que es la luz
Pregunta capciosa. ¿Qué es el espacio? ¿Que es el tiempo? ¿Qué es el universo? ¿Qué es algo realmente?
Pero los detalles de su pregunta sugieren que si viviéramos en un mundo clásico, estaría satisfecho con una respuesta como “la luz es una onda que se propaga de campos eléctricos y magnéticos que se refuerzan mutuamente”.
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Ante esto, lo primero que tengo que decir es que la idea de que los campos eléctrico y magnético “se refuerzan” entre sí no es realmente tan útil. El hecho es que los campos eléctricos cambiantes siempre ocurren junto con los campos magnéticos, y viceversa , y esto es una propiedad del electromagnetismo. Pero, ya sabes, la teoría de campo clásica también se puede usar para describir una onda que se propaga por una cuerda mientras sacudes uno de sus extremos. En este caso, solo hay un campo: el desplazamiento de la cadena. Y, aparentemente, tiene la capacidad de propagarse por sí mismo, ¡no necesita un segundo campo para “reforzarlo”! Entonces, no debes imaginar que la luz solo puede existir porque hay dos campos en lugar de uno.
Entonces, en realidad, la respuesta clásica es: “la luz es una perturbación en forma de onda que se propaga en los campos eléctricos y magnéticos”.
¿Ahora qué cambia en QED? Bueno, la descripción clásica no se vuelve inválida. Ya sabes, cuando la luz pasa a través de una antena, el campo eléctrico hace que los electrones se muevan hacia adelante y hacia atrás. Eso no cambió de repente solo porque algunos físicos en el siglo XX descubrieron QED. La electrodinámica clásica es una excelente aproximación a la QED en una amplia gama de circunstancias.
Pero aunque la electrodinámica clásica sigue siendo una buena aproximación, los campos E y B ya no son la descripción fundamental del campo electromagnético. En QED, hay un campo cuántico de vector sin masa, denominado A , y en cierto sentido análogo al clásico cuatro potencial electromagnético. Los fotones son excitaciones cuantificadas del campo. Los campos E y B se promueven a operadores con valores vectoriales, por lo que en general no tienen valores definidos, aunque esto se vuelve insignificante para grandes cantidades de fotones [1].
En el espacio libre, el campo A, con la elección adecuada del indicador, satisface una forma covariante de lo que parece la ecuación de onda electromagnética clásica, [matemática] \ Cuadro A ^ \ mu = 0 [/ matemática], pero tenga en cuenta que desde [matemática] A ^ \ mu [/ math] es un campo cuántico, (como E y B) está valorado por el operador en cada punto en el espacio-tiempo. Por lo tanto, se propaga, en el sentido de que una perturbación en un punto en el espacio-tiempo da como resultado una perturbación en algún punto lejano en un momento posterior. Eso es la radiación electromagnética.
Entonces, en la imagen cuántica, la luz sigue siendo una perturbación que se propaga en el campo electromagnético, pero la descripción del campo electromagnético en sí cambia.
[1] Para números de fotones grandes, tenga en cuenta que el efecto de la cuantización de la energía, [matemáticas] E = n \ hbar \ omega [/ matemáticas], también se vuelve insignificante. Se recupera el límite clásico.
El Dr. Neil deGrasse Tyson explica cómo los genios complementarios del experimentalista Michael Faraday y el teórico James Clerk Maxwell unieron el magnetismo y la electricidad en una teoría de campo unificado del electromagnetismo clásico, en ‘ The Electric Boy ‘, temporada 01, episodio 10, de ‘ Cosmos: A Spacetime Odyssey ‘(2014) 