¿Cuál es el significado físico de una onda de luz para un solo fotón?

Un fotón viaja en una cierta dirección (tiene impulso) pero su función de onda se extiende proporcionando cierta incertidumbre sobre dónde se encontrará exactamente el fotón si intentamos observarlo (o si va a interactuar con alguna otra partícula).

Lo más probable es que lo encontremos exactamente en el camino recto que seguía, pero existe la posibilidad de que lo encontremos en ubicaciones ligeramente diferentes, y muy remotamente existe la posibilidad de que podamos encontrarlo en otro lugar por completo.

En cuanto a la segunda pregunta, una corriente de fotones disparados hacia un detector en una ruta recta sin ranuras u otros dispositivos intermedios, simplemente dará como resultado una detección concentrada en la pantalla, sin un patrón discernible, seguramente no todos los puntos serán exactamente en el mismo punto debido a la incertidumbre intrínseca, pero estarán muy concentrados en un solo punto sin ningún patrón discernible.

Como señalan Gerard y David, hay una manera de definir una función de onda de fotones. Sin embargo, se necesita un poco de esfuerzo para hacerlo relativista: en lugar de una función de onda escalar, necesita un spinor de seis componentes. La ecuación de Schrodinger para el fotón es esencialmente las ecuaciones de Maxwell combinadas en una sola ecuación. Entonces, en ese sentido, la función de onda de un solo fotón se propaga de la misma manera que se propaga una onda de luz clásica.

Otra forma, que se prefiere entre la mayoría de los físicos, es tratar el campo electromagnético como un campo cuantificado, siendo el fotón el cuántico de excitación. Esto se llama segunda cuantización. En esta descripción, un fotón no tiene una función de onda porque a) los fotones son partículas idénticas yb) el número de fotones es variable.

En la segunda cuantización, un sistema dado tiene un conjunto de estados de fotones, cada uno con un cierto número de ocupación, que es solo el número de fotones en ese estado. Por ejemplo, puede especificar los estados de fotones como el conjunto de todas las ondas planas,

[math] \ phi (\ mathbf {r}, t, \ mathbf {k}, \ omega) \ sim e ^ {i \ mathbf {k \ cdot r} – \ omega t} [/ math]

para todas las combinaciones reales posibles de [math] (\ mathbf {k}, \ omega) [/ math]. Si tiene varios fotones, entonces ocupan cualquier combinación de estos estados de onda plana. Sin embargo, debido a que son partículas idénticas, no se puede decir qué fotón se encuentra en qué estado. El estado de todo el sistema solo está determinado por cuántos fotones hay en cada estado. En este sentido, incluso para un sistema con un solo fotón, la onda de luz no corresponde a un fotón particular. Un fotón particular puede desaparecer y reaparecer espontáneamente, y en su ausencia puede estar presente otro fotón; este sería un sistema con un total de un fotón. La onda de luz que observamos es una característica de todo el conjunto de fotones y los estados en los que se encuentran.

No agregaré mucho a la respuesta de Gerard Bassols. Hay una excelente explicación para su pregunta en las famosas conferencias de Richard Feynman sobre física (parte III, primer capítulo). Realmente le recomendaría que lo lea.

MC Physics no está de acuerdo con las respuestas de onda única. La diferencia en las teorías parece ser la confusión sobre causa y efecto. Las teorías de ondas modelan matemáticamente el efecto EMF. La teoría de física de MC dice que la causa es un fotón real y físico que luego propaga EMF (efecto visto como una onda) a medida que viaja. Esa teoría se discute en:

Artículo de viXra titulado “Física MC: modelo de un fotón real con estructura y masa”

Hay un video de YouTube (producción muy pobre) al que se hace referencia en MC Physics Home.