¿Por qué los fotones solo viajan en línea recta y no se doblan?

Es perfectamente razonable decir que los fotones en realidad no “viajan” en absoluto. En la teoría cuántica de campos, los campos existen en todo el espacio. La descripción QFT de la luz es simplemente una excitación en forma de onda de los campos eléctrico y magnético. Este comportamiento ondulado es visto trivialmente por el experimento de la hendidura y otros. Estas olas se expanden esféricamente como las olas que verías al dejar caer una piedra en un estanque. Es fácil imaginar cómo pueden atravesar y rodear objetos físicos al igual que las ondas de agua.

Sin embargo, la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico mostró que también debe existir una naturaleza de partículas en la interacción entre la luz y la materia. Las partículas se llamaron fotones. Desafortunadamente, eso condujo a la visión generalizada de la luz como pequeñas balas.

QFT resuelve esto diciendo que solo hay olas. El fotón se caracteriza por la excitación de la onda que transfiere energía / momento cuando la luz interactúa con la materia. A todos los efectos prácticos, los fotones SON ese intercambio y no tienen otra existencia.

QFT va mucho más allá de eso al asignar descripciones de campo a la materia y luego estas interacciones son interacciones “simplemente” (ja, ja) entre campos y ondas. Esto también acomoda el principio de incertidumbre. Pero esa es una discusión mucho más larga y más compleja.

Ya hay algunas buenas respuestas aquí que entran en detalles más técnicos, por lo que voy a recomendar un libro clásico y fantástico que cubre esta pregunta con gran claridad.

Eso es “QED: The Strange Theory of Light and Matter” de Richard Feynman. Este libro detalla la forma en que los fotones interactúan y se mueven, incluido un tratamiento inteligente y fascinante de ondas y números complejos que hace que el comportamiento lineal de la luz sea completamente intuitivo sin álgebra ni cálculo (al menos no en el sentido tradicional …) .

Esto puede sonar como un libro difícil que requeriría un título en física: no lo es. Le di este libro a algunos estudiantes inteligentes de secundaria y todos pudieron entenderlo completamente. Feynman es un genio en hacer que la física sea completamente comprensible e intuitiva.

Realicé un trabajo de posgrado en física, pero leer este libro se destaca como uno de los momentos más generadores de comprensión de mi relación con la física.

(Por lo que vale, la serie Feynman Lectures también es sobresaliente y cubre una gran variedad de temas, pero es más material de nivel universitario que QED).

En una forma de luz astética, la línea estelar se ve bien. Imagínese si la luz proveniente de una bombilla en un movimiento de proyectil, se vería incómoda.

Bromas aparte.

La masa en reposo del fotón es cero pero adquieren masa (cantidad insignificante casi cero) mientras están en movimiento (teoría de la relatividad). Se doblan cerca del campo de gravitación hasta cierto punto insignificante y parecen estar en línea recta. Tienes que ver desde la cantidad significativa de distancia para ver su curva debido a la gravitación. Mientras que en los agujeros negros, los fotones ni siquiera pueden recuperarse debido a su peso.

La flexión del fotón ocurre cuando encuentra materia a su alrededor. El fotón luego viaja en un camino geodésico.

La materia tiene energía. La energía dobla la tela del espacio-tiempo. Un fotón que viaja con una velocidad fija ‘c’, cuando encuentra un asunto a su alrededor, se inclina hacia él y sigue el camino geodésico.

El fotón también tiene energía. El fotón también dobla la tela del espacio-tiempo como la materia.

Por la misma razón, las partículas materiales solo viajan en líneas rectas y no se doblan (cuando no hay fuerza externa que actúe sobre ellas): la primera ley de Newton. O, si prefiere una imagen más moderna, el hecho de que en el espacio-tiempo plano (sin campos gravitacionales), las geodésicas son líneas rectas y las partículas de prueba (incluidas las partículas de prueba ultrarelativistas, que imitan los fotones) viajan en geodésicas a menos que una fuerza actúe sobre ellas.

Cuando el espacio-tiempo no es plano (gravedad), los fotones ya no viajan en línea recta. Sus trayectorias están dobladas; Esta fue la primera predicción importante de la teoría general de Einstein que fue verificada por la expedición de Eddington.

Y cuando una fuerza actúa sobre ellos, los fotones ya no viajan en línea recta tampoco. Por ejemplo, cuando un fotón entra en un medio con un índice de refracción distinto de cero, su trayectoria cambia.

En realidad, los fotones se doblan, en un medio desigual. Esto se debe a que tiene diferentes índices de refracción en diferentes lugares. Sería útil responder a su pregunta si pensara en los fotones como rayos. Campos electromagnéticos vibrantes que se cruzan en ángulo recto.

Realmente no hay líneas rectas en el sentido que quieres decir en el universo. Piensa en algo como la superficie de una esfera. No hay líneas rectas en la superficie de la esfera. Hay cosas como la geodésica que funcionan como una línea recta en la esfera. Obviamente, sin embargo, estos no son exactamente rectos. El universo es algo así. Hay caminos a través del universo que se acercan lo más posible a ser equivalentes a una línea recta, pero estos no serán muy rectos.

Entonces, los fotones no viajan en líneas rectas en su sentido, porque, básicamente, no hay líneas rectas.

¿Por qué no lo harían?

Viajan en líneas rectas a menos que se vean influenciados por la refracción, la gravedad, un espejo u otra fuerza externa.

Nada dobla una esquina a menos que sea forzado a hacerlo.