Luz visible: ¿Qué representa la onda sinusoidal para un fotón y por qué es una onda sinusoidal?

Voy a dar una respuesta impopular, ya que todos “saben” que la onda de luz está compuesta de fotones que tienen una frecuencia proporcional a su energía. Solo pregúntale a Einstein.

En realidad, la oscilación de la onda de luz se debe a oscilaciones en la fuente de la luz. La oscilación puede considerarse como una intensidad de campo eléctrico oscilante.

Para ondas de radio. que son como la luz, excepto a una frecuencia más baja, las oscilaciones son producidas por un circuito oscilador en el transmisor y se envían a la antena donde la señal de alta potencia obliga a los electrones a moverse hacia adelante y hacia atrás, produciendo así una onda electromagnética del mismo frecuencia.

En este caso, se usan ondas sinusoidales porque son fáciles de producir en el circuito oscilador y también fáciles de filtrar en el extremo receptor para separar las diferentes estaciones entre sí.

Tenga en cuenta que se puede usar cualquier forma de onda, y esa forma de onda se transmite fielmente al receptor.

Con la luz también, la frecuencia y la forma de onda están determinadas por la fuente. Un ejemplo común es un átomo en un estado excitado que emite luz y cae a un estado menos energético. Hay una frecuencia asociada con la diferencia de energía entre los niveles de electrones, y la luz emitida es de esa frecuencia. El átomo simplemente actúa como una antena y transmite su propia señal interna.

Editar: si desea saber por qué las ondas electromagnéticas emitidas por los átomos excitados se ven como una onda sinusoidal, esto se debe a que la onda emitida se genera por la diferencia entre las funciones de onda de los electrones en dos niveles de energía adyacentes del átomo. Las funciones de onda parecen ondas sinusoidales en sí mismas. Según el modelo estándar, la función de onda de electrones es en realidad la suma de dos funciones que podemos llamar “electrón a la izquierda” y “electrón a la derecha”. El campo de Higgs convierte cada uno de estos en el otro a una velocidad particular, generando masa de electrones y creando la forma sinusoidal de la función de onda de electrones. Esta forma luego termina en la onda electromagnética emitida.

Hay dos formas de ver el significado de la ola. En primer lugar, puede usar un medidor de intensidad de campo para medir el campo eléctrico generado por la onda. Por lo tanto, es solo un número con unidades de voltios / cm. Alternativamente, puede tomar el cuadrado de la intensidad de campo en un punto y eso proporciona la probabilidad de absorción en un detector colocado en ese punto.

Ahora, alguien va a decir que las ecuaciones de Maxwell “prueban” que la luz es una onda. Antes de decir eso, por favor, eche otro vistazo. Las ecuaciones solo propagan los campos eléctricos y magnéticos, sin cambios. Si no coloca una ola, no obtendrá una.

La onda sinusoidal representa una oscilación transversal de energía. Es un proceso sin pérdidas, por lo que puede oscilar indefinidamente. Y como cualquier onda, toma su forma del intercambio continuo de energía en forma de movimiento (energía cinética) y energía en forma de tensión (energía potencial) en el campo eléctrico.

El campo siempre quiere alcanzar un estado fundamental de tensión / energía cero. Pero una vez que existe, la energía no desaparecerá, por lo que el campo la combate continuamente, tratando de restablecerse a cero, y al hacerlo, supera la marca. Ahora retrocede en la dirección opuesta. Esto se repite para siempre, y sucede que la forma más simple de describir esto matemáticamente es como una onda sinusoidal. (Es posible que desee buscar “Osciladores armónicos simples” para ver un ejemplo de las matemáticas involucradas aquí; todo se explica en la mecánica clásica).

¿Por qué una onda sinusoidal y no otra cosa? Esto se debe a que la reacción del campo a la energía es lineal (es directamente proporcional a la energía, de vuelta hacia cero), la energía no se disipa en ningún punto (no hay pérdidas), el campo no puede saltar arbitrariamente entre valores de momento a momento (la transferencia de energía de cualquier punto en el campo que transporta la onda se comporta de manera suave y continua en cada punto del tiempo), y tampoco puede saltar arbitrariamente a medida que avanza a lo largo de la onda (es suave y continua en la dirección transversal de movimiento).

(Sí, estoy siendo un poco vago deliberadamente al llamarlo “energía”).

La razón es porque una forma de onda sinusoidal es exactamente igual a un movimiento circular. Si configura el alcance en modo X / Y, verá un círculo. Al escanear de izquierda a derecha, la forma del círculo se muestra como una forma sinusoidal.

Hay dos formas de producir una onda sinusoidal.

1 movimiento circular como el planeta alrededor del sol

Oscilador de 2 armónicos: cuando se absorbe energía (tensión elástica) y luego se libera periódicamente.

En un circuito electrónico, el uso de un condensador en paralelo con una inductancia produce una onda sinusoidal. Con sistemas mecánicos, un par resorte / masa produce una onda sinusoidal (en el plano horizontal).

En el nivel cuántico, todo está compuesto por osciladores armónicos. El electrón no gira alrededor del protón, sino que oscila de un lado a otro, como una cuerda, unida desde un nivel orbital, cruzando a través del átomo, atada al otro lado en el mismo nivel orbital.

A diferencia de la cuerda en una guitarra que produce una frecuencia más baja a medida que la cuerda se alarga, la frecuencia de aumento de electrones aumenta bruscamente a medida que se agrega más energía.

Estoy tentado a traer el ejemplo del líquido no newtoniano. Podemos encontrar en Youtube muchos ejemplos de piscinas poco profundas llenas de almidón de maíz. Cuando las personas caminan lentamente, luego se hunden. Cuando corren, cruzan fácilmente la piscina, lo que da una textura más rígida.

De alguna manera, cuando un electrón eleva el orbital, debe verse como vibrando en un líquido no newtoniano. Cuanta más energía obtiene, más rápido intenta vibrar, más firme es la sustancia en la que puede evolucionar. Otra vista sería como una guitarra en la que las cuerdas se contraerían y vibrarían más rápido cuando se puntearan más fuerte.

Una onda sinusoidal es una señal que varía en el tiempo en una sola frecuencia. Si no fuera una onda sinusoidal, por ejemplo, una onda cuadrada, un triángulo o alguna forma de onda arbitraria, debe consistir en más de una frecuencia.

Un fotón tiene un campo eléctrico y magnético oscilante en ángulo recto. Ambas son ondas sinusoidales. Si el campo oscilante eléctrico es vertical, el campo oscilante magnético es horizontal. La polarización de un fotón se basa en el campo E (eléctrico) y, para simplificar el dibujo, un fotón solo tiene dibujada la onda sinusoidal del campo E.

Todas las señales se pueden representar como la suma de muchas ondas sinusoidales de diferente frecuencia, la operación matemática para hacer esto se llama transformación de Fourier, resulta que esto no es solo un truco matemático sino que representa la forma en que funciona el universo, diferente frecuencia (frecuencias de onda sinusoidal) representan diferentes cantidades de energía, cualquier señal que no sea una onda sinusoidal es la suma de múltiples frecuencias de onda sinusoidal, una onda sinusoidal para un fotón representa una sola frecuencia de luz. Es posible que desee argumentar que la forma en que se crea una señal determina si realmente es la suma de ondas sinusoidales o una onda complicada, pero eso es irrelevante una vez que tiene una señal, cualquier señal que se pueda crear de una manera se puede crear de la otra. no hay forma de distinguirlos, son solo diferentes formas de representar lo mismo. De hecho, la información del tiempo y la información de frecuencia son exactamente la misma información representada de diferentes maneras, con respecto al sonido, nuestros oídos (o cerebros) dibujan arbitrariamente una línea en la arena y dicen que el cambio que ocurre rápido que esta línea es información de frecuencia y cambio más lento que esto es información de tiempo, pero esa línea se puede hacer en cualquier lugar.