XI. EL FOTÓN
DESPUÉS de las páginas anteriores podríamos contestar "la luz está hecha de fotones" con buenas probabilidades de que entendamos lo mismo con la palabra "fotones". A continuación resumiremos sus principales propiedades físicas.
El fotón es una partícula indivisible que se mueve, siempre, a la velocidad de la luz. Ésta es la máxima velocidad de propagación posible en el Universo. Ningún cuerpo material puede alcanzarla porque la resistencia de la materia a ser acelerada, su inercia, aumenta con la velocidad, y se hace infinita a la velocidad de la luz. Para alcanzar esta velocidad sería necesario aplicar a ese cuerpo una fuerza de magnitud infinita, que no hay en la naturaleza. El fotón se mueve a la velocidad de la luz porque no es una partícula material; su masa es nula. Esto tiene la consecuencia adicional de que su velocidad no puede ser disminuida; esto es, los fotones no pueden ser frenados, existen sólo en movimiento a la velocidad de la luz. Como además nosotros no podemos movernos a esa velocidad es imposible detener, o alcanzar, un fotón para examinarlo. No tiene siquiera sentido imaginarle un aspecto físico; si es redondo y con costuras como pelota de beisbol, o liso, blanco y con un punto negro como bola de billar. Los puntos que aparecen en las fotos de baja exposición de la figura 35 no son fotones, sino las huellas que éstos dejan al transformar en plata metálica los cristales de sales de este metal que los absorben. La posibilidad de que existieran partículas sin masa moviéndose a la velocidad de la luz fue anticipada por Einstein en la teoría de la relatividad. Por esto se llaman "partículas relativistas". Existen otras partículas relativistas con propiedades diferentes a las del fotón. Los neutrinos, por ejemplo, no son visibles por el ojo humano.
Los fotones son producidos por cargas eléctricas en movimiento. Las cargas eléctricas producen simultáneamente fuerzas eléctricas y magnéticas que se propagan en el espacio a la velocidad de la luz como ondas electromagnéticas. Los fotones se mueven en direcciones precisas, pero se les encuentra sólo en los lugares donde ocurren las ondas de fuerzas eléctricas y magnéticas generadas por las cargas. Se puede encontrar un fotón, todo completo, en cualquier lugar donde esas fuerzas existan; más probablemente en aquellos lugares donde esas fuerzas son mayores. Como las fuerzas electromagnéticas se propagan en forma de ondas, el fotón podrá ser encontrado con mayor probabilidad en lugares de interferencia constructiva de estas ondas y con menor o nula probabilidad en aquellos de interferencia destructiva. Esto, en algunos fenómenos como la difracción, hace que su movimiento se confunda con el de una onda, pero el fotón siempre se manifiesta como una unidad indivisible y nunca en fracciones, ni repartido sobre la región ocupada por la onda electromagnética.
Los fotones se manifiestan como partículas, ya que concentran sus energías,
sus movimientos y sus efectos en regiones definidas y separadas. En una fotografía
producen marcas localizadas como si la energía de cada fotón, que transforma
los cristales de la emulsión fotográfica estuviera concentrada en un pequeño
paquete. De hecho, el primer paso de esta transformación es un choque entre
un fotón y una partícula de carga eléctrica del cristal, un electrón, que se
desprende de éste a consecuencia del impacto como si se tratara del choque de
dos canicas. Este fenómeno, llamado "efecto fotoeléctrico", encuentra un gran
empleo en la producción de corriente eléctrica por medio de luz en las llamadas
"celdas fotoeléctricas" (Figura 44). Observando las trayectorias de los electrones
que chocan con fotones se encuentra que estos choques ocurren exactamente como
si electrón y fotón fueran dos bolas de billar; esto es, los ángulos de las
trayectorias y las energías de las dos partículas antes y después del choque
son idénticas a las que tendrían dos bolas de billar microscópicas con las mismas
energías (Figura 45). Este fenómeno, llamado efecto Compton, es el que mejor
muestra al fotón como partícula en el sentido de una canica o de una bola de
billar.
Figura 44. Los fotones de un haz luminoso arrancan cargas eléctricas de
un metal —electrones— al chocar con éstos, comunicándoles movimiento
y energía como si se tratara de colisiones entre canicas. Este fenómeno, llamado
efecto fotoeléctrico, es la primera etapa del proceso fotográfico, el fotón
arranca un electrón a un cristal de la sal de plata de la emulsión fotográfica.
Figura 45. Las trayectorias que siguen un electrón y un fotón que chocan
son idénticas a las que seguirían dos bolas de billar microscópicas que tuvieran
sus mismas energías. En este fenómeno, llamado efecto Compton, la luz muestra
claramente su aspecto corpuscular.
Extrañas propiedades mecánicas las de los fotones. En algunos casos son muy parecidos a las pelotas de beisbol o a las bolas de billar, pero en otros son muy diferentes. Si intentamos confinar el camino de un fotón por medio de una ranura delgada encontramos que los posibles caminos que puede seguir después de pasar por ella se multiplican y podemos encontrarlo en muchas partes al otro lado de la ranura. Esto se debe a que los fotones son creados siempre con ondas electromagnéticas y pueden encontrarse en cualquier lugar a donde éstas lleguen. Si las ondas se difractan en una ranura, cada fotón puede llegar a cualquier parte del patrón de difracción de las ondas. No existen fotones sin ondas porque la naturaleza misma de la luz es dual; tiene aspectos corpusculares y ondulatorios simultáneamente y, aunque depende de lo que se haga con la luz cuál de los dos tipos de propiedad se hace aparente, siempre se mostrará el otro aspecto de alguna forma. Por ejemplo, para describir las colisiones de fotones el aspecto ondulatorio se muestra y se hace necesario al expresar la energía del fotón, puesto que ésta comprende inevitablemente la frecuencia de una onda. Los aspectos corpusculares y ondulatorios son, de hecho, complementarios. La teoría moderna de la luz da precisión a esta complementariedad al hacer los dos aspectos inseparables en la descripción matemática de la radiación por cargas eléctricas. Las descripciones y predicciones de fenómenos luminosos obtenidos con esta teoría se ajustan asombrosamente bien a los hechos experimentales, y apoyan las ideas básicas anteriores. Posiblemente algun día se encuentre un fenómeno que destruya o modifique estas ideas sobre la luz y los fotones, pero hasta ahora han resistido todas las pruebas.
Es interesante notar también que las primeras ideas básicas sobre la luz no
fueron nunca realmente abandonadas. La propagación rectilínea fue siempre un
apoyo de la teoría corpuscular, y la difracción lo fue de la teoría ondulatoria.
Las ondas electromagnéticas no son la luz, pero describen correctamente su propagación
en el espacio. En cierto sentido, la distinción entre ondas electromagnéticas
y fotones es el análogo contemporáneo de la distinción que, en tiempos remotos,
hizo Alhazán entre vista y luz.
