¿Qué imágenes detalladas del universo podríamos tomar si pudiéramos detectar cada fotón?

No estaría de acuerdo en que un fotón tiene un “tamaño” o diámetro (como se señala en una publicación a continuación). Tenga cuidado con la información incorrecta.

Nota al margen sobre la naturaleza de la luz: la luz se describe como una onda electromagnética. Una onda siempre tiene dos cantidades asociadas: una amplitud (qué tan alta o fuerte es la onda) y la longitud de onda (la longitud que viaja en el espacio antes de que se repita). No confunda la longitud de onda con su “tamaño”. La longitud de onda es una propiedad de onda y no debe usarse fuera de ese contexto. También debemos tener en cuenta que todo esto es una * descripción *. Realmente no sabemos qué es realmente la luz, aparte de que se puede describir de esta manera y esta descripción produce resultados muy precisos. En algunos casos, debemos describirlo como una onda para obtener las respuestas correctas (experimento de doble rendija); en otros casos, debemos tratarlo como una partícula para obtener la respuesta correcta (efecto fotoeléctrico). Eso no significa que sepamos qué es realmente la luz. Solo sabemos un poco de cómo se comporta en ciertas situaciones. Siempre pienso en la luz como un círculo punteado con un signo de interrogación dentro. No sé qué es realmente, pero tengo un par de descripciones útiles. Si quiere saber más, puede leer: La naturaleza de la luz: ¿Qué es un fotón? (Ciencia e ingeniería óptica): Chandra Roychoudhuri, AF Kracklauer, Kathy Creath: 9781420044249: Amazon.com: Libros

Aparte de eso, la resolución de las imágenes (la capacidad de distinguir dos puntos separados por una distancia como dos puntos separados en lugar de un punto) depende de la longitud de onda de la luz. Cuanto menor sea la longitud de onda, mayor será la resolución (la distancia entre los dos puntos puede ser menor). En mi laboratorio, no usamos luz, sino electrones para ver imágenes más detalladas. Esto se debe a que los electrones tienen una longitud de onda mucho más pequeña que la luz de frecuencia más alta (longitud de onda más pequeña) que podemos captar, los rayos X hasta los rayos gamma. Este límite de resolución de la luz se llama Límite de difracción.

Por lo tanto, no importa si podemos rastrear cada fotón, es la longitud de onda de la partícula cuántica lo que limitará cuán detallada es la imagen.

Todo esto está en el rango Far-Field (plano de imagen lejos de los elementos ópticos) de la óptica. Hay un rango de campo cercano que se está investigando muy activamente en este momento, donde se están descubriendo nuevos fenómenos, y puede existir la posibilidad de evitar los límites de difracción y lograr una imagen de mayor resolución. Esto está fuera del alcance de mi investigación, por lo que sería mejor buscar imágenes de SuperResolution por su cuenta, donde actualmente están inventando técnicas para obtener resoluciones mejores que las producidas por sistemas limitados difractados que usan luz.

Nuestros mejores instrumentos ya son capaces de detectar un porcentaje significativo (> 50%) de los fotones que los golpean. Por lo tanto, las imágenes no serían mucho más detalladas incluso con una eficiencia del 100%.

El problema no es la eficiencia de la detección, sino el hecho de que los objetos distantes y débiles envían muy pocos fotones en nuestra dirección.

Tome una estrella tan brillante como nuestro sol, emitiendo aproximadamente [matemáticas] 3.8 \ veces 10 ^ {26} ~ {\ rm W} [/ matemáticas] de energía, principalmente en forma de luz visible. La energía de un fotón típico de luz visible es aproximadamente [matemática] 2.5 ~ {\ rm eV} [/ matemática] o aproximadamente [matemática] 4 \ veces 10 ^ {- 19} ~ {\ rm J} [/ matemática]. Al dividir uno con el otro, obtenemos aproximadamente [matemáticas] 10 ^ {45} [/ matemáticas] fotones por segundo.

Eso es mucho … ¿verdad? O tal vez no. Digamos que alguien está mirando nuestro Sol desde un punto a medio camino entre la Vía Láctea y Andrómeda, o aproximadamente a un millón de años luz de aquí. Con un telescopio como el telescopio Hubble, con un espejo de 2,4 metros.

Ese telescopio recibiría un total de 14 fotones por segundo de nuestro Sol. Eso es todo. 14 fotones.

Incluso si recolectas fotones de nuestro Sol durante horas, no sería suficiente para formar una imagen detallada. En el mejor de los casos, verá una pequeña mancha débil … eso es todo.

La única forma de obtener una imagen más detallada es aumentando drásticamente la cantidad de fotones que interceptan el telescopio … y la única forma de hacerlo es haciendo que el telescopio sea mucho, mucho más grande.

Y ese es el secreto para obtener una imagen más detallada del universo. Claro, es bueno tener detectores eficientes, pero eso no funcionará. Se trata del área de recolección de luz.

Un fotón tiene un ” diámetro ” de aproximadamente [matemática] 5 \ veces 10 ^ {- 16} [/ matemática] metros. De hecho, no tiene realmente ningún tamaño , pero admitiremos que tiene uno ( se explica mucho mejor allí: ¿Cuál es el tamaño de un fotón? )

Entonces, si tenemos un sensor de imagen de 1 metro cuadrado , en teoría podríamos detectar 4 [matemáticas] \ por 10 ^ {30} [/ matemáticas] fotones. Cada fotón podría convertirse en un píxel . Entonces, podríamos tener una imagen de [matemática] 4 [/ matemática] [matemática] \ veces 10 ^ {30} [/ matemática] píxeles por metro cuadrado de sensor.

No es la eficiencia lo que importa, sino el telescopio.

No soy un científico, sino un estudiante de la escuela de la clase 12. Por lo común … podemos entender eso:

  1. Las estrellas envían solo unos pocos fotones, aunque están en 10 a la potencia 50, es decir, 100000000000000000000000000000000000000000000000000 fotones. Entonces la intensidad es muy alta.
  2. Pero como también están muy lejos, tienen un ángulo muy pequeño. Si la estrella está a 10 LY de distancia, y el telescopio está a 1 metro cuadrado, entonces tendrá un ángulo de uuhh … muy muy muy muy muy pequeño ángulo.
  3. Entonces, un número muy grande de fotones x muy muy muy muy pequeño ángulo = pequeño número de fotones.

Es por eso que es difícil producir imágenes muy detalladas de estrellas, ya que la cantidad de fotones que nos llegan es muy pequeña. Así que no podemos hacer nada al respecto, ya que es culpa de la estrella.

Si pudiéramos detectar cada fotón en el universo, la imagen sería de color blanco puro sin ningún detalle. Los astrónomos en el siglo XIX teorizaron esto al afirmar que si pudiéramos inventar un telescopio para ver cada estrella del universo que en ese momento se pensaba que era nuestra galaxia, la Vía Láctea, cada estrella se superpondría su punto de luz sobre otras estrellas independientemente de su distancia real de nosotros y la imagen en el telescopio sería blanca. El esfuerzo ahora para los científicos planetarios es bloquear los fotones que provienen de una estrella para que puedan verse los fotones que provienen de los planetas en órbita.