¿Los patrones de doble rendija realmente se deben a una interferencia similar a una onda?

Si busca en este sitio la dualidad de partículas de onda o algo similar, encontrará muchas preguntas que abordan este y otros problemas relacionados.

La descripción más completa que tenemos de las partículas es que son excitaciones en un campo cuántico; esto se llama teoría cuántica de campos . Bajo algunas circunstancias estas excitaciones pueden comportarse como partículas y bajo otras circunstancias pueden comportarse como ondas. Si toma su ejemplo del experimento de las rendijas de Young, es posible calcular el patrón de difracción utilizando la teoría cuántica de campos , pero un vistazo rápido al documento que he vinculado debería convencerlo de que no es un asunto fácil. Sin embargo, en este experimento es una muy buena aproximación usar el modelo de onda porque la luz se comporta como una onda. Y el cálculo de ondas es lo suficientemente simple como para enseñarlo a niños en edad escolar, mientras que la teoría cuántica de campos es algo que no se aprende hasta los estudios de posgrado.

Entonces, si bien podría ser técnicamente cierto decir que el patrón de difracción no está siendo causado por ondas, a todos los efectos prácticos podemos tratarlo como si lo fuera.

La dualidad onda-partícula es un concepto antiguo que no tiene ningún poder de explicación significativo. No es así como nos acercamos a la mecánica cuántica hoy. A decir verdad, es tan mala idea enseñar la dualidad onda-partícula, como lo sería introducir la relatividad con la explicación detallada del éter, solo para terminar esa lección con la frase "y es por eso que la teoría del éter está completamente equivocada".

Sí, tiene razón, las ondas clásicas NO son una ilustración válida de la mecánica cuántica, pero son un límite válido de la mecánica cuántica (para una gran cantidad de partículas). Esto puede sonar como una contradicción, pero queda claro una vez que entiendes la diferencia entre tratar de encontrar una explicación clásica para la mecánica cuántica (que no existe) y la mecánica cuántica siendo capaz de explicar toda la física clásica como un caso especial.

También es incorrecto decir que los fotones individuales interfieren entre sí. Eso tampoco es lo que está pasando.

Tiene varias opciones para abordar este tema. Puedes tropezar de una página web mal escrita a otra, o puedes leer el libro de Feynman al respecto: "QED: la extraña teoría de la luz y la materia", que explica muy bien qué es realmente la mecánica cuántica. Feynman lo hace mucho mejor que la mayoría de nosotros, y le daría preferencia sobre cualquier cosa que yo o la mayoría de la gente pueda escribir sobre el tema.

La principal confusión proviene de que la gente no se da cuenta de que cuando se habla de dualidad onda-partícula, la parte de onda pertenece a la distribución de probabilidad que se puede calcular usando las soluciones mecánicas cuánticas para el problema en cuestión.

Las soluciones se llaman funciones de onda porque tienen expresiones sinusoidales que son características de la onda macroscópica. En contraste con las ondas de agua o las ondas de presión, la descripción de ondas mecánicas cuánticas no describe el transporte de energía en el espacio. El mismo experimento debe realizarse una cantidad estadísticamente grande de veces para acumular una distribución de probabilidad para las rendijas dobles, por ejemplo. Esta exposición secuencial de doble rendija de un electrón a la vez muestra esto claramente.

Un solo electrón no es una onda en el espacio, su masa y energía se mueven como ondas. Solo tiene una probabilidad cuando cumple con las condiciones de contorno de las dos rendijas para dispersarse en una dirección controlada por una distribución de probabilidad de onda. Al principio parece aleatorio, la acumulación muestra el patrón de interferencia típico de la ecuación de onda. soluciones

Entonces, ¿hay realmente alguna necesidad de usar la interferencia de ondas para explicar los fenómenos, o podemos simplemente afirmar que el patrón es probabilístico de cierta manera, sin involucrar las explicaciones "espeluznantes"?

Las explicaciones "espeluznantes" provienen de personas que no entienden la naturaleza probabilística de las soluciones mecánicas cuánticas. Una vez que uno entiende eso, uno puede ignorar lo espeluznante. Las funciones sinusoidales aparecen en muchas soluciones de ecuaciones llamadas "ecuaciones de onda" y los patrones de interferencia pueden aparecer en combinaciones. Hay que tener cuidado con el contexto en el que se utilizan las soluciones. En los marcos de la mecánica cuántica hablamos de distribuciones de probabilidad, como hablamos de orbitales y no de órbitas en los átomos, por ejemplo.

Incluso en el caso de un solo electrón (a diferencia de un gran número que se aproxima a una onda continua), la distribución de probabilidad en la medición muestra interferencia de doble rendija, en lugar de lo que se esperaría en el caso de una sola rendija.

Entonces, aunque solo hay un electrón, la física de su viaje se ve afectada por ambas rendijas. Tenemos, a través de la experiencia diaria y la educación clásica, los conceptos independientes de comportamiento de "partícula" y "onda". Ninguno encaja exactamente, pero ambos son útiles para explicar el comportamiento cuántico de este experimento de doble rendija de un solo electrón.

¿Significa esto que todas esas fuentes y animaciones que muestran dos ondas interfiriéndose son simplemente conclusiones clásicas e incorrectas que no tienen nada que ver con la realidad (cuántica)?

No

Lo que es realmente más confuso es que la mayoría de los sitios que afirman que ahora es posible pasar fotones individuales a través de estas rendijas, también afirman que estos fotones individuales de alguna manera interfieren consigo mismos, lo que da como resultado los patrones observados. Eso parece una explicación bastante delgada, ¿no?

Es una explicación precisa: un electrón, dos rendijas -> problema de patrón de difracción. dist.

Entonces, ¿hay realmente alguna necesidad de usar la interferencia de ondas para explicar los fenómenos, o podemos simplemente afirmar que el patrón es probabilístico de cierta manera, sin involucrar las explicaciones "espeluznantes"?

Las palabras son símbolos arbitrarios, por lo que podría describir el pd omitiendo "ola" y usando otro lenguaje en su lugar. Sin embargo, me parece que, dado que la interferencia se explica maravillosamente mediante la analogía de la onda de doble rendija, es mejor usarla; solo aclare que tanto la partícula como la onda son analogías útiles para describir el comportamiento cuántico.