Un fotón es un tipo de partícula elemental que forma la unidad básica de radiación electromagnética, que incluye ondas de radio, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Los fotones no tienen masa, no tienen carga eléctrica y viajan a la velocidad de la luz. A diferencia de algunas partículas, como los protones y los neutrones, no se cree que estén formadas por componentes más pequeños. Pertenecen a una clase de partículas que son responsables de las fuerzas fundamentales de la naturaleza y llevan la fuerza electromagnética. Según la teoría de la electrodinámica cuántica, la forma en que las partículas cargadas eléctricamente se comportan entre sí se puede describir en términos de fotones.
Los experimentos llevados a cabo en el siglo XIX parecían demostrar que la luz estaba compuesta de ondas. Sin embargo, a principios del siglo XX, otros experimentos indicaron que estaba formado por partículas. Aunque parece contradictorio, la luz y otras formas de radiación electromagnética en realidad se comportan como ambas formas. Los fotones son partículas de luz, pero también tienen propiedades onduladas, como la longitud de onda y la frecuencia.
Fotones y materia
La materia puede interactuar con las partículas de luz de varias formas. Un electrón en un átomo, por ejemplo, puede absorber un fotón, haciendo que salte a un nivel de energía más alto. Con el tiempo, el electrón puede volver a un nivel de energía más bajo, emitiendo la energía extra como un fotón. El ojo puede detectar la luz porque ciertas moléculas en la retina absorben energía de los fotones dentro del rango de frecuencias de la luz visible. Esta energía se convierte en impulsos eléctricos que viajan a lo largo del nervio óptico hasta el cerebro.
En algunos casos, los electrones pueden absorber partículas de luz ultravioleta de energía relativamente alta y luego emitir la energía como fotones de longitud de onda más larga de luz visible, un fenómeno conocido como fluorescencia. Las moléculas pueden absorber energía en frecuencias infrarrojas, lo que hace que se muevan más, lo que aumenta la temperatura; esta es la razón por la que los objetos pueden calentarse con la luz solar o con un calentador eléctrico. Los fotones de muy alta energía, como los rayos X y los rayos gamma, pueden tener un efecto destructivo sobre la materia. Tienen suficiente energía para eliminar electrones de los átomos, formando iones con carga positiva y para romper enlaces químicos. Estos efectos provocan cambios químicos que pueden ser muy dañinos para los organismos vivos.
Discovery
El concepto y el descubrimiento del fotón están estrechamente ligados al desarrollo de la teoría cuántica. Alrededor de 1900, el físico teórico Max Planck encontró una solución a un problema que había preocupado a los científicos durante algún tiempo, relacionado con las frecuencias de radiación electromagnética emitida por un objeto a diversas temperaturas. Propuso que la energía venía en unidades pequeñas e indivisibles, a las que denominó cuantos. El trabajo de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico en 1905 proporcionó una fuerte evidencia experimental de que los cuantos eran reales. Sin embargo, no fue hasta 1926 que el término «fotón» fue utilizado por primera vez por el químico Gilbert N. Lewis para describir los cuantos de luz.
Energía y Frecuencia
Planck mostró cómo la energía de un cuanto de luz está relacionada con su frecuencia. Él definió una constante, conocida como constante de Planck, que, cuando se multiplica por la frecuencia de un cuanto de luz, da su energía. Los fotones de alta frecuencia, como los de los rayos X, tienen por tanto más energía que los de baja frecuencia, como las ondas de radio. La constante de Planck es extremadamente pequeña; sin embargo, la mayoría de las fuentes de luz producen cantidades enormes de estas partículas, por lo que la energía total puede ser considerable.
Electrodinámica cuántica
A medida que se desarrolló la teoría cuántica, se hizo evidente que las fuerzas de la naturaleza debían ser transportadas de alguna manera por agentes que no podían viajar más rápido que la luz, y que estos agentes debían ser “cuantificados”: solo podían existir como múltiplos de unidades indivisibles. La relación entre luz, electricidad y magnetismo ya se había aclarado en el siglo XIX. En ese momento, sin embargo, se asumió que la luz y otras formas de radiación electromagnética consistían en ondas. Tras el descubrimiento de los fotones, se desarrolló una nueva teoría llamada electrodinámica cuántica, que explicaba cómo los fotones transportan la fuerza electromagnética.
La velocidad de la luz
Los fotones siempre viajan a la velocidad de la luz en el vacío, que es de aproximadamente 186,000 millas (300,000 kilómetros) por segundo. Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, no es posible que ningún objeto material alcance esta velocidad, ya que la masa aumenta con la velocidad, por lo que se necesita cada vez más energía para aumentar la velocidad. Los fotones viajan a la velocidad de la luz porque no tienen masa.
La luz puede ralentizarse cuando atraviesa el vidrio, por ejemplo, pero las partículas de luz individuales no se ralentizan. Son absorbidos por átomos, que ganan energía temporalmente, liberándola rápidamente de nuevo en forma de otro fotón con la misma frecuencia. Esto sucede muchas veces cuando la luz atraviesa el vidrio (o algunas otras sustancias), y el ligero retraso entre la absorción y la liberación de energía hace que las partículas tarden más en atravesar de lo que tardarían en atravesar el aire o el vacío. Sin embargo, cada fotón siempre viaja a la velocidad de la luz.
La relatividad especial muestra que viajar a una velocidad cercana a la de la luz tiene algunas consecuencias extrañas. Por ejemplo, el tiempo se ralentiza en relación con los objetos que no se mueven, un efecto conocido como dilatación del tiempo. Si un astronauta acelera alejándose de la Tierra hasta justo por debajo de la velocidad de la luz y luego regresa un año después, según su calendario, puede encontrar que han pasado diez años en la Tierra. No es posible que un astronauta alcance la velocidad de la luz, pero muchas personas han especulado sobre lo que significa la dilatación del tiempo para los fotones. Según la relatividad especial, el tiempo debe detenerse por completo.
Un humano que mira la galaxia de Andrómeda, que está a 2.2 millones de años luz de distancia, está viendo fotones que, desde su punto de vista, han viajado 2.2 millones de años luz y han tardado 2.2 millones de años en hacerlo. Se puede decir, sin embargo, que desde el punto de vista de los fotones, el viaje no ha llevado nada de tiempo y que la distancia recorrida es en realidad cero. Dado que cada partícula de luz “nace” en una estrella y existe hasta que golpea la retina del astrónomo, también se podría decir que desde su propio punto de vista, un fotón existe por tiempo cero y, por lo tanto, no existe en absoluto. El consenso entre los científicos, sin embargo, es que simplemente no tiene sentido pensar que las partículas de luz tienen un punto de vista o que “experimentan” algo.