¿Por qué no se pueden detectar partículas en más de un lugar?

Uno de los experimentos fundamentales más importantes que condujeron a la mecánica cuántica fue el efecto fotoeléctrico. Experimentalmente, se descubrió que una luz de intensidad arbitrariamente pequeña podía expulsar electrones de un material, siempre que la frecuencia de la luz estuviera por encima de un valor umbral. Esto es imposible de explicar con la teoría ondulatoria clásica (ya que la energía es proporcional a la intensidad). Einstein explicó este fenómeno con la idea de que la luz viene en paquetes discretos de energía (fotones) con energía proporcional a su frecuencia,$E=\hbar \omega$, dónde$\omega$es la frecuencia del fotón. Fundamentalmente, no es posible dividir estas partículas en cantidades más pequeñas; cuando se generan fotones de una frecuencia dada, o tienen suficiente energía para expulsar un electrón o no la tienen, no hay término medio.

La mecánica cuántica es un marco teórico construido para reproducir este y otros hechos experimentales básicos sobre la realidad.

Desde la época de Einstein, ha habido muchas otras fenomenales demostraciones experimentales de la exactitud de las predicciones de la mecánica cuántica. Por ejemplo, los chips CCD pueden detectar fotones individuales y nunca detectar medio fotón. Los fotones siempre se detectan con energías en múltiplos enteros de$\hbar \omega$, y nunca con una fracción de esta cantidad.

Dentro del marco de la mecánica cuántica , (independientemente de si está utilizando la interpretación de Copenhague o Muchos mundos o alguna otra interpretación que proporcione resultados físicamente equivalentes), su pregunta es tautológica. La respuesta a "¿Por qué no se puede observar una partícula en el lugar A y en el lugar B simultáneamente?" es que una partícula solo se puede observar en un lugar a la vez. Si desea observar algo en dos lugares simultáneamente, necesita dos (o más) partículas. Matemáticamente, para describir una partícula, podemos escribir una base de estados de la forma "la partícula está en la ubicación A" y "la partícula está en la ubicación B", y un estado general de una partícula (la función de onda) es una superposición de estos. estados base de las partículas. para describir dosestado de partícula, necesitaríamos una base para estados con dos partículas; tal base incluiría un estado con una partícula en la ubicación A y una partícula en la ubicación B; otro estado base con una partícula en A y una partícula en C; etcétera; y un estado general de dos partículas sería una superposición de estos estados básicos de dos partículas. Tenga en cuenta que, si hubiera algún objeto que pudiera detectarse en dos lugares a la vez, la palabra "partícula" no sería una palabra muy buena para lo que sea que la teoría intentaba describir, ya que se comporta como "dos cosas". sería en nuestro mundo clásico.

Una distinción muy importante y sutil aquí es la diferencia entre un estado y una función de onda. Una función de onda es un estado para una partícula expresado en la base de posición. Un estado es más general y abstracto, y puede expresarse en cualquier base y describir cualquier número de partículas. En particular, para describir correctamente lo que sucede cuando detecta una partícula en la ubicación A, su estadono se puede describir una función de onda para una partícula; también debe incluir el detector en su estado. Inmediatamente después de "colapso" [Copenhague] o "en alguna rama" [muchos mundos], el estado del sistema se describe mediante una combinación como "la partícula en A y el detector en A vieron algo". Si insiste en usar una imagen de función de onda, debe imaginar que la función de onda es una función en un espacio que no solo incluye la posición de la partícula, sino también los posibles estados del detector. Entonces, inmediatamente antescolapso [Copenhague] o considerando todas las ramas [muchos mundos], hay un "pico" en la función de onda cerca de "partícula en A y detector A encendido" y un "pico" cerca de "partícula en B y detector B encendido" pero la función de onda cerca de "partícula en A y detector B encendido" es cero. Hay un artículo maravilloso de Mott que describe esto muy claramente [1].

(Me doy cuenta de que es un poco una contradicción para mí decir que la respuesta es tautológica y depende de algo muy sutil; en mi defensa, diría que la respuesta es tautológica si entiende completamente la mecánica cuántica, pero muchos estudiantes no logran darse cuenta de la sutil distinción entre estados y funciones de onda al principio, y esto puede conducir a todo tipo de confusión)

Podría preguntarse, ¿ por qué la mecánica cuántica está construida de esta manera? La respuesta es que fue construido para reproducir hechos experimentales como los que di al principio. Si observáramos que las partículas (o "cosas" que probablemente no llamaríamos partículas) a veces se pueden observar en dos lugares a la vez, usaríamos una teoría distinta a la mecánica cuántica para explicar los hechos experimentales. Pero no lo hacemos, y la mecánica cuántica nunca ha fallado en predecir correctamente los resultados de un experimento en los regímenes en los que se puede aplicar.

[1] Nevill Mott, "The Wave Mechanics of α-Ray Tracks", Actas de la Royal Society (1929) A126, pp. 79-84, doi:10.1098/rspa.1929.0205.

La física de partículas, que está discutiendo, tiene una gran base de datos de mediciones experimentales que se ajustan al modelo estándar teórico del campo cuántico, y todas las interpretaciones deben ajustarse a los mismos datos para ser interpretaciones y no una nueva teoría.

Aquí está una de las miles y miles de fotografías de la cámara de burbujas de los experimentos que condujeron al modelo estándar. Es una predicción del modelo estándar de que debería existir Omega menos, y se encontró.

Se interpreta como partículas:

y muestra la generación y decadencia de un${\Omega}^{-},$la partícula que llena la predicción en el decuplet de hadrones.

Llamamos a los kaones, protones, piones "partículas" porque macroscópicamente su huella es la de una partícula cargada con un momento dado que atraviesa un medio ionizable.

¿Crees que tu hipótesis ""lugar A Y lugar B"

podría dar una generación tan coherente de partículas?

La respuesta a su pregunta es que el fotón es el evento de detección, y si solo hay un fotón (emitido), entonces solo hay uno detectado (al mismo tiempo).

Piénselo de esta manera: un fotón es el evento de detección. Cuando solo hay un fotón, solo hay un evento de detección. La distribución de probabilidad de los eventos de detección está asociada con la función de onda del fotón.

Si un fotón realmente atraviesa ambas rendijas (al mismo tiempo), ¿por qué no podemos detectarlo en ambas rendijas (al mismo tiempo)?

En su caso, tiene un emisor de un solo fotón, que emite una excitación en el campo electromagnético, y esta excitación se propaga al detector, donde se detecta (totalmente absorbida) solo una vez (al mismo tiempo), énfasis en el mismo tiempo . El emisor y el campo EM (y su excitación el fotón) y el detector están creando un sistema entrelazado, y solo se permiten aquellos estados en los que el fotón se absorbe una vez (al mismo tiempo).

Dicho esto, tenga en cuenta que hay casos en los que la energía del fotón puede absorberse parcialmente en incrementos en diferentes momentos (no al mismo tiempo), y lo llamamos dispersión inelástica.

https://en.wikipedia.org/wiki/Inelastic_scattering

Otros lo han explicado utilizando el modelo estándar. Pero hay una teoría llamada universo de un electrón (es una teoría falsa/incompleta presentada por John Archibald Wheeler) que postula que todos los electrones y positrones son una sola partícula que se mueve hacia adelante y hacia atrás en el tiempo. Pero el gran fracaso fatal de esta teoría es que predice que el número de electrones y positrones debería ser el mismo o tener una diferencia de 1. Pero sabemos que hay muchos más electrones que positrones. Otro fracaso de esta teoría es que no puede explicar adecuadamente por qué observamos la causalidad cuando consideramos los electrones como partículas diferentes a pesar de que el electrón puede moverse libremente en el tiempo de avance y retroceso.Si estas fallas se resuelven de alguna manera, tal vez tenga sentido que una partícula esté en varios lugares.

¿Se reduce simplemente a "así es el mundo, pregúntale a un filósofo". ¿O hay algo sobre la decoherencia o algo que ayude a darle sentido a esto?

¿Nunca se ha preguntado por qué, en los experimentos de borde y hendidura (incluso con bordes simples, la distribución de intensidad en una pantalla tiene la ecuación de una onda), los bordes no importan? ¿No hay interacción alguna entre el fotón o el electrón y los bordes?

En una discusión en phys.org , se señaló lo siguiente:

En ese momento, la mayoría de los físicos cuánticos adoptaron la filosofía de "cállate y calcula": sigue con el trabajo y no te preocupes por cuestiones filosóficas, solo obtén las predicciones.

Einstein tendría la misma opinión hoy, porque "cállate y calcula" sigue siendo, con mucho, la opinión dominante entre los físicos. El problema con la mecánica cuántica es que, a pesar de ser una teoría matemática extremadamente poderosa y exitosa, ha hecho muy poco para mejorar nuestra comprensión de la naturaleza de la física. Quantum le permite calcular los resultados, pero no proporciona información sobre el motivo de los resultados.

Algunos fenómenos en los que podríamos pensar:

1. La superficie de los bordes, en principio, está hecha de electrones, los electrones externos de los átomos y las moléculas. Estos electrones tienen un campo eléctrico alrededor y un campo magnético.
2. Los espines, que apuntan en las mismas direcciones que los dipolos magnéticos de los electrones, interactúan por el principio de exclusión de Paulis. En resumen, los electrones (superficiales) interactúan.
3. Las cuasipartículas y las excitaciones colectivas (que están estrechamente relacionadas) son fenómenos emergentes que ocurren cuando un sistema microscópicamente complicado, como un sólido, se comporta como si contuviera diferentes partículas que interactúan débilmente en el vacío. Por ejemplo, cuando un electrón viaja a través de un semiconductor, su movimiento se ve perturbado de manera compleja por sus interacciones con otros electrones y con núcleos atómicos.

Una de las posibles conclusiones podría ser que un fotón o un electrón podrían estar bajo la influencia de un grupo de electrones superficiales, que a su vez forman cuasipartículas y provocan una desviación cuantificada de la partícula que pasa.

¿Por qué no se pueden detectar partículas en más de un lugar?

Nunca se ha detectado en más de una posición (hecho empírico) y la razón es que una partícula, ya sea un electrón o un fotón, es una partícula indivisible bajo tales interacciones.