¿Por qué la función de onda del electrón no colapsa dentro de los átomos a temperatura ambiente en gases, líquidos o sólidos debido a la decoherencia?

Bienvenido a SE. ¡Buena pregunta! La decoherencia no significa que ya no habrá una función de onda, solo significa que si el electrón se acopla al entorno circundante, su estado se describirá mediante una mezcla probabilística de funciones de onda orbitales en lugar de una superposición (coherente) de las mismas. El electrón en un átomo no tiene algún estado "no cuántico" en el que pueda colapsar; colapsar solo significa que terminará en uno de los estados orbitales.

Como ejemplo simplificado, considere los estados de espín de un electrón (más simples que los orbitales porque solo hay dos). Dejar$|0\rangle$y$|1\rangle$ser algunos estados base (ortonormales) para este sistema. Entonces, si el electrón está inicialmente en el estado

$$\frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle+|1\rangle),$$ una superposición (coherente) de los dos estados básicos, después de que haya interactuado con algún entorno ruidoso durante un tiempo, esperaríamos que su estado evolucione hacia una mezcla probabilística de los estados$|0\rangle$y$|1\rangle$(suponiendo que todavía estamos representando sobre esta base), con probabilidades de 0,5 cada una, a menos que haya algún otro factor que las sesgue. Pero el espín del electrón no puede entrar mágicamente en ningún otro estado que no sea una combinación lineal de estos; De manera similar, el estado orbital sigue siendo un estado orbital incluso cuando se descohere.

Estoy de acuerdo con la respuesta de Will, pero dado que hay varias formas de ver esto, aquí hay otra: para que un electrón que inicialmente se encuentra en su estado fundamental se localice espacialmente, necesariamente se requiere que se agregue algo de energía. Para un átomo de hidrógeno, la energía necesaria es de al menos 10 eV (para llegar a la segunda capa), y cada vez más que esto para hacer un paquete de ondas cada vez más localizado. Esto requiere fotones de alta energía, y normalmente (a las temperaturas que encontramos en la Tierra) no hay muchos de los que hay alrededor, ni hay suficientes fotones de baja energía para que las transiciones de fotones múltiples sean probables.

En un entorno de alta temperatura en el que hay muchos fotones de rayos X y rayos gamma para impulsar estas transiciones, probablemente ya no tendría hidrógeno neutro sino plasma. De hecho, los electrones en este plasma podrían estar localizados en una escala más pequeña que los orbitales de hidrógeno, dependiendo de parámetros como la densidad.

Este tema de necesitar energías más altas para resolver ubicaciones más pequeñas puede sonar familiar; es solo otra manifestación de por qué necesitamos aceleradores enormes como el LHC para probar directamente la física en escalas de longitud muy pequeñas dentro de un nucleón.