¿Cómo interactúa exactamente un fotón con un objeto que nos hace ver que tiene un color?

¿Cómo interactúa exactamente un fotón con un objeto que nos hace ver que tiene un color?
El hecho de que vemos que un objeto tiene color no depende de la forma en que un fotón interactúa con un objeto, sino de la fisiología del ojo humano.

El fotón es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, tiene una masa invariante cero y viaja en el vacío con una velocidad constante C.

Para responder a la pregunta, primero tendré que definir el espectro electromagnético. El espectro electromagnético es el rango de todas las frecuencias posibles de radiación electromagnética. El “espectro electromagnético” de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética emitida o absorbida por ese objeto en particular.

El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias utilizadas para la comunicación por radio moderna hasta la radiación gamma en el extremo de longitud de onda corta (alta frecuencia), cubriendo así las longitudes de onda desde miles de kilómetros hasta una fracción del tamaño de un átomo. Es por esta razón que el espectro electromagnético está altamente estudiado con fines espectroscópicos para caracterizar la materia. El límite para la longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, mientras que se cree que el límite de longitud de onda corta está cerca de la longitud de Planck, aunque en principio el espectro es infinito y continuo.

Sin embargo, ninguno de estos conceptos teóricos explica por qué vemos que los objetos tienen colores diferentes. Interpreté que la consulta principal involucrada en la pregunta del título es “por qué vemos un objeto como coloreado” . Así que intentaré responder eso.

Hay una pequeña parte del espectro electromagnético que puede excitar los conos y bastones (dos tipos de células que pueblan la retina del ojo humano) y esa pequeña parte se llama espectro visible . Una radiación electromagnética en este rango de longitud de onda se llama simplemente luz o luz visible. No hay límites exactos en el espectro visible, un ojo humano típico responderá a longitudes de onda de 400 a 700 nm, aunque algunas personas pueden percibir longitudes de onda de 380 a 780 nm.

El ojo humano percibirá que la luz (radiación electromagnética dentro de estos límites de 380 a 780 nm) tiene un color diferente dependiendo del rango de longitud de onda que recorre la luz.
Violeta 380–450 nm Azul 450–495 nm Verde 495–570 nm
Amarillo 570–590 nm Naranja 590–620 nm Rojo 620–750 nm

La radiación electromagnética por debajo de 380 nm se llama ultravioleta y la que está por encima de 780 nm se llama infrarroja y no se puede ver a simple vista.

Un último concepto que me gustaría agregar. El color no existe . Simplemente es la forma en que los humanos perciben diferentes tipos de radiación electromagnética dentro del espectro visible.

Una pregunta simple merece una respuesta razonablemente simple. La “luz blanca” es una mezcla uniforme con respecto a la energía de los fotones: la misma potencia óptica está presente en cada intervalo de energía independientemente de dónde esté ese intervalo en el rango de energía (espectro). Cualquier material en particular absorbe principalmente fotones de algunas energías, en su mayoría refleja fotones de otras energías, y algunas veces absorbe algunos fotones de una energía y luego vuelve a emitir algunos de ellos a otra energía, o puede emitir fotones “nuevos” a otra energía. Cualesquiera que sean los detalles de esta interacción, hay demasiadas posibilidades para enumerar aquí, y hay demasiados argumentos filosóficos sobre exactamente cómo explicar mejor por qué su matemática a menudo contraintuitiva (mecánica cuántica) funciona de la manera que lo hace, después de la interacción. La luz ya no es una mezcla uniforme. El “color” es la forma en que el ojo informa a nuestros cerebros su sensibilidad a esta falta de uniformidad. A veces es conveniente hablar de estas cosas en términos de “longitud de onda” o “frecuencia” en lugar de energía, pero las tres palabras son equivalentes, excepto por sus unidades de medida: la frecuencia es proporcional a la energía por fotón y la longitud de onda es inversamente proporcional a energía por fotón. La constante de proporcionalidad entre las unidades de energía y frecuencia es la constante de Planck (h), y la constante de proporcionalidad entre las unidades de frecuencia y longitud de onda inversa es la velocidad de la luz (c).

Contrariamente a las creencias populares, el fotón no es una partícula en el sentido de la materia. Entonces no puedo tener color por ningún significado. Definamos de qué color es. El color es una percepción visual en el cerebro humano de la luz a diferentes longitudes de onda.
Debido a que el fotón es un cuanto de energía a frecuencia en algún lugar del espectro de luz, el cerebro humano puede asignar esa frecuencia a algo que llamamos color. Es una propiedad que se distingue de esta manera particular solo para humanos y más aún para otros mamíferos, pero la ciencia ya sabe que la percepción de la luz en los cerebros de otras especies es muy diferente al procesamiento en el cerebro humano.
Un buen ejemplo son los ojos de gato y su percepción. Los gatos ven algo más parecido a una escala de grises muy amplia (si quisiéramos entender en criterios humanos) con la capacidad de distinguir claramente los objetos del fondo que para el ojo humano pasarían desapercibidos. Es por eso que detectan tan fácilmente los insectos que vuelan en la habitación, para ellos es como un punto rojo para nosotros.
El ojo humano es sensible a tres colores principales, ya que contiene tres tipos de células sensibles a la luz (y no se distribuyen uniformemente; en detalle, hay más tipos, pero para el ojo humano hay tres rangos de sensibilidad de longitud de onda importantes). El tipo particular de estas células detecta solo una banda limitada de longitudes de onda. La suma de la información de estos nos da un reconocimiento de color mucho más amplio. Esa capacidad difiere de un ser humano a otro y puede verse afectada por una gran ira de diferentes deficiencias.

El color de la luz depende de la frecuencia de la onda electromagnética que se observa. Una forma en que la frecuencia de la luz puede cambiar es si un objeto absorbe la luz entrante y luego emite luz de una frecuencia diferente. Otra forma es si la luz entrante está compuesta de ondas de diferentes frecuencias (por ejemplo, luz blanca) que luego se pueden separar, por ejemplo, por refracción a través de un prisma que refracta diferentes frecuencias de luz en diferentes ángulos.

Ver también la respuesta de Drew Henry a Si todos los objetos y cuerpos son 99.999% sin importar, ¿por qué vemos algo?

Los fotones de todas las longitudes de onda golpean una superficie como luz blanca. Dependiendo del material, algunas longitudes de onda (colores) se absorben y otras se reflejan. Entonces, la luz blanca de muchas longitudes de onda se convierte en luz de color con solo unas pocas.

Los colores son creaciones de tu mente, y la frecuencia de los fotones lo determina.