Porque un fotón no tiene una ubicación precisa, ni una dirección precisa. Literalmente no lo hace. Cuando interactúa con otra cosa, entonces podemos decir “oh, esa fue la dirección que tomó”. Pero no antes.
Un fotón es una excitación del campo electromagnético, que es una parte fundamental del espacio. Puedes pensar en un fotón como una partícula, porque tiene una cantidad particular de energía y transferirá exactamente esa cantidad de energía, ni más ni menos, a lo que termine golpeando. Pero también puedes pensar en ella como una onda, porque también es una onda en el campo electromagnético que se comporta de esa manera. Por ejemplo, dos fotones se cancelarán entre sí si las jorobas y las caídas de sus vibraciones de campo son exactamente opuestas. Si un fotón pasa una barrera con dos rendijas, tiene una probabilidad de cancelarse de esta manera. (Resulta que también tiene una probabilidad de reforzarse, por lo que, en general, la conservación de la energía aún se mantiene).
Puedes imaginar un fotón como una onda en un estanque, pero con un giro. Si arrojas una piedra a un estanque, se formarán ondas que se extenderán por todo el estanque. Lo mismo sucede cuando se genera un fotón. Pero un fotón actúa de manera muy diferente. Mientras que las ondas de agua pierden continuamente pequeñas cantidades de energía en todo con lo que interactúan hasta que finalmente desaparecen por completo, un fotón solo puede perder la cantidad exacta de energía que contiene y solo puede perderla una vez. Entonces, al azar, algo que golpea la “onda” ganará esa energía y el fotón dejará de existir. Todo lo demás que la “onda” podría haber afectado no se ve afectado por él. Esto es completamente diferente de la naturaleza de las ondas de agua, y fundamental para la naturaleza de un fotón.
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Cualquier cosa que gane esta energía podría emitir inmediatamente otro fotón, de igual energía que el primero, en cuyo caso decimos que el fotón se “dispersó” de esta cosa, sea lo que sea. Este nuevo fotón es idéntico al anterior, pero el punto de partida de su viaje ahora es la ubicación de la cosa de la que se dispersó. Por otro lado, la cosa podría retener esta energía y ser cambiada por ella de alguna manera.
Entonces, por ejemplo, los átomos en la superficie del sol constantemente emiten fotones. Una vez más, puedes pensar en ellas como ondas que se extienden en la superficie de un estanque, solo en tres dimensiones. Todo en todas las direcciones desde el sol tiene la misma probabilidad de ser golpeado por uno de estos fotones, por lo que algunos de ellos golpean la atmósfera de la tierra. Pero no tiene sentido elegir un fotón y preguntar “¿en qué dirección va?” La respuesta es “todos”. Cualquier fotón particular del sol tiene la posibilidad de golpear la tierra y la posibilidad de perderse. En épocas del año, cuando la tierra está más lejos del sol, ocupa un área angular más pequeña con respecto al sol, por lo que los fotones tienen menos posibilidades de golpearla y la tierra recibe menos luz solar. Por el contrario, cuando está más cerca del sol, ocupa un área angular más grande y, por lo tanto, los fotones tienen una mayor probabilidad de golpearlo, y la Tierra recibe más luz solar. Cualquier cosa en el lado opuesto de la tierra del sol no tiene posibilidad de ser golpeado por uno de estos fotones. Aunque cada fotón tiene una ubicación indefinida y una dirección indefinida, cualquier camino que resulte haber tomado cuando termina golpeando algo no puede doblarse alrededor de las cosas. Si hay algo en el camino que tiene esencialmente una probabilidad del 100% de absorber fotones (como un planeta grande y rocoso), entonces ningún fotón llegará al otro lado. Decimos que la región del espacio a la que los fotones del sol no pueden viajar directamente porque primero tendrían que golpear la tierra es la sombra de la tierra. Para que un fotón del sol llegue al lado oscuro de la tierra, tiene que esparcir algo más, como la luna.
En cualquier caso, los fotones que golpean la Tierra se dispersan de los átomos en la atmósfera de la Tierra, muchas veces seguidas, y eventualmente encuentran su camino hacia el suelo. Si estás en el lado de la tierra que actualmente enfrenta al sol, algunos de ellos eventualmente llegarán a tus ojos. En la mayoría de los casos, antes de que lleguen a tus ojos, se habrán dispersado por algo que tiene propiedades físicas que harán que absorba fotones de ciertas energías (cada energía fotónica diferente corresponde a un color diferente) y dejarán que se dispersen los fotones de otras energías. Entonces, si estás mirando directamente a algo, estás viendo casi por completo fotones que fueron dispersados por esa cosa, por lo que tus ojos solo recibirán fotones de los colores que no son absorbidos por él. ¡Así es como percibimos que diferentes cosas tienen diferentes colores!
Estos fotones golpean la lente de nuestro ojo, que no absorbe fotones en absoluto (al menos, no fotones cuya energía es tal que podamos verlos) pero tiene la propiedad física de dispersar la sustancia de la lente por el camino de cada fotón disperso se dobla en una cantidad particular. Esto hace que los fotones que provienen de una dirección particular (la dirección en la que miramos) se dirijan hacia la retina de nuestro ojo. Estos fotones luego golpean la retina y son absorbidos por moléculas especiales en nuestras células de barra y cono, y la energía dada por cada fotón a la molécula que golpea causa un cambio químico que eventualmente (después de una secuencia de otras reacciones químicas) conduce a un impulso nervioso que se envía desde la célula en la que está contenida esa molécula. Así es como lo vemos.
Pero para volver al punto de su pregunta, no podemos decir con certeza que un fotón particular que parte del sol golpeará un globo ocular en particular. Porque cuando se emite no va en ninguna dirección definida. Sin embargo, podemos decir que tiene una posibilidad pequeña pero definitiva de golpear su globo ocular, o cualquier otra cosa en particular. Dado que el sol está emitiendo una enorme inundación de fotones en todo momento, por casualidad, un flujo constante de ellos está golpeando nuestros ojos siempre que estemos en un lugar al que puedan viajar, ya sea directamente o dispersándose .
No puede razonar hacia adelante cuando habla de fotones, pero puede razonar hacia atrás. Si está mirando un objeto en particular, puede deducir que cualquier fotón que golpee su retina debe haberse dispersado de ese objeto, porque cualquier fotón que no lo hizo no vendría desde la dirección correcta para ser dirigido a la retina por el lente de su ojo. Cada fotón tiene una ubicación y dirección indefinidas, pero solo los fotones que, cuando llegan a los ojos, que provienen de una determinada dirección, atraviesan la lente hasta la retina.
En conclusión, la naturaleza indefinida pero definida de las ondas y las partículas de los fotones es muy difícil de visualizar (juego de palabras) pero es fundamental para la naturaleza del universo.
