Quién propuso la teoría de los fotones
El marco para formular las leyes físicas que rigen el mundo a escalas de longitud microscópicas: la física del micromundo, por ejemplo de los átomos, los núcleos atómicos o las partículas elementales, pero también la física de las mediciones ultraprecisas, como las que realizan los detectores de ondas gravitacionales.
La primera característica inusual es que, en muchos casos, la teoría cuántica sólo permite hacer afirmaciones sobre probabilidades. Por ejemplo, en la física clásica se puede asignar a cada partícula, en cada momento, una posición y una velocidad. Quien pueda medir esas cantidades con precisión puede, en principio, predecir dónde se encontrará la partícula en cuestión en cada momento futuro. En la teoría cuántica, lo único que se puede asignar a un sistema de partículas es un estado cuántico abstracto del que no se pueden derivar predicciones precisas, sino simplemente las probabilidades de detectar una partícula concreta en un momento dado y en un lugar determinado. Que realmente se encuentre o no la partícula en ese lugar se rige por el azar.
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Hacia 1700, Newton llegó a la conclusión de que la luz era un conjunto de partículas (teoría corpuscular). Por la misma época, otros estudiosos pensaron que la luz podía ser una onda (teoría ondulatoria). La luz viaja en línea recta, por lo que para Newton era natural pensar en ella como partículas extremadamente pequeñas que son emitidas por una fuente luminosa y reflejadas por los objetos. Sin embargo, la teoría corpuscular no puede explicar fenómenos luminosos ondulatorios como la difracción y la interferencia. Por otra parte, la teoría ondulatoria no puede aclarar por qué los fotones salen volando del metal expuesto a la luz (el fenómeno se denomina efecto fotoeléctrico, descubierto a finales del siglo XIX). De este modo, los grandes físicos han seguido debatiendo y demostrando la verdadera naturaleza de la luz a lo largo de los siglos.
Conocido por su Ley de la Gravitación Universal, el físico inglés Sir Isaac Newton (1643-1727) se dio cuenta de que la luz tenía propiedades similares a la frecuencia cuando utilizó un prisma para dividir la luz solar en los colores que la componen. Sin embargo, pensó que la luz era una partícula porque la periferia de las sombras que creaba era extremadamente nítida y clara.
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Primeras observaciones del efecto fotoeléctricoLa teoría de Maxwell predecía la existencia de ondas electromagnéticas y afirmaba que la propia luz era una de ellas. Esto entusiasmó a sus colegas científicos, que trataron de demostrar experimentalmente sus afirmaciones. En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz estaba jugando con un “chispero” cuando se dio cuenta de algo peculiar… El aparato de Hertz consistía en un par de electrodos conductores separados por un pequeño espacio a través del cual se generaba una chispa al detectar ondas electromagnéticas. Después de cubrir su aparato con una caja oscura para ver mejor las chispas, observó que una caja de cristal reducía la longitud de la chispa, mientras que una caja de cuarzo no tenía ningún efecto. No sabía que era la radiación ultravioleta la que interactuaba con los electrones de la corriente y les suministraba energía para saltar a través del hueco. Hertz no podía explicar sus hallazgos, pero pronto quedó claro que el fenómeno se producía porque el vidrio absorbía la radiación ultravioleta y el cuarzo no. Había presenciado accidentalmente el primer ejemplo del “efecto fotoeléctrico”.
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Al igual que otras partículas elementales, los fotones se explican mejor mediante la mecánica cuántica y presentan dualidad onda-partícula, es decir, su comportamiento presenta propiedades tanto de ondas como de partículas[2]. El concepto moderno de fotón se originó durante las dos primeras décadas del siglo XX con el trabajo de Albert Einstein, que se basó en las investigaciones de Max Planck. Al tratar de explicar cómo la materia y la radiación electromagnética podían estar en equilibrio térmico entre sí, Planck propuso que la energía almacenada en un objeto material debía considerarse compuesta por un número entero de partes discretas de igual tamaño. Para explicar el efecto fotoeléctrico, Einstein introdujo la idea de que la propia luz está formada por unidades discretas de energía. En 1926, Gilbert N. Lewis popularizó el término fotón para estas unidades de energía[3][4][5] Posteriormente, muchos otros experimentos validaron el enfoque de Einstein[6][7][8].
En el Modelo Estándar de la física de partículas, los fotones y otras partículas elementales se describen como una consecuencia necesaria de leyes físicas que tienen una cierta simetría en cada punto del espaciotiempo. Las propiedades intrínsecas de las partículas, como la carga, la masa y el espín, están determinadas por la simetría gauge. El concepto de fotón ha dado lugar a avances trascendentales en física experimental y teórica, como los láseres, la condensación de Bose-Einstein, la teoría cuántica de campos y la interpretación probabilística de la mecánica cuántica. Se ha aplicado a la fotoquímica, la microscopía de alta resolución y las mediciones de distancias moleculares. Además, los fotones se han estudiado como elementos de ordenadores cuánticos y para aplicaciones en imagen óptica y comunicación óptica, como la criptografía cuántica.