XI. EL FOT�N
DESPU�S de las p�ginas anteriores podr�amos contestar "la luz est� hecha de fotones" con buenas probabilidades de que entendamos lo mismo con la palabra "fotones". A continuaci�n resumiremos sus principales propiedades f�sicas.
El fot�n es una part�cula indivisible que se mueve, siempre, a la velocidad de la luz. �sta es la m�xima velocidad de propagaci�n posible en el Universo. Ning�n 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 ser�a necesario aplicar a ese cuerpo una fuerza de magnitud infinita, que no hay en la naturaleza. El fot�n se mueve a la velocidad de la luz porque no es una part�cula 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 s�lo en movimiento a la velocidad de la luz. Como adem�s nosotros no podemos movernos a esa velocidad es imposible detener, o alcanzar, un fot�n para examinarlo. No tiene siquiera sentido imaginarle un aspecto f�sico; 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 exposici�n de la figura 35 no son fotones, sino las huellas que �stos dejan al transformar en plata met�lica los cristales de sales de este metal que los absorben. La posibilidad de que existieran part�culas sin masa movi�ndose a la velocidad de la luz fue anticipada por Einstein en la teor�a de la relatividad. Por esto se llaman "part�culas relativistas". Existen otras part�culas relativistas con propiedades diferentes a las del fot�n. Los neutrinos, por ejemplo, no son visibles por el ojo humano.
Los fotones son producidos por cargas el�ctricas en movimiento. Las cargas el�ctricas producen simult�neamente fuerzas el�ctricas y magn�ticas que se propagan en el espacio a la velocidad de la luz como ondas electromagn�ticas. Los fotones se mueven en direcciones precisas, pero se les encuentra s�lo en los lugares donde ocurren las ondas de fuerzas el�ctricas y magn�ticas generadas por las cargas. Se puede encontrar un fot�n, todo completo, en cualquier lugar donde esas fuerzas existan; m�s probablemente en aquellos lugares donde esas fuerzas son mayores. Como las fuerzas electromagn�ticas se propagan en forma de ondas, el fot�n podr� 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 fen�menos como la difracci�n, hace que su movimiento se confunda con el de una onda, pero el fot�n siempre se manifiesta como una unidad indivisible y nunca en fracciones, ni repartido sobre la regi�n ocupada por la onda electromagn�tica.
Los fotones se manifiestan como part�culas, ya que concentran sus energ�as,
sus movimientos y sus efectos en regiones definidas y separadas. En una fotograf�a
producen marcas localizadas como si la energ�a de cada fot�n, que transforma
los cristales de la emulsi�n fotogr�fica estuviera concentrada en un peque�o
paquete. De hecho, el primer paso de esta transformaci�n es un choque entre
un fot�n y una part�cula de carga el�ctrica del cristal, un electr�n, que se
desprende de �ste a consecuencia del impacto como si se tratara del choque de
dos canicas. Este fen�meno, llamado "efecto fotoel�ctrico", encuentra un gran
empleo en la producci�n de corriente el�ctrica por medio de luz en las llamadas
"celdas fotoel�ctricas" (Figura 44). Observando las trayectorias de los electrones
que chocan con fotones se encuentra que estos choques ocurren exactamente como
si electr�n y fot�n fueran dos bolas de billar; esto es, los �ngulos de las
trayectorias y las energ�as de las dos part�culas antes y despu�s del choque
son id�nticas a las que tendr�an dos bolas de billar microsc�picas con las mismas
energ�as (Figura 45). Este fen�meno, llamado efecto Compton, es el que mejor
muestra al fot�n como part�cula en el sentido de una canica o de una bola de
billar.
Figura 44. Los fotones de un haz luminoso arrancan cargas el�ctricas de
un metal —electrones— al chocar con �stos, comunic�ndoles movimiento
y energ�a como si se tratara de colisiones entre canicas. Este fen�meno, llamado
efecto fotoel�ctrico, es la primera etapa del proceso fotogr�fico, el fot�n
arranca un electr�n a un cristal de la sal de plata de la emulsi�n fotogr�fica.
Figura 45. Las trayectorias que siguen un electr�n y un fot�n que chocan
son id�nticas a las que seguir�an dos bolas de billar microsc�picas que tuvieran
sus mismas energ�as. En este fen�meno, llamado efecto Compton, la luz muestra
claramente su aspecto corpuscular.
Extra�as propiedades mec�nicas 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 fot�n por medio de una ranura delgada encontramos que los posibles caminos que puede seguir despu�s 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 electromagn�ticas y pueden encontrarse en cualquier lugar a donde �stas lleguen. Si las ondas se difractan en una ranura, cada fot�n puede llegar a cualquier parte del patr�n de difracci�n de las ondas. No existen fotones sin ondas porque la naturaleza misma de la luz es dual; tiene aspectos corpusculares y ondulatorios simult�neamente y, aunque depende de lo que se haga con la luz cu�l de los dos tipos de propiedad se hace aparente, siempre se mostrar� 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 energ�a del fot�n, puesto que �sta comprende inevitablemente la frecuencia de una onda. Los aspectos corpusculares y ondulatorios son, de hecho, complementarios. La teor�a moderna de la luz da precisi�n a esta complementariedad al hacer los dos aspectos inseparables en la descripci�n matem�tica de la radiaci�n por cargas el�ctricas. Las descripciones y predicciones de fen�menos luminosos obtenidos con esta teor�a se ajustan asombrosamente bien a los hechos experimentales, y apoyan las ideas b�sicas anteriores. Posiblemente algun d�a se encuentre un fen�meno que destruya o modifique estas ideas sobre la luz y los fotones, pero hasta ahora han resistido todas las pruebas.
Es interesante notar tambi�n que las primeras ideas b�sicas sobre la luz no
fueron nunca realmente abandonadas. La propagaci�n rectil�nea fue siempre un
apoyo de la teor�a corpuscular, y la difracci�n lo fue de la teor�a ondulatoria.
Las ondas electromagn�ticas no son la luz, pero describen correctamente su propagaci�n
en el espacio. En cierto sentido, la distinci�n entre ondas electromagn�ticas
y fotones es el an�logo contempor�neo de la distinci�n que, en tiempos remotos,
hizo Alhaz�n entre vista y luz.
