Fotón

Un fotón ( del griego antiguo φῶς , φωτός ( phôs, phōtós ), que significa « luz » ) es una partícula elemental que constituye un cuanto del campo electromagnético , incluyendo la radiación electromagnética como la luz y las ondas de radio , y es el portador de la fuerza electromagnética . Los fotones son partículas sin masa que solo pueden moverse a una velocidad: la velocidad de la luz medida en el vacío . El fotón pertenece a la clase de partículas bosónicas . 

Al igual que otras partículas elementales, los fotones se explican mejor mediante la mecánica cuántica y exhiben dualidad onda-partícula , presentando su comportamiento propiedades tanto de ondas como de partículas . ^{[ 2 ]} El concepto moderno de fotón se originó durante las dos primeras décadas del siglo XX con el trabajo de Albert Einstein , quien se basó en la investigación de Max Planck . Mientras Planck intentaba explicar cómo la materia y la radiación electromagnética podían estar en equilibrio térmico , propuso que la energía almacenada en un objeto material debía considerarse compuesta por un número entero de partes discretas de igual tamaño. Para explicar el efecto fotoeléctrico , Einstein introdujo la idea de que la luz misma está hecha de unidades discretas de energía. En 1926, Gilbert N. Lewis popularizó el término fotón para estas unidades de energía. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Posteriormente, muchos otros experimentos validaron el enfoque de Einstein. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

En el Modelo Estándar de la física de partículas , los fotones y otras partículas elementales se describen como una consecuencia necesaria de leyes físicas que poseen cierta simetría en cada punto del espacio-tiempo . Las propiedades intrínsecas de las partículas, como la carga , la masa y el espín , están determinadas por la simetría de gauge . El concepto de fotón ha propiciado avances trascendentales en la física experimental y teórica, incluyendo láseres , condensación de Bose-Einstein , teoría cuántica de campos y la interpretación probabilística de la mecánica cuántica. Se ha aplicado a la fotoquímica , la microscopía de alta resolución y la medición de distancias moleculares . Además, los fotones se han estudiado como elementos de computadoras cuánticas y para aplicaciones en imagen óptica y comunicación óptica, como la criptografía cuántica .

El fotón no tiene carga eléctrica , ^{[ 9 ] [ 10 ]} generalmente se considera que tiene masa en reposo cero , ^{[ 11 ]} y es una partícula estable . El límite superior experimental de la masa del fotón ^{[ 12 ] [ 13 ]} es muy pequeño, del orden de 10⁻⁵³ ^g ; su vida útil sería de más de 10¹⁸ ^años . ^{[ 14 ]} En comparación, la edad del universo es de aproximadamente 1,38 × 10¹⁰ ^años .

Se ha demostrado que los fotones individuales viajan a la velocidad de la luz en el vacío. La medición utiliza una fuente de fotones individuales anunciada . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

En el vacío, un fotón tiene dos posibles estados de polarización . ^{[ 17 ]} El fotón es el bosón de gauge para el electromagnetismo , ^{[ 18 ] : 29–30} y por lo tanto todos los demás números cuánticos del fotón (como el número leptónico , el número bariónico y los números cuánticos de sabor ) son cero. ^{[ 19 ]} Además, los fotones obedecen la estadística de Bose-Einstein , y no la estadística de Fermi-Dirac . Es decir, no obedecen el principio de exclusión de Pauli , ^{[ 20 ] : 1221} y más de un fotón puede ocupar el mismo estado cuántico ligado.

Los fotones se emiten cuando una carga se acelera y emite radiación sincrotrón . Durante una transición molecular , atómica o nuclear a un nivel de energía inferior , los fotones emitidos tienen energías características que van desde ondas de radio hasta rayos gamma . Los fotones también pueden emitirse cuando una partícula y su antipartícula correspondiente se aniquilan (por ejemplo, aniquilación electrón-positrón ). ^{[ 20 ] : 572, 1114, 1172}

Energía y momento

En un modelo mecánico cuántico, las ondas electromagnéticas transfieren energía en fotones con energía proporcional a la frecuencia (${\displaystyle \nu }$) ^{[ 21 ] : 325}

${\displaystyle E=h\nu }$

donde h es la constante de Planck , una constante física fundamental . La energía se puede escribir con frecuencia angular (${\displaystyle \omega }$) o longitud de onda ( λ ):

${\displaystyle E=\hbar \,\omega ={\frac {\,h\,c\,}{\lambda }}}$

donde ħ ≡ ⁠ h / 2 π ⁠ se denomina constante de Planck reducida y c es la velocidad de la luz .

El momento de un fotón

${\displaystyle {\boldsymbol {p}}=\hbar {\boldsymbol {k}}~,}$

donde k es el vector de onda , donde

• k ≡ | k | = ⁠ 2 π / λ ⁠ es el número de onda . ^{[ 22 ]}

Desde${\displaystyle {\boldsymbol {p}}}$apunta en la dirección de propagación del fotón, la magnitud de su momento es

${\displaystyle p\equiv \left|{\boldsymbol {p}}\right|=\hbar k={\frac {\,h\nu \,}{c}}={\frac {\,h\,}{\lambda }}~.}$

La energía del fotón se puede escribir como E = pc donde p es la magnitud del vector momento p . Esto es consistente con la relación energía-momento de la relatividad especial .

${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}}$

cuando m = 0 . ^{[ 23 ]}

En la mayoría de las teorías hasta el siglo XVIII, la luz se concebía como compuesta de partículas. Dado que los modelos de partículas no pueden explicar fácilmente la refracción , la difracción y la birrefringencia de la luz, René Descartes (1637), ^{[ 36 ]} Robert Hooke (1665), ^{[ 37 ]} y Christiaan Huygens (1678); ^{[ 38 ]} sin embargo, los modelos de partículas siguieron siendo dominantes, principalmente debido a la influencia de Isaac Newton . ^{[ 39 ]} A principios del siglo XIX, Thomas Young y August Fresnel demostraron claramente la interferencia y la difracción de la luz, y para 1850 los modelos de ondas eran generalmente aceptados. ^{[ 40 ]} La predicción de James Clerk Maxwell en 1865 ^{[ 41 ]} de que la luz era una onda electromagnética —que fue confirmada experimentalmente en 1888 por la detección de ondas de radio por Heinrich Hertz ^{[ 42 ]} — pareció ser el golpe final para los modelos de partículas de la luz.

Sin embargo, la teoría de ondas de Maxwell no explica todas las propiedades de la luz. Esta teoría predice que la energía de una onda luminosa depende únicamente de su intensidad , no de su frecuencia ; no obstante, diversos experimentos independientes demuestran que la energía que la luz transmite a los átomos depende únicamente de su frecuencia, no de su intensidad. Por ejemplo, algunas reacciones químicas solo se desencadenan con luz de frecuencia superior a un cierto umbral; la luz de frecuencia inferior a dicho umbral, por muy intensa que sea, no inicia la reacción. De forma similar, se pueden expulsar electrones de una placa metálica al iluminarla con luz de frecuencia suficientemente alta ( efecto fotoeléctrico ); la energía del electrón expulsado está relacionada únicamente con la frecuencia de la luz, no con su intensidad. ^{[ 43 ]}

Al mismo tiempo, las investigaciones sobre la radiación de cuerpo negro llevadas a cabo durante cuatro décadas (1860-1900) por diversos investigadores ^{[ 44 ]} culminaron en la hipótesis de Max Planck ^{[ 45 ] [ 46 ]} de que la energía de cualquier sistema que absorbe o emite radiación electromagnética de frecuencia ν es un múltiplo entero de un cuanto de energía E = hν . Como demostró Albert Einstein , ^{[ 47 ] [ 48 ]} debe asumirse alguna forma de cuantización de la energía para explicar el equilibrio térmico observado entre la materia y la radiación electromagnética ; por esta explicación del efecto fotoeléctrico, Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921. ^{[ 49 ]}

Dado que la teoría de la luz de Maxwell permite todas las energías posibles de la radiación electromagnética, la mayoría de los físicos asumieron inicialmente que la cuantización de la energía resultaba de alguna restricción desconocida sobre la materia que absorbe o emite la radiación. En 1905, Einstein fue el primero en proponer que la cuantización de la energía era una propiedad de la radiación electromagnética misma. ^{[ 47 ]} Aunque aceptó la validez de la teoría de Maxwell, Einstein señaló que muchos experimentos anómalos podrían explicarse si la energía de una onda de luz maxwelliana estuviera localizada en cuantos puntuales que se mueven independientemente unos de otros, incluso si la onda misma se extiende continuamente por el espacio. ^{[ 47 ]} En 1909 ^{[ 48 ]} y 1916, ^{[ 50 ]} Einstein demostró que, si se acepta la ley de Planck con respecto a la radiación del cuerpo negro, los cuantos de energía también deben llevar momento p = ⁠ h / λ ⁠ , lo que los convierte en partículas completas.

Como se relató en la conferencia Nobel de Robert Millikan en 1923, la relación de energía predicha por Einstein en 1905 se verificó experimentalmente en 1916, pero el concepto local de los cuantos seguía sin estar claro. ^{[ 51 ]} La mayoría de los físicos se resistían a creer que la radiación electromagnética en sí misma pudiera ser particulada y, por lo tanto, un ejemplo de dualidad onda-partícula. ^{[ 52 ]} Luego, en 1922, el experimento de Arthur Compton ^{[ 53 ]} demostró que los fotones transportaban momento proporcional a su número de onda (y por lo tanto energía) en un efecto ahora llamado dispersión de Compton que parecía apoyar claramente un modelo cuántico localizado. Al menos para Millikan, esto resolvió la cuestión. ^{[ 51 ]} Compton recibió el Premio Nobel en 1927 por su trabajo sobre la dispersión.

Incluso después del experimento de Compton, Niels Bohr , Hendrik Kramers y John Slater hicieron un último intento por preservar el modelo de campo electromagnético continuo maxwelliano de la luz, la llamada teoría BKS . ^{[ 54 ]} Una característica importante de la teoría BKS es cómo trataba la conservación de la energía y la conservación del momento . En la teoría BKS, la energía y el momento solo se conservan en promedio a través de muchas interacciones entre materia y radiación. Sin embargo, experimentos refinados de Compton demostraron que las leyes de conservación se cumplen para interacciones individuales. ^{[ 55 ]} En consecuencia, Bohr y sus colaboradores le dieron a su modelo "un funeral lo más honorable posible". ^{[ 56 ]} No obstante, los fallos del modelo BKS inspiraron a Werner Heisenberg en su desarrollo de la mecánica matricial . ^{[ 57 ]}

A finales de la década de 1920, la cuestión fundamental era cómo unificar la teoría ondulatoria de la luz de Maxwell con su naturaleza corpuscular observada experimentalmente. La respuesta a esta pregunta ocupó a Albert Einstein durante el resto de su vida, ^{[ 56 ]} y se resolvió en la electrodinámica cuántica y su sucesor, el Modelo Estándar . (Véase §  Teoría cuántica de campos y §  Como bosón de gauge , más adelante).

Algunos físicos persistieron ^{[ 58 ]} en el desarrollo de modelos semiclasicos en los que la radiación electromagnética no está cuantizada, pero la materia parece obedecer las leyes de la mecánica cuántica . Si bien la evidencia proveniente de experimentos químicos y físicos sobre la existencia de fotones era abrumadora en la década de 1970, esta evidencia no podía considerarse absolutamente definitiva, ya que se basaba en la interacción de la luz con la materia, y una teoría de la materia suficientemente completa podría, en principio, explicar dicha evidencia.

En las décadas de 1970 y 1980, los experimentos de correlación de fotones demostraron de manera definitiva los efectos cuánticos de los fotones. Estos experimentos producen resultados que no pueden explicarse mediante ninguna teoría clásica de la luz, ya que implican anticorrelaciones que resultan del proceso de medición cuántica . En 1974, Clauser llevó a cabo el primer experimento de este tipo, informando de una violación de una desigualdad clásica de Cauchy-Schwarz . En 1977, Kimble et al. demostraron un efecto de antibunching análogo de fotones que interactúan con un divisor de haz; este enfoque se simplificó y se eliminaron las fuentes de error en el experimento de anticorrelación de fotones de Grangier, Roger y Aspect (1986); ^{[ 59 ]} Este trabajo se revisa y simplifica aún más en Thorn, Neel et al. (2004). ^{[ 60 ]}

La palabra cuanto (singular cuanto, del latín cuánto ) se usaba antes de 1900 para referirse a partículas o cantidades de diferentes magnitudes , incluida la electricidad . En 1900, el físico alemán Max Planck estudiaba la radiación de cuerpo negro y sugirió que las observaciones experimentales, específicamente en longitudes de onda más cortas , se explicarían si la energía estuviera "compuesta por un número completamente determinado de partes finitas iguales", a las que llamó "elementos de energía". ^{[ 61 ]} En 1905, Albert Einstein publicó un artículo en el que proponía que muchos fenómenos relacionados con la luz —incluida la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico— se explicarían mejor modelando las ondas electromagnéticas como compuestas de cuantos de energía discretos y localizados espacialmente. ^{[ 47 ]} Los llamó cuanto de luz (en alemán: ein Lichtquant ). ^{[ 62 ]}

El nombre fotón deriva de la palabra griega para luz, φῶς (transliterada phôs ). El nombre fue utilizado en 1916 por el físico y psicólogo estadounidense Leonard T. Troland para una unidad de iluminación de la retina y en varios otros contextos antes de ser adoptado en física. ^{[ 5 ]} El uso del término fotón para el cuanto de luz fue popularizado por Gilbert N. Lewis , quien lo utilizó en una carta a Nature el 18  de diciembre de 1926. ^{[ 63 ]} Arthur Compton, quien había realizado un experimento clave que demostraba los cuantos de luz, citó a Lewis en las actas de la conferencia Solvay de 1927 por sugerir el nombre fotón . Einstein nunca utilizó el término. ^{[ 5 ]}

En física, un fotón se suele denotar con el símbolo γ (la letra griega gamma ). Este símbolo para el fotón probablemente deriva de los rayos gamma , que fueron descubiertos en 1900 por Paul Villard , ^{[ 64 ] [ 65 ]} nombrados por Ernest Rutherford en 1903, y demostrados como una forma de radiación electromagnética en 1914 por Rutherford y Edward Andrade . ^{[ 66 ]} En química e ingeniería óptica , los fotones se suelen simbolizar con hν , que es la energía del fotón , donde h es la constante de Planck y la letra griega ν ( nu ) es la frecuencia del fotón . ^{[ 67 ]}

Los fotones obedecen las leyes de la mecánica cuántica, por lo que su comportamiento tiene aspectos tanto ondulatorios como corpusculares. Cuando un instrumento de medición detecta un fotón, este se registra como una unidad particulada individual. Sin embargo, la probabilidad de detectar un fotón se calcula mediante ecuaciones que describen ondas. Esta combinación de aspectos se conoce como dualidad onda-partícula . Por ejemplo, la distribución de probabilidad de la ubicación donde podría detectarse un fotón muestra claramente fenómenos ondulatorios como la difracción y la interferencia . Un solo fotón que pasa a través de una doble rendija recibe su energía en un punto de la pantalla con una distribución de probabilidad dada por su patrón de interferencia determinado por las ecuaciones de onda de Maxwell . ^{[ 68 ]} Sin embargo, los experimentos confirman que el fotón no es un pulso corto de radiación electromagnética; las ondas de Maxwell de un fotón se difractan, pero la energía del fotón no se dispersa a medida que se propaga, ni se divide cuando encuentra un divisor de haz . ^{[ 69 ]} Más bien, el fotón recibido actúa como una partícula puntual, ya que es absorbido o emitido en su totalidad por sistemas arbitrariamente pequeños, incluidos sistemas mucho más pequeños que su longitud de onda, como un núcleo atómico (≈10 ^{−15 m de diámetro) o incluso el} electrón puntual .

Si bien muchos textos introductorios tratan los fotones utilizando las técnicas matemáticas de la mecánica cuántica no relativista, esto es, en cierto modo, una simplificación excesiva y poco acertada, ya que los fotones son, por naturaleza, intrínsecamente relativistas. Debido a que los fotones tienen masa en reposo cero , ninguna función de onda definida para un fotón puede tener todas las propiedades familiares de las funciones de onda en la mecánica cuántica no relativista. ^{[ a ]} ​​Para evitar estas dificultades, los físicos emplean la teoría de fotones de segunda cuantización que se describe a continuación, la electrodinámica cuántica , en la que los fotones son excitaciones cuantizadas de modos electromagnéticos. ^{[ 74 ]}

Otra dificultad es encontrar el análogo adecuado para el principio de incertidumbre , una idea frecuentemente atribuida a Heisenberg, quien introdujo el concepto al analizar un experimento mental que involucraba un electrón y un fotón de alta energía . Sin embargo, Heisenberg no dio definiciones matemáticas precisas de lo que significaba la "incertidumbre" en estas mediciones. La formulación matemática precisa del principio de incertidumbre de posición-momento se debe a Kennard , Pauli y Weyl . ^{[ 75 ] [ 76 ]} El principio de incertidumbre se aplica a situaciones en las que un experimentador tiene la opción de medir una de dos cantidades "canónicamente conjugadas", como la posición y el momento de una partícula. Según el principio de incertidumbre, independientemente de cómo se prepare la partícula, no es posible hacer una predicción precisa para ambas mediciones alternativas: si el resultado de la medición de posición se vuelve más certero, el resultado de la medición de momento se vuelve menos certero, y viceversa. ^{[ 77 ]} Un estado coherente minimiza la incertidumbre general hasta donde lo permite la mecánica cuántica. ^{[ 74 ]} La óptica cuántica utiliza estados coherentes para los modos del campo electromagnético. Existe una compensación, que recuerda a la relación de incertidumbre posición-momento, entre las mediciones de la amplitud y la fase de una onda electromagnética. ^{[ 74 ]} Esto a veces se expresa informalmente en términos de la incertidumbre en el número de fotones presentes en la onda electromagnética,${\displaystyle \Delta N}$y la incertidumbre en la fase de la onda,${\displaystyle \Delta \phi }$Sin embargo, esto no puede ser una relación de incertidumbre del tipo Kennard-Pauli-Weyl, ya que, a diferencia de la posición y el momento, la fase${\displaystyle \phi }$no puede representarse mediante un operador hermitiano . ^{[ 78 ]}

En 1924, Satyendra Nath Bose derivó la ley de Planck de la radiación del cuerpo negro sin utilizar electromagnetismo, sino mediante una modificación del conteo de grano grueso del espacio de fases . ^{[ 79 ]} Einstein demostró que esta modificación es equivalente a suponer que los fotones son rigurosamente idénticos y que implicaba una "misteriosa interacción no local", ^{[ 80 ] [ 81 ]} ahora entendida como el requisito para un estado mecánico cuántico simétrico . Este trabajo condujo al concepto de estados coherentes y al desarrollo del láser. En los mismos artículos, Einstein extendió el formalismo de Bose a partículas materiales (bosones) y predijo que se condensarían en su estado cuántico más bajo a temperaturas suficientemente bajas; esta condensación de Bose-Einstein se observó experimentalmente en 1995. ^{[ 82 ]} Posteriormente , Lene Hau la utilizó para ralentizar, y luego detener por completo, la luz en 1999 ^{[ 83 ]} y 2001. ^{[ 84 ]}

La visión moderna sobre esto es que los fotones son, en virtud de su espín entero, bosones (a diferencia de los fermiones con espín semientero). Según el teorema de la estadística de espín , todos los bosones obedecen la estadística de Bose-Einstein (mientras que todos los fermiones obedecen la estadística de Fermi-Dirac ). ^{[ 85 ]}

En 1916, Albert Einstein demostró que la ley de radiación de Planck podía derivarse de un tratamiento estadístico semiclasico de fotones y átomos, lo que implica una relación entre las tasas de emisión y absorción de fotones por los átomos. Esta condición se deriva del supuesto de que las funciones de emisión y absorción de radiación por los átomos son independientes entre sí, y que el equilibrio térmico se alcanza mediante la interacción de la radiación con los átomos. Consideremos una cavidad en equilibrio térmico con todas sus partes y llena de radiación electromagnética , donde los átomos pueden emitir y absorber dicha radiación. El equilibrio térmico requiere que la densidad de energía${\displaystyle \rho (\nu )}$de fotones con frecuencia${\displaystyle \nu }$(que es proporcional a su densidad numérica ) es, en promedio, constante en el tiempo; por lo tanto, la tasa a la que se emiten fotones de una frecuencia particular debe ser igual a la tasa a la que se absorben . ^{[ 86 ]}

Einstein comenzó postulando relaciones de proporcionalidad simples para las diferentes velocidades de reacción involucradas. En su modelo, la velocidad${\displaystyle R_{ji}}$para que un sistema absorba un fotón de frecuencia${\displaystyle \nu }$y transición desde una energía más baja${\displaystyle E_{j}}$a una energía más alta${\displaystyle E_{i}}$es proporcional al número${\displaystyle N_{j}}$de átomos con energía${\displaystyle E_{j}}$y a la densidad de energía${\displaystyle \rho (\nu )}$de fotones ambientales de esa frecuencia,

${\displaystyle R_{ji}=N_{j}B_{ji}\rho (\nu )\!}$

dónde${\displaystyle B_{ji}}$es la constante de velocidad de absorción. Para el proceso inverso, existen dos posibilidades: la emisión espontánea de un fotón o la emisión de un fotón iniciada por la interacción del átomo con un fotón que pasa y el retorno del átomo al estado de menor energía. Siguiendo el enfoque de Einstein, la velocidad correspondiente${\displaystyle R_{ij}}$para la emisión de fotones de frecuencia${\displaystyle \nu }$y transición desde una energía más alta${\displaystyle E_{i}}$a una energía más baja${\displaystyle E_{j}}$es

${\displaystyle R_{ij}=N_{i}A_{ij}+N_{i}B_{ij}\rho (\nu )\!}$

dónde${\displaystyle A_{ij}}$es la constante de velocidad para la emisión espontánea de un fotón , y${\displaystyle B_{ij}}$es la constante de velocidad para las emisiones en respuesta a fotones ambientales ( emisión inducida o estimulada ). En equilibrio termodinámico, el número de átomos en estado${\displaystyle i}$y aquellos en el estado${\displaystyle j}$deben ser, en promedio, constantes; por lo tanto, las tasas${\displaystyle R_{ji}}$y${\displaystyle R_{ij}}$deben ser iguales. Además, mediante argumentos análogos a la derivación de la estadística de Boltzmann , la razón de${\displaystyle N_{i}}$y${\displaystyle N_{j}}$es${\displaystyle g_{i}/g_{j}\exp {(E_{j}-E_{i})/(kT)},}$dónde${\displaystyle g_{i}}$y${\displaystyle g_{j}}$son la degeneración del estado${\displaystyle i}$y la de${\displaystyle j}$, respectivamente,${\displaystyle E_{i}}$y${\displaystyle E_{j}}$sus energías,${\displaystyle k}$la constante de Boltzmann y${\displaystyle T}$la temperatura del sistema . De esto se deduce fácilmente que

${\displaystyle g_{i}B_{ij}=g_{j}B_{ji}}$

y

${\displaystyle A_{ij}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ij}.}$

El${\displaystyle A_{ij}}$y${\displaystyle B_{ij}}$se conocen colectivamente como los coeficientes de Einstein . ^{[ 87 ]}

Einstein no pudo justificar completamente sus ecuaciones de velocidad, pero afirmó que debería ser posible calcular los coeficientes.${\displaystyle A_{ij}}$,${\displaystyle B_{ji}}$y${\displaystyle B_{ij}}$una vez que los físicos obtuvieron "mecánica y electrodinámica modificadas para acomodar la hipótesis cuántica". ^{[ 88 ]} Poco después, en 1926, Paul Dirac derivó la${\displaystyle B_{ij}}$constantes de velocidad mediante un enfoque semiclasico, ^{[ 89 ]} y, en 1927, logró derivar todas las constantes de velocidad a partir de primeros principios dentro del marco de la teoría cuántica. ^{[ 90 ] [ 91 ]} El trabajo de Dirac fue la base de la electrodinámica cuántica, es decir, la cuantización del campo electromagnético mismo. El enfoque de Dirac también se denomina segunda cuantización o teoría cuántica de campos ; ^{[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]} los tratamientos mecánicos cuánticos anteriores solo tratan las partículas materiales como mecánicas cuánticas, no el campo electromagnético.

A Einstein le preocupaba que su teoría pareciera incompleta, ya que no determinaba la dirección de un fotón emitido espontáneamente. Newton fue el primero en considerar la naturaleza probabilística del movimiento de las partículas de luz en su tratamiento de la birrefringencia y, más generalmente, de la división de los haces de luz en las interfaces en un haz transmitido y un haz reflejado. Newton planteó la hipótesis de que variables ocultas en la partícula de luz determinaban cuál de las dos trayectorias tomaría un solo fotón. ^{[ 39 ]} De manera similar, Einstein anhelaba una teoría más completa que no dejara nada al azar, iniciando así su separación ^{[ 56 ]} de la mecánica cuántica. Irónicamente, la interpretación probabilística de la función de onda de Max Born ^{[ 95 ] [ 96 ]} se inspiró en el trabajo posterior de Einstein en busca de una teoría más completa. ^{[ 97 ]}

La luz que viaja a través de materia transparente lo hace a una velocidad menor que c , la velocidad de la luz en el vacío. El factor por el cual se reduce la velocidad se llama índice de refracción del material. En una descripción ondulatoria clásica, la ralentización se puede explicar por la polarización eléctrica que induce la luz en la materia, la nueva luz que emite la materia polarizada y la interferencia de esta con la onda original, formando una onda retardada. En una descripción corpuscular, la ralentización se puede describir como una mezcla del fotón con excitaciones cuánticas de la materia para producir cuasipartículas conocidas como polaritones . Los polaritones tienen una masa efectiva distinta de cero , lo que significa que no pueden viajar a c . La luz de diferentes frecuencias puede viajar a través de la materia a diferentes velocidades ; esto se denomina dispersión (que no debe confundirse con la dispersión de rayos X). En algunos casos, puede dar lugar a velocidades de luz extremadamente bajas en la materia. Los efectos de las interacciones de los fotones con otras cuasipartículas se pueden observar directamente en la dispersión Raman y la dispersión Brillouin . ^{[ 117 ]}

Los fotones pueden dispersarse por la materia. Por ejemplo, los fotones se dispersan tantas veces en la zona radiactiva solar después de abandonar el núcleo del Sol que la energía radiante tarda aproximadamente un millón de años en llegar a la zona de convección . ^{[ 118 ]} Sin embargo, los fotones emitidos por la fotosfera solar tardan solo 8,3 minutos en llegar a la Tierra. ^{[ 119 ]}

Los fotones también pueden ser absorbidos por núcleos, átomos o moléculas, provocando transiciones entre sus niveles de energía . Un ejemplo clásico es la transición molecular del retinal ( _{C₂₀H₂₈O} ), responsable de la visión , descubierta en 1958 por el bioquímico y premio Nobel George Wald y sus colaboradores. La absorción provoca una isomerización cis-trans _que , en combinación con otras transiciones similares, se transduce en impulsos nerviosos. La absorción de fotones incluso puede romper enlaces químicos, como en la fotodisociación del cloro ; este es el tema de la fotoquímica . ^{[ 120 ] [ 121 ]}

Los fotones tienen numerosas aplicaciones en tecnología. Estos ejemplos se han elegido para ilustrar las aplicaciones de los fotones en sí , en lugar de dispositivos ópticos generales como lentes, etc., que podrían funcionar según la teoría clásica de la luz. El láser es una aplicación importante y se analiza más arriba en el apartado de emisión estimulada .

Los fotones individuales pueden detectarse mediante diversos métodos. El tubo fotomultiplicador clásico aprovecha el efecto fotoeléctrico : un fotón con energía suficiente incide sobre una placa metálica y libera un electrón, iniciando una avalancha de electrones que se amplifica progresivamente. Los chips semiconductores de dispositivos de carga acoplada (CCD) utilizan un efecto similar: un fotón incidente genera una carga en un condensador microscópico que puede detectarse. Otros detectores, como los contadores Geiger, utilizan la capacidad de los fotones para ionizar las moléculas de gas contenidas en el dispositivo, provocando un cambio detectable en la conductividad del gas. ^{[ 122 ]}

Fórmula energética de Planck${\displaystyle E=h\nu }$Los ingenieros y químicos suelen utilizarla en el diseño, tanto para calcular el cambio de energía resultante de la absorción de un fotón como para determinar la frecuencia de la luz emitida por una determinada emisión de fotones. Por ejemplo, el espectro de emisión de una lámpara de descarga de gas puede modificarse llenándola con (mezclas de) gases con diferentes configuraciones de niveles de energía electrónica. ^{[ 123 ]}

En determinadas condiciones, una transición de energía puede ser excitada por dos fotones que, individualmente, serían insuficientes. Esto permite una microscopía de mayor resolución, ya que la muestra absorbe energía solo en el espectro donde dos haces de colores diferentes se superponen significativamente, lo que puede hacerse mucho menor que el volumen de excitación de un solo haz (véase microscopía de excitación de dos fotones ). Además, estos fotones causan menos daño a la muestra, puesto que tienen menor energía. ^{[ 124 ]}

En algunos casos, dos transiciones de energía pueden acoplarse de manera que, cuando un sistema absorbe un fotón, otro sistema cercano "roba" su energía y reemite un fotón de una frecuencia diferente. Esta es la base de la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia , una técnica que se utiliza en biología molecular para estudiar la interacción de proteínas adecuadas . ^{[ 125 ]}

Varios tipos de generadores de números aleatorios por hardware implican la detección de fotones individuales. En un ejemplo, por cada bit de la secuencia aleatoria que se va a producir, se envía un fotón a un divisor de haz . En tal situación, existen dos resultados posibles con igual probabilidad. El resultado real se utiliza para determinar si el siguiente bit de la secuencia es 0 o 1. ^{[ 126 ] [ 127 ]}

Se ha dedicado mucha investigación a las aplicaciones de los fotones en el campo de la óptica cuántica . Los fotones parecen idóneos para ser elementos de una computadora cuántica extremadamente rápida , y el entrelazamiento cuántico de fotones es un foco de investigación. Los procesos ópticos no lineales constituyen otra área de investigación activa, con temas como la absorción de dos fotones , la automodulación de fase , la inestabilidad modulacional y los osciladores paramétricos ópticos . Sin embargo, estos procesos generalmente no requieren la suposición de fotones propiamente dichos ; a menudo pueden modelarse tratando los átomos como osciladores no lineales. El proceso no lineal de conversión descendente paramétrica espontánea se utiliza frecuentemente para producir estados de un solo fotón. Finalmente, los fotones son esenciales en algunos aspectos de la comunicación óptica , especialmente para la criptografía cuántica . ^{[ 128 ]}

La física de dos fotones estudia las interacciones entre fotones, que son poco frecuentes. En 2018, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts anunciaron el descubrimiento de tripletes de fotones ligados, que podrían involucrar polaritones . ^{[ 129 ] [ 130 ]}