¿Existe realmente el fotón o es solo un modelo? Y si lo hacen, ¿qué pasa con la luz como ondas electromagnéticas? Ambas cosas no pueden ser verdad al mismo tiempo.

En el contexto de la física moderna, no hay mucha distinción significativa entre “una entidad en un modelo exitoso” y “existe”.

Aquí hay una historia en maceta de fotones, para ayudarlo a tomar una decisión:

Newton tenía un modelo donde los “corpúsculos” de luz (básicamente fotones) existían como partículas. Esto tuvo mucho éxito pero no pudo explicar los patrones de interferencia observados por Young y otros, por lo que fue reemplazado por …

… Ondas en un campo electromagnético , un modelo que tuvo mucho éxito, y mostró cómo la luz era solo una faceta de un campo que también explicaba el electromagnetismo. Esto se debió a mucha gente, pero James Clerk Maxwell finalmente lo armó todo. Esto tuvo un gran éxito, y fue una teoría poco común que surgió a pesar de que la revolución relativista no cambió, pero no pudo explicar el efecto fotoeléctrico y la paradoja de la radiación del cuerpo negro, por lo que fue reemplazado por …

… un modelo cuántico , donde los fotones eran partículas cuánticas de masa cero, que mostraban tanto el comportamiento de las ondas como el de las partículas. Este modelo tuvo mucho éxito, pero requirió una modificación para tener en cuenta los efectos relativistas (Dirac), y al hacerlo, planteó paradojas de cálculo por encima de la teoría de perturbación de primer orden. Tampoco podía explicar la discrepancia experimental en los niveles de energía en el átomo de hidrógeno (el cambio de Lamb), por lo que fue reemplazado por …

… Electrodinámica cuántica , donde los fotones son vistos como modos de excitación en un campo electromagnético cuántico. Esto fue organizado por Schwinger, Tomonaga y Feynman.

Esta última es nuestra mejor teoría en este momento.

Notarás que todos los modelos tuvieron mucho éxito. Por su tiempo. Y luego encontramos problemas con ellos que surgieron bajo ciertas circunstancias, y se nos ocurrió un mejor modelo.

Entonces, ¿existen realmente los fotones?

La visión de que las entidades en nuestras mejores teorías físicas existen de la misma manera que las sillas y las mesas existen, se llama “realismo científico” y es la ortodoxia abrumadora en la filosofía de la ciencia.

La última encuesta de PhilPapers muestra que más del 75% de los filósofos están de acuerdo con el realismo científico (es decir, piensan que los fotones son reales). Puede que no parezca una mayoría abrumadora, pero se ve bastante bien cuando lo compara con el 81% que cree que las sillas y las mesas son reales.

Los fotones son partículas de luz, que es una onda electromagnética.

Esto parece extraño y, sin embargo, se ha verificado experimentalmente. Ves objetos cuánticos, como fotones, electrones y otros, no se comportan como tú y yo y Newton pensamos que lo hicieron.

Nuestros cerebros entienden el mundo basado en lo que vemos y experimentamos en nuestra vida cotidiana. Experimentamos cosas como bolas, que pueden estar en reposo. Bolas que se pueden mover. Las bolas que toman un cierto camino para moverse del punto A al punto B. Tienen una forma, tamaño, posición, velocidad, dirección de movimiento definidos, etc. De esta manera, tratar con la naturaleza es lo que llamamos mecánica newtoniana o física clásica. .

A principios del siglo XX descubrimos que esto no es realmente cierto. En el nivel más básico, el nivel subatómico, la naturaleza se comporta de una manera muy extraña y extraña. Formas en que nuestra intuición puede engañarnos totalmente. Es casi imposible desarrollar alguna intuición para ello. Porque no lo ‘experimentamos’ de esa manera. La forma más confiable de resolverlo es haciendo ‘experimentos controlados’ y matemática rigurosa.

Los dos anteriores muestran, en última instancia, que estos tipos se comportan de manera muy, muy extraña. No tienen una forma, ni un tamaño definidos, ni tienen una posición , velocidad o dirección definidas, ni toman un camino definido cuando se mueven de un punto a otro. La palabra movimiento en sí no tiene mucho sentido aquí.

Y una de estas rarezas cuánticas principales es que estos tipos se comportan como partículas y ondas. Entonces, la luz puede considerarse como una onda electromagnética, que se extiende en el espacio, y también como fotones, partículas que tienen momentos (que simplemente no podemos desarrollar una intuición para for)

“Ambas cosas no pueden ser verdad simultáneamente”.

Eso es hablar con sentido común. ¿Tienes idea de cómo el sentido común INCORRECTO ha resultado ser en algún contexto más sofisticado que huir de los depredadores y tirar piedras?

Todo depende de qué experimento elijas … La mecánica cuántica dice que la realidad es OBSERVADOR creada y no creada por Dios. Es decir, si pones un aparato como un detector fotoeléctrico, contarás el fotón como una partícula y si configuras un aparato YDSE , lo verás como una ola. Es difícil de creer pero es verdad. Es la intuición cuántica.
(Te sugiero que leas el libro Quantum Enigma)

Toda la ciencia son solo modelos de relativo, modela con precisión lo que vemos, pero lo que realmente está sucediendo no se puede conocer, todo lo que podemos decir es qué tan bien funciona nuestro modelo de lo que está sucediendo. De hecho, así es como percibimos el mundo, nuestro cerebro construye el modelo del mundo y qué tan real está determinado por qué tan bien funciona nuestro modelo.

Todas las propiedades de la luz pueden explicarse lógicamente solo si suponemos que la luz tiene una dualidad de partículas de onda. Sin eso, el efecto fotoeléctrico habría sido un engaño.