En Mecánica Clásica consideramos partículas como cosas cuya estructura interna para el estudio de algún fenómeno puede ser despreciada. En ese entorno, asociamos partículas a puntos y, a veces, las representamos como bolas muy pequeñas.
En esa comprensión de las partículas, obviamente tienen una posición bien definida. También es una idea bastante fácil de captar intuitivamente, después de todo, vemos cosas macroscópicas en lugares particulares.
Por otro lado, cuando consideramos el modelo matemático de la Mecánica Cuántica las cosas cambian un poco. Para describir una partícula en lugar de dar una ubicación, damos una distribución de probabilidad que indica las probabilidades de detectar la partícula en algún lugar.
En esa nueva configuración, he encontrado dos formas de verlo:
La partícula sigue siendo como en la mecánica clásica: algo que podemos considerar como un punto y visualizar como una pequeña bola. De esa manera, por alguna razón que desconozco, la teoría no nos permite asociarla con una ubicación en particular.
La idea de partícula debe revisarse, no es una pequeña bola que tratamos como un punto, sino algo que se extiende sobre una región. En ese escenario, tenemos que revisar lo que queremos decir con visualizar una partícula para que la interpretación estadística de la función de onda tenga sentido.
Entonces, ¿qué punto de vista es el correcto? Teniendo en cuenta la Mecánica Cuántica, ¿qué es realmente una partícula? ¿Y cómo cerrar la brecha entre la idea de partícula de la Mecánica Clásica y la Mecánica Cuántica?
No existen cosas tales como partículas en el mundo físico. La descripción correcta de "cosas pequeñas" en la mecánica clásica es que la dinámica del movimiento del centro de masa de un objeto extenso es la única cantidad física relevante, mientras que los grados internos de libertad como rotación, vibración, magnetización, temperatura, etc. pueden ser ignorado. Eso nos deja con un triplete abstracto de números que carecen de cualquier descripción del tamaño físico real del objeto (podría ser un planeta o una estrella). QM simplemente dice que este triplete sigue un conjunto diferente de reglas, pero tampoco se requieren partículas.
Ahora, podríamos tener una discusión sobre por qué nuestros educadores de secundaria no presentan a los estudiantes una noción del mundo consistente y físicamente correcta y por qué casi todos parecen estar saliendo de la escuela secundaria con la creencia de que un avión es una colección mágica voladora de bolas infinitesimalmente pequeñas en lugar de un cuerpo físico extendido que tiene tres grados de libertad para el movimiento de traslación, tres grados de libertad de rotación y un número de grados de libertad internos no triviales para el movimiento de las superficies de control y el combustible que se derrama. Después de todo, así es como los ingenieros aeroespaciales miran los aviones reales, seguro que no están jugando con pelotas diminutas. Tampoco lo son los físicos cuando hacen física, por cierto. Los físicos hablan del movimiento del centro de masa en la mecánica clásica y de los cuantos resultantes de las mediciones en la mecánica cuántica. ¡No hay bolas de ningún tipo en ningún momento!
Seamos claros en lo que llamamos una partícula. Es un objeto del que puedes medir sus propiedades físicas como energía, impulso, carga o giro. Ninguno de ellos es espacio y por una buena razón: el espacio (o el tiempo) no es una propiedad intrínseca de una partícula.
El espacio es un medio útil para describir el universo y las partículas en él, nadie podría negarlo. Pero por lo que cualquiera puede decir, el espacio se encuentra en nuestra imagen mental/teoría del mundo y no se puede medir de ninguna manera. Por ejemplo, el tiempo se define hoy en día con respecto a la frecuencia de la onda emitida por una transición de espín entre dos niveles de energía, es decir, es una medida de energía debida a . Más importante aún, el espacio sigue un camino similar, ya que se define a través del comportamiento de la luz a través del tiempo.
Sin embargo, esta existencia del tiempo es un debate filosófico, y otro punto de vista al respecto es la absolutidad. Newton habría dicho que el tiempo no depende del ser humano y que existe absolutamente, mientras que Kant o Leibniz habrían compartido mi opinión anterior.
Volviendo al tema, como no hay forma de medir el "espacio de una partícula", es irrelevante preguntarse cómo se ve una partícula en el espacio. Una partícula es simplemente un conjunto de observables.
En cuanto a qué representación de partículas es la mejor entre las clásicas "bolas" y las ondas cuánticas de probabilidad, estas últimas tendrían más sentido porque una pelota tendría un borde y la definición de tal discontinuidad entre la existencia y el vacío llevaría a consecuencias problemáticas. Además, la representación como una pelota clásica proviene de la gran diferencia de tamaño entre la herramienta de medición y la partícula (buscar decoherencia). Al idear experimentos más precisos, como los experimentos de rendijas de Young, se exhibe un comportamiento similar a una onda.
Para concluir, la mejor representación de lo que es una partícula depende de lo que hagas con ella. Si observa un gran conjunto de partículas (como estudiar el movimiento de un avión), usar la representación QM es inútil. Si observa un pequeño conjunto de partículas como proteínas biológicas, usar la representación cuántica es una buena idea.
La idea de que la partícula está "esparcida" sobre una región está más cerca de la realidad. Como dices, en QM la posición de una partícula se describe con una distribución de probabilidad. Solo que esa no es una descripción del todo correcta. Sería más correcto decir que las partículas no tienen posición, tienen superposición. La superposición se describe usando una "función de onda" compleja (lo que significa que usa números imaginarios), cuya parte real es la distribución de probabilidad en la que estás pensando.
Tratar de pensar en la partícula como "realmente" en algún lugar es engañoso y lo meterá en problemas. Del mismo modo, tratar de pensar que tiene una velocidad "real" también es incorrecto. En su lugar, tienes que jugar con las matemáticas de las funciones de onda. Las matemáticas no son demasiado difíciles, ¡pero ciertamente no atraen la intuición de nuestro cerebro de mono!
El material didáctico abierto del MIT tiene una serie de conferencias sobre QM . Solo mirar las primeras conferencias es inmensamente útil para tener una idea de cómo funciona QM y sus peculiaridades. Como dije, las matemáticas no son demasiado difíciles. Es más una cuestión de envolver tu cabeza en ideas que están bastante fuera del mundo macroscópico que estamos hechos para entender.
La forma en que me gusta entender las partículas es con una analogía con nuestro sistema solar. Partículas como las estrellas y los planetas forman el todo, siendo el todo algo que percibimos como una entidad o sistema completo. El todo es la "función de onda" y las partículas son las unidades que componen la función de onda.
Además, un objeto sin masa todavía contiene partículas. Hasta la fecha no existe una partícula sin partículas. Además, considero que el espacio es la entidad sin partículas que contiene todas las partículas.
una mente curiosa