalla radiazione EM rumorosa circostante.

Quindi il generatore di onde ha una doppia funzione. Il generatore deve accelerare avanti e indietro gli elettroni all'interno dell'asta dell'antenna e in questo modo vengono emessi i fotoni dell'onda radio, e il generatore consente di modulare questa radiazione EM con una frequenza portante. Va sottolineato che la frequenza dei fotoni emessi è nel range IR e talvolta nel range dei raggi X. Esiste un rapporto ottimale tra la lunghezza dell'asta dell'antenna e la frequenza del generatore di onde. Ma ovviamente si può cambiare la lunghezza dell'asta o si può cambiare la frequenza del generatore. Ciò modifica l'efficienza della radiazione solo con l'apporto energetico necessario. Concludere dalla lunghezza dell'asta dell'antenna alla lunghezza d'onda dei fotoni emessi non ha senso.

Qual è la caratteristica d'onda del fotone?

Poiché gli elettroni in un'asta di antenna sono accelerati più o meno allo stesso tempo, emettono fotoni simultaneamente. La radiazione EM di un'antenna è misurabile ed è stato scoperto che il campo vicino di un'antenna ha due componenti, una componente di campo elettrico e una componente di campo magnetico. Questi due componenti si convertono l'uno nell'altro, si inducono a vicenda. Ad un certo punto l'energia di trasmissione è nella componente del campo elettrico e altrimenti l'energia è nella componente del campo magnetico. Allora perché non concludere dal quadro generale alla natura dei fotoni coinvolti? Sono i componenti che compongono l'onda radio.

Riferisci che nel video si afferma che un'onda elettromagnetica è "una reazione a catena di campi elettrici e magnetici che si creano l'un l'altro in modo che la catena dell'onda si muova in avanti". Non sono d'accordo con questo punto di vista. Esiste una sola onda, quella del potenziale vettoriale o più in generale dei quattro potenziali. I campi elettrico e magnetico sono solo derivati ​​del potenziale vettoriale e non "si creano l'un l'altro".

Rifiutando questa spiegazione arriviamo quindi alla tua domanda più profonda: "Qual è la relazione tra onda elettromagnetica e fotone?"

Fino a pochi anni fa condividevo l'opinione di Willis Lamb, secondo cui il fotone è una particella fittizia. Alla fine ho cambiato idea perché una tale spiegazione non può spiegare esperimenti di diffrazione a bassa intensità. In effetti, come può un singolo atomo o molecola assorbire un'onda molto più grande di essa? Si noti che non intendo sborsare qui una discussione su questo, ma voglio dare la mia interpretazione. Questo è che il potenziale vettore descrive la probabilità che un fotone venga assorbito, proprio come le funzioni d'onda di Schrödinger e di Dirac fanno per un elettrone. Infatti le equazioni di Maxwell nel vuoto possono essere scritte come un'equazione d'onda che ricorda molto da vicino l'equazione di Klein-Gordon. Questa interpretazione implica che il fotone esista effettivamente come una particella, molto più piccola di un atomo e almeno piccola come un nucleone.