¿Por qué no se puede observar un electrón?

Definir "observar"

El Webster , las opciones para la ciencia son:

a: observar cuidadosamente, especialmente con atención a los detalles o al comportamiento con el fin de llegar a un juicio

b: hacer una observación científica sobre o de

Y en "observación:

a: un acto de reconocer y notar un hecho u ocurrencia que a menudo implica la medición con instrumentos

b: un registro o descripción así obtenido

¿Cómo observamos una nube? La luz del sol se dispersa del H2O de la nube y llega a nuestro ojo. Para observarlo científicamente se toman fotografías, o videos para estudiar su evolución en el tiempo. ¿Está la nube en el video "observando una nube"?

Aquí hay una imagen de cámara de burbujas de un electrón :

El electrón ha dispersado átomos en la cámara ionizándolos y las burbujas se forman donde estaban los iones. Está girando en el campo magnético impuesto y está perdiendo energía de las dispersiones. A diferencia de la imagen de la nube, no es la luz lo que se dispersa del objeto, sino que el objeto se dispersa de la materia, y se registra la luz de ese camino. Es un camino más complicado hacia una imagen, pero todavía hay una correspondencia uno a uno del objeto llamado electrón, con la imagen que llamamos observación.

Tenga en cuenta que para las dimensiones de las burbujas de la cámara de burbujas (micras) y el momento del electrón en la imagen, algunos MeV/c satisfacen el principio de incertidumbre de Heisenberg y, por lo tanto, dentro de estas dimensiones, el electrón puede considerarse en su forma como un "partícula" mecánica cuántica, con atributos de una partícula clásica.

También "vemos" electrones directamente en chispas , nuestros ojos y cerebro no están equipados para ver la luz tan claramente como la luz reflejada de la nube, pero esto es una limitación de nuestra biología, nuestros instrumentos pueden.

Así que creo que la declaración es vacía.

Editar después del comentario

¿Crees que alguna vez sería posible hacer algo que funcione como una cámara para tomar una instantánea de un solo electrón?

He buscado en la red y ya está.

vídeo en https://www.youtube.com/watch?v=OErXAk42MXU

Ahora es posible ver una película de un electrón. La película muestra cómo un electrón viaja en una onda de luz después de haber sido arrancado de un átomo. Esta es la primera vez que se filma un electrón y los resultados se presentan en el último número de Physical Review Letters.

Así se ha hecho, aunque el vídeo está ralentizado para que se pueda ver el camino.

El concepto de "observación directa" es engañoso en la filosofía de la ciencia. Es el puente aceptado entre la teoría científica y la verdad, y cruza aguas muy turbias.

Considere esta declaración profunda: no tenemos pruebas de que existan electrones. Cero. Nada. Lo que sí tenemos son muchos modelos teóricos que incluyen el concepto de un electrón que hace un trabajo notablemente bueno al predecir cómo se comportarán las cosas. En filosofía, esta es la división entre ontología (la discusión de lo que es el mundo ) y epistemología (la discusión de lo que podemos saber sobre el mundo).

Ahora bien, este es probablemente el punto de vista más pedante que uno puede elegir. Casi nunca escuchará a un científico elegir hablar de esta manera. ¿Por qué? Bueno, algunos de nuestros modelos hacen un trabajo tan alucinante al predecir cosas que tendemos a preferir simplemente afirmar que son "realidad".

¿Cómo hacemos esta afirmación? Si el modelo predice algo que podemos "observar directamente" usando nuestros propios ojos, oídos y manos, entonces suponemos que es "real". La idea de que los organismos unicelulares hacen que la comida se estropee era solo una observación indirecta hasta que alguien inventó el microscopio y nos permitió mirar con nuestros propios ojos. A nivel filosófico, "bendecimos" las observaciones hechas con nuestros propios sentidos, sin otra razón que la de que es realmente difícil progresar si no confiamos en nada.

Tome la idea de doblar el espacio-tiempo. Todos hemos oído hablar de la teoría de Einstein de que la masa dobla el espacio-tiempo, y eso provoca la gravedad además de todo tipo de otros divertidos efectos relativistas. Sin embargo, doblar el espacio-tiempo es solo un modelo. No hay pruebas de que el espacio-tiempo realmente se doble, solo que si uno modela el espacio-tiempo como si se doblara, uno obtiene predicciones característicamente buenas sobre lo que sucederá.

Así que no tenemos un bendito microscopio que pueda ampliar lo suficiente para ver un electrón. Eso por sí solo es suficiente para hacer un estado de que nadie ha "observado directamente" un electrón. Si uno se atreve a incursionar en la Mecánica Cuántica, el mundo se vuelve aún más extraño. Debido a todo tipo de efectos divertidos que probablemente estén más allá del alcance de su pregunta, el concepto de "observar un electrón" se vuelve bastante confuso. La mecánica cuántica predice lo que sucederá en el universo de una manera que hace que la frase "observar un electrón" sea problemática y difícil de cuantificar realmente. Si de hecho la Mecánica Cuántica describe cómo "realmente funciona" el mundo, entonces el concepto de observar un electrón en realidad puede ser imposible debido a los comportamientos estadísticos del colapso de la forma de onda cuántica.

Nada se observa sin algún proceso físico que "realice" la observación. Los ojos no ven pasivamente: son grandes lugares de colisión para innumerables bombardeos de fotones, los píxeles de la cámara (o pigmentos fotosensibles) no reaccionan pasivamente a la luz, tienen que ser golpeados violentamente por miles de fotones individuales.

Es como estar en un coche, en una habitación oscura llena de plumas: ¿cómo puedes, sin salir del coche, sentir que las plumas están ahí? Si condujeras hacia la nube de plumas a 200 mph, es posible que escuches algo cuando golpearon el parabrisas, si escuchaste con mucha atención...

Es lo mismo en partículas individuales como un electrón: ¿cómo puedes sentir algo que es más ligero y más delicado que cualquier otra cosa a su alrededor?

Al igual que el automóvil y las plumas, solo golpeando una cosa contra la otra con la suficiente violencia puedes inferir indirectamente la existencia de una u otra.

Permítanme dar una vaga analogía para ilustrar los problemas al hablar de la observación.

Imagina que acabo de tirar una piedra a un estanque y te pregunto, ¿puedes ver la ola que hace? Tú dices, sí, por supuesto, ¿por qué? Digo, no, en realidad no viste toda la ola. Solo viste lo que viste desde tu posición y ángulo. ¿Y es lo que viste la ola? ¿O es solo una imagen de la ola que está en tu mente? ¿Cómo sabes siquiera que esa imagen es un reflejo exacto de la onda real? De hecho, sabemos que nuestro ojo tiene un límite en su poder de resolución y su sensibilidad.

Así que en realidad no viste ninguna ola. Acabas de ver algo que ambos llamamos "ola" en inglés. La palabra es simplemente una referencia a la entidad, no a la entidad misma. Te preguntarás, ¿es posible observar una entidad directamente y no a través de algún instrumento intermedio como nuestro globo ocular? Pero, ¿qué es realmente "directamente"? Si tu mente de alguna manera puede tocar la ola (¿con qué, puedo preguntar?), ¿es suficiente para ti? ¿O es tu mente en sí misma simplemente un instrumento que usas para interactuar con el mundo?

De todos modos, eso se sumerge directamente en el extremo profundo de la filosofía , aunque tendrá que responder eso de alguna manera antes de poder especificar con suficiente precisión lo que quiere decir con "observar".

Por otro lado, ¿qué pasa si ambos estamos de acuerdo en que hubo una ola y luego te pregunto cuál es la posición de la ola? Y me miras fijamente. Pero esa bien podría ser la misma pregunta que estaría tentado a hacer sobre un electrón. ¿Qué pasa si el electrón tiene una realidad subyacente que corresponde más a su función de onda que a un solo punto en el espacio? ¿Tienes la más mínima evidencia de que es más como un punto? No.

Se podría decir, tomemos el punto más alto de una molécula de agua (asumiendo que es suficientemente similar a un punto) como la posición. Si es así, entonces no tendrá ninguna propiedad agradable y saltará al azar alrededor del estanque. Una mejor idea sería tomar el promedioposición de las moléculas de agua que están por encima del nivel medio del agua del estanque. Entonces podemos 'ver' que se mueve en la dirección de la ola más o menos junto con la cresta. Incluso podemos tocar la cresta de la ola a medida que pasa, lo que significa que podemos estimar la posición tal como se define de esta manera. Aquí hay cierta incertidumbre, no muy diferente de la incertidumbre que se ve al medir la posición de un paquete de ondas clásico o al medir la posición de una partícula (principio de incertidumbre de Heisenberg), en el sentido de que a pesar de que la posición de una onda de estanque está bien definida (suponiendo que las moléculas de agua sean puntuales o, de manera más general, alguna función de densidad de masa para el agua), ni siquiera podemos medirla clásicamente con precisión porque cualquier cosa que hagamos interrumpirá la onda.

De manera similar, podemos definir la velocidad de la onda como el flujo, el flujo promedio del agua (según la evolución de la función de densidad de masa en el tiempo). Al igual que con la posición, ni siquiera podemos medir clásicamente la velocidad con precisión sin cambiarla.

Ahora, podríamos ir de otra manera alrededor del problema. En lugar de tratar de observar toda la ola a la vez, repetimos el lanzamiento de piedra muchas veces, y cada vez observamos solo una pequeña parte de la ola. Por supuesto, ahora que somos escépticos, nos preguntaremos si realmente podemos repetir algo exactamente de la misma manera cada vez. Por supuesto, es imposible en general, pero esperamos que no sea demasiado diferente.

Esto es exactamente lo que han hecho los científicos para observar (en este sentido) la función de onda de un electrón. Se hizo hace mucho tiempo, y no conozco la historia, pero supuestamente IBM fue uno de los primeros en colocar moléculas de impurezas en una superficie metálica y luego usar un microscopio de efecto túnel para obtener imágenes de la densidad electrónica. Tienen algunas fotos aquí , incluido el conocido corral cuántico:

( http://researcher.watson.ibm.com/researcher/files/us-flinte/stm16.jpg )

No sé si editaron los datos sin procesar (muy probablemente, cuando lo hice antes tuve que editar para eliminar el ruido y los artefactos de la punta STM imperfecta). Hay otras imágenes en internet como:

( http://nisenet.org/catalog/media/scientific_image_-_quantum_corral_top_view )

Pero, por supuesto, todos los efectos de color o 3D en las imágenes STM son generados por computadora. Recientemente (2013), algunos han afirmado poder obtener imágenes de orbitales atómicos, como:

( http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/may/23/quantum-microscope-peers-into-the-hydrogen-atom )

De todos modos, recuerde que las analogías se rompen, y muy poco acerca de los electrones y otras partículas, incluso tiene un fenómeno vagamente análogo con el agua en un estanque. La analogía era simplemente para hacerte pensar dos veces sobre la suposición común de que una partícula tiene una posición puntual.

Según el Modelo Estándar, el electrón no tiene extensión; un radio de cero. Como tal, tal partícula nunca podría ser observada (ya que no está realmente allí...) sino solo observada indirectamente, por ejemplo, por el efecto de su campo eléctrico sobre otras partículas u objetos.

No es del todo exacto que no se pueda observar. Puede, y tiene. Sin embargo, la observación es sólo un pequeño aspecto del fenómeno de los electrones.

Si bien se puede observar instantáneamente, no se puede determinar dónde está ni su velocidad. La velocidad de un electrón se puede observar, pero no sabiendo su posición. Se puede observar la posición de un electrón, pero no conociendo su velocidad.

El ejemplo que se muestra a menudo de esto en las clases de ingeniería y física en la imagen de una flecha en el bosque. Puedes ver claramente dónde está, pero a partir de una imagen de la flecha, no puedes decir qué tan rápido va.

De acuerdo con QM relacional , otro observador de un electrón podría ser simplemente otro electrón; digamos otro electrón que lo rechazó.

Esto significa que se están haciendo observaciones de electrones todo el tiempo; simplemente no por nosotros.

Pero este, creo, no es el sentido de observación que estás usando en tu pregunta; que parece ser la observación directa por el ojo humano.

Sin embargo, una vez no pude ver la bacteria; y ahora podemos verlos a través de un microscopio; nadie dice que es que no están allí.

Quizá algún día ocurra lo mismo con los electrones.