¿Cuál es la naturaleza de la partícula de la luz? ¿Cuáles son algunos detalles sobre esto?

Primero tendríamos que explicar cómo es posible que algo como la luz pueda estar hecha de partículas. En particular, durante siglos se pensó que estaba hecha de ondas, y desde finales del siglo XIX apareció una fuerte evidencia de que la luz era una onda electromagnética. Sin embargo, a principios de siglo aparecieron varios hechos empíricos que no parecían explicables asumiendo que la luz es una onda, me refiero al efecto fotoeléctrico (por el cual Albert Einstein acabaría recibiendo el premio Nobel) y el efecto Compton que es seguramente la mejor prueba de que la luz tiene un comportamiento de partícula.

En realidad la luz, o más generalmente el campo electromagnético, es una forma de campo de materia cuántico que es capaz de inundar una región completa del espacio-tiempo. La teoría cuántica de campos tiene como consecuencia que cualquier campo continuo puede manifestarse como partículas aisladas y eso es lo que sucede con la luz. Si bien la luz se puede modelizar como una superposición de campos electromagnéticos, su naturaleza cuántica hace que en determinados experimentos se comporte como si estuviera formada por partículas aisladas que llamamos fotones.

Estos fotones son partículas sin masa (ya que no interaccionan con el campo de Higgs), no tienen carga eléctrica razón por la cual el campo electromagnético no interacciona consigo mismo, cosa que la ingeniería eléctrica y electrónica agradece ya que gracias a eso muchos problemas se pueden resolver aplicando el celebradísimo principio de superposición (la gravedad o la interacción nuclear fuerte no es de ese tipo y eso complica mucho su tratamiento tanto cuántico como clásico). Como partículas sin masa los fotones necesariamente se mueven a la velocidad de la luz (es curioso pero la luz se mueve a la velocidad de la luz, porque resultó que las partículas que la constituyen no tienen masa!).

Además el fotón es su propia antipartícula, lo cual implica que dos fotones pueden auto-aniquilarse formando otras partículas. Eso tiene otra consecuencia curiosa el número de fotones del universo no es constante, continuamente se crean y destruyen fotones. Esto contrasta con por ejemplo el número de electrones, que si bien no es completamente constante se mantiene más o menos constante (el único proceso duradero de importancia que crea o destruye electrones es la reacción radiactiva: n0→p++e−+nu¯0en0→p++e−+nu¯e0).

Representación de un fotón como un tren de ondas localizado.