¿Cuál es el experimento utilizado para observar realmente la posición del electrón en el átomo HH\rm H?

Primero, ¿cómo se determina realmente la posición del electrón sin "sacarlo" del átomo?

Cuando se habla de entidades mecánicas cuánticas, como lo son el átomo y el electrón, hay que tener muy en cuenta que nuestros modelos bien validados que nos permiten probar su comportamiento son probabilísticos, la probabilidad dada por el cuadrado de la función de onda.

La función de onda es una función de (x,y,z,t) . La forma en que se ha validado es haciendo distribuciones de probabilidad y cotejándolas con los datos. La única forma de medir las posiciones de un electrón en el átomo es mediante la interacción del electrón. Esto podría deberse a que se activa y se mide, dando un punto eventualmente en la distribución de probabilidad bajo medición, o ajustando datos de dispersión débil, por ejemplo, como la luz a través de un cristal, o rayos X, las interferencias de la luz brindan información de posición . De nuevo una distribución estadística. En este caso, el resultado final es un sondeo de la posición del átomo como un todo, ya que los orbitales electrónicos definen el tamaño de los átomos.

En segundo lugar, si pudieras determinar su posición con mucha precisión, ¿no sería su impulso tan alto que superaría la velocidad de la luz? (¿O simplemente se vuelve más masivo? De cualquier manera, no parece que pueda permanecer unido al núcleo.

Si solo determina la posición, podría ser tan precisa como sus capacidades de medición. La incertidumbre de Heisenberg restringe uno solo si tanto el momento como la posición se requieren juntos.

Tercero, si pudiera determinar su posición, ¿cómo se degrada su conocimiento de su posición con el tiempo? Parecería que para volver a su distribución de probabilidad original (en todo el espacio) necesitaría una gran cantidad de tiempo, nuevamente para no violar la velocidad de la luz (a menos que pueda aparecer y desaparecer muy, muy lejos). ).

Una vez más, tenga en cuenta que los experimentos son únicos para las interacciones individuales. Un fotón atraviesa el cristal e interactúa con el campo del electrón y se registra como un punto en una distribución de probabilidad. O se lanza un electrón y su trayectoria se mide y se proyecta de nuevo a su posición, como en este experimento reciente, dando la distribución del electrón en los orbitales de hidrógeno.

orbitales de hidrógeno

En el caso de los fotones que sondean de forma no destructiva el átomo, no hay forma de que uno pueda saber qué está haciendo un electrón individual en su orbital después de esa ligera interacción. Así que no hay degradación detectable con el tiempo ya que el electrón todavía está en su orbital.

En el caso de la dispersión de electrones del átomo de hidrógeno, el proceso es completamente destructivo para el átomo, el electrón sale volando y se detecta en un sistema detector apropiado, y el hidrógeno se convierte en un ion, un protón que busca un electrón del entorno para volver a la neutralidad.

Primero, ¿cómo se determina realmente la posición del electrón sin "sacarlo" del átomo?

Esto es en el contexto de la mecánica cuántica no relativista (QM).

En QM, una medida ideal de posición requiere que, inmediatamente después de la medida, el electrón tenga una posición definida. Sin embargo, un estado de posición definida es necesariamente una superposición de todos los estados de energía, incluidos los estados ligados y no ligados.

Por lo tanto, después de una medición de la posición ideal, el electrón no está ligado ni no ligado (está en una superposición de estados ligados y no ligados), por lo que no podemos decir que sea definitivamente "expulsado" del átomo.

En segundo lugar, si pudieras determinar su posición con mucha precisión, ¿no sería su impulso tan alto que superaría la velocidad de la luz?

Nuevamente, inmediatamente después de una medición de posición ideal, el electrón no tiene un momento definido sino que, en cambio, se encuentra en una superposición de estados propios de momento. Si se realiza una medición ideal del impulso inmediatamente después de la medición de la posición, el resultado de la medición es completamente incierto. Uno podría medir un impulso muy alto o un impulso muy bajo.

Tercero, si pudiera determinar su posición, ¿cómo se degrada su conocimiento de su posición con el tiempo?

El estado de posición definida es, como se dijo antes, una superposición de todos los estados de energía y, por lo tanto, evoluciona en el tiempo. No es que nuestro conocimiento se degrade con el tiempo, es que la localización se 'degrada' con el tiempo.

Inmediatamente después de la medición de la posición, la densidad de probabilidad se localiza al máximo. A medida que evoluciona el estado, la densidad de probabilidad se vuelve menos localizada.

Un momento muy alto no significa velocidades superiores a la velocidad de la luz: los electrones se acercan a un momento infinito a medida que se acercan a la velocidad de la luz.

El principio de incertidumbre significa que muy poco tiempo después de una medición precisa de la posición, la gran incertidumbre en el impulso significa que ya no sabes dónde está, solo dónde estaba. Tampoco sabes de dónde vino antes de eso.

Un principio similar se aplica a los fotones. Una antena pequeña puede detectar dónde llega un fotón con bastante precisión, pero tiene un haz ancho, por lo que no puede decir de qué dirección vino el fotón, por lo que tiene una gran incertidumbre en el momento (que es un vector). Una antena de gran apertura tiene un haz angosto y puede decir en qué dirección vino un fotón pero no puede localizarlo excepto que estaba en algún lugar de su apertura.

Traducir la incertidumbre de la posición y el momento del mundo cuántico en términos del mundo macro es fácil.

La forma en que lo haces es simplemente una lógica simple. Imagina una pelota de tenis e imagina que realmente no puedes verla, al igual que no puedes ver un electrón. Entonces, la única forma en que puede ver dónde está la pelota de tenis es golpearla con otra pelota de tenis o con una enorme cantidad de luz que realmente desplazará la posición de la pelota de tenis, es decir, moverla. En ese momento la luz te trae la información a tus ojos y ves la pelota de tenis.

Entonces se vuelve obvio que no tienes idea de dónde estaba la pelota de tenis antes de eso ni sabrías en qué dirección iba. Porque no tenías esa información. Pero una vez que ves la pelota de tenis, una cosa se vuelve segura, su onda de probabilidad se ha derrumbado y sabes que la pelota de tenis ciertamente no está en ningún otro lugar. ¿Me estoy poniendo elegante contigo? Bueno, eso espero. Ondas de probabilidad, vectores, impulso, métrica, tensor, espacio de fase, etc.

Esto también significa que le llevó tiempo recibir la información sobre la ubicación de la pelota de tenis. Esto significa que la pelota de tenis que observaste es la pelota de tenis en algún tiempo y lugar pasados. Sí, el electrón ya no está allí si crees que lo está porque ya se ha movido. Llegas muy tarde. No se congela como una imagen hasta que puedas verla.

En este macro mundo real, por supuesto, no es diferente. La pelota de tenis que ves es la pelota de tenis en algún espacio y tiempo pasado. No solo la pelota de tenis, sino cualquier cosa. No puedes ver nada como son sino como eran. Esto no es una filosofía.

Ahora dime si esto es un hecho o una ficción. Y no se necesitan fórmulas ni lenguaje complicado para decirlo exactamente como es.

Veamos qué encaja en todo esto el colapso de la función de onda completa.

Observas el electrón o lo que sea y lo golpeas con un fotón y ahora el electrón se comporta como una partícula porque puedes verlo como el fotón simplemente te trae la información con respecto a esa posición y en ese tiempo. Y esto se llama colapsa de la función de onda. ¿Por qué? Porque ciertamente sabes que el electrón está justo ahí y no en otro lugar. Esto no es tan complicado, solo sentido común.

Ahora imagina que golpeas el electrón con el fotón pero giraste la cara y no viste el electrón, perdiste la información, así que para ti el electrón no está allí y no estaba allí. Entonces dices que la ola no colapsó porque perdiste la información. Y tampoco tenías apartaus por lo que el fotón no llevó la información a algún aparato para que la registrara. La información sobre algún evento pasado de la posición del electrón en un momento y ubicación específicos se ha ido. Te lo perdiste. Pero espéralo.

Así que el fotón despegó con la información de la posición en algún lugar, te lo aseguro. No eres el único instrumento de grabación en este mundo. eres para ti No puedes hablar de la pared detrás de ti. ¿Qué pasa si el fotón tomó la información y luego golpeó la pared y se absorbió en esa pared? La información del electrón se incrustó, se registró, por así decirlo. Y la pared no está hablando de eso. La energía no desaparece. Es la ley de conservación de la energía.

Un fotón golpeando a un electrón y el electrón emitiendo el fotón y el fotón se propaga desde el electrón con la energía... Tal vez fue registrado por un árbol a 50 millas de distancia. Y allí, para ese árbol, la función de onda del electrón colapsó y el árbol no habla de eso. Un buen día, ¿qué pasa si por alguna magia de la ciencia revisas el árbol (como en la zona crepuscular) y allí se registró la posición del electrón ya que la energía todavía está allí con su huella? ¿Extraño? por supuesto. No me digas que la información que es energía se puede perder, es decir, puede desaparecer del universo. Tienes razón. El hecho de que pierda su llave no significa que la llave haya desaparecido.
¿Adivina qué? No, no lo hace.

Te deseo inspiración y deleite y que encuentres la ciencia fascinante durante todos los días de tu vida....