La interacción luz y materia. Electrodinámica Cuántica (QED). Los fotones

Los físicos y los científicos en general, saben que no importa cuanto pueda gustar o no gustar una teoría, sino que lo que distingue a una buena teoría de una mala , es si puede predecir con cierta exactitud los resultados experimentales. Pues bien , la teoría de la electrodinámica cuántica (QED), describe a la naturaleza como absurda desde el punto de vista del sentido común, y sin embargo, predice con una exactitud asombrosa todos los experimentos para los cuales fue utilizada. Por eso y en palabras de Richard Feynman, debemos aceptar a la naturaleza tal como es: absurda. 

Comenzando por la luz, Newton descubrió que la luz blanca es una mezcla de luces de diferentes colores puros, en el sentido de que los mismos no pueden descomponerse en otros. Cuando en esta teoría decimos luz, nos referimos a todo tipo de ondas electromagnéticas, de las cuales la luz visible es una porción dentro de un rango determinado de frecuencias. Newton también dijo que la luz estaba compuesta por partículas, a pesar de que el razonamiento que uso para deducir esto era equivocado. Actualmente sabemos que la luz esta compuesta por partículas, porque podemos utilizar un instrumento muy sensible que hace click cada vez que la luz le llega; cuando se reduce a un mínimo la intensidad de la luz que irradiamos sobre este instrumento, escuchamos el click con la misma intensidad aunque ahora mucho mas espaciados en el tiempo porque son menos las partículas que están llegando al mismo. La luz es como gotas de lluvia y a cada una de estas gotas de luz se la denomina fotón. Cuando la luz es del mismo color (misma frecuencia) es como si las gotas fueran todas del mismo tamaño. 

El ojo humano es un instrumento muy bueno solo necesita cinco o seis fotones para activar una célula nerviosa y enviar un mensaje al cerebro. Si hubiéramos evolucionado algo mas y tener una visión diez veces mas sensitiva, no seria necesario explicar todo esto dado que lo veríamos con nuestros propios ojos. El instrumento utilizado para detectar un solo fotón se denomina foto multiplicador. Valga toda esta explicación para reafirmar nuevamente que la luz esta hecha, se comporta, como un haz de partículas. 

Existen una serie de fenómenos que muestran las propiedades de la luz, que son conocidos por todos, tales como que la luz se mueve en línea recta, que cuando entra en el agua se dobla, que se refleja en ciertas superficies como el espejo, que en el caso de la luz blanca se puede descomponer en diferentes colores (arco iris), que al pasar a través de un lente se puede focalizar en un punto. Conociendo estos fenómenos veremos el comportamiento verdaderamente extraño de la luz. 

Reflexión parcial: Cuando la luz se refleja en un bloque de vidrio, vemos como una parte atraviesa el vidrio y otra se refleja como si fuera un espejo. Cuando los fotones chocan contra el vidrio, interactúan con los electrones del vidrio, no solo de la superficie sino también del interior, aunque el resultado neto es como sí solo interactuaran en la superficie. Si hacemos un experimento poniendo foto multiplicadores para detectar los fotones que se reflejan y los que traspasan el vidrio, comprobaremos que por cada 100 fotones que lanzamos contra el vidrio, 96 pasan y 4 se reflejan (rebotan). Aquí viene la primera duda, si todos los fotones son iguales, y todos fueron lanzados desde el mismo lugar y en la misma forma, como sabe un fotón que tiene que pasar o rebotar. Esto fue un gran misterio para Newton. Cuando el experimento se realiza con laminas de vidrio de diferentes espesores, la primera idea o hipótesis seria que un 8 % de los fotones se deberían reflejar, 4 % en la primera superficie, y 4 % en la segunda. Lo que comprobamos es que según sea el espesor de la lamina de vidrio, la cantidad de fotones que se reflejan, es decir rebotan fluctúa entre un mínimo de cero y un máximo de 16, y que si seguimos aumentando los espesores lo que ocurre es que los fotones reflejados siguen un ciclo, a medida que sigo aumentando el espesor. Ese ciclo esta entre 0 y 16 % de los fotones lanzados se reflejan. Así, el promedio de fotones reflejados es de un 8 %. La situación hoy en día es que no tenemos un buen modelo para explicar la reflexión parcial en laminas de dos superficies, simplemente podemos calcular la probabilidad de que un fotón pase o se refleje. Podemos explicar como hacer para calcular estas probabilidades, lo que no podemos hacer es deducir como los fotones “deciden” si pasar o rebotar. Esta forma de calcular en forma exacta los resultados es lo que permite la teoría de electrodinámica quántica (QED), pero no esperemos que la misma nos explique porque esto ocurre. 

Reflexión total: En este caso sabemos que la luz se refleja en un espejo en su punto medio y que el ángulo de incidencia es igual al de salida. La QED nos permite hacer el mismo tipo de cálculos que en el caso anterior, estableciendo como premisa, que en realidad los fotones pueden seguir cualquier camino hacia el espejo y desde allí reflejarse hacia un mecanismo detector también por cualquier camino, las probabilidades de que cada fotón siga un camino definido son todas iguales, aunque aquellos caminos que, con igual probabilidad de ocurrencia, se refuerzan entre si (se suman las probabilidades de ocurrencia) son los de recorrido mas corto. Estos están situados en la región central del espejo, de allí que la realidad de la reflexión total esta dada porque los fotones , si bien pueden recorrer el camino que les plazca con igual probabilidad, el resultado final será que para el conjunto de todos los fotones que componen el haz de luz, el camino más probable será aquel que impacta y refleja con el mismo ángulo sobre el espejo. 

Otros fenómenos luminosos: Tales como la refracción, la difracción, la interferencia, también fueron explicados por Feynman de la misma manera, es decir teniendo en cuenta que podemos conocer lo que hará un numero grande de fotones (entidades quánticas) probabilisticamente, pero que es un misterio cual es el comportamiento individual de cada uno de ellos.