¿Qué es una ola? ¿Qué es una partícula?

Estoy leyendo un libro de David Bohm sobre teoría cuántica. Él dice que la idea de que la luz es tanto una partícula como una onda es incompatible:

(1) sabemos que la luz tiene propiedades similares a las de las partículas a través del efecto fotoeléctrico

(2) sabemos que la luz también tiene propiedades ondulatorias debido a los experimentos con rendijas.

Luego explica por qué son incompatibles.

Pero, ¿qué es una "partícula"? ¿Qué es una "ola"? ¿Qué significan estos términos exactamente ? Sé lo que significan vagamente. Una partícula significa algo que ocupa una posición espacial. Una onda es como una densidad o algo definido con picos, valles y nodos sobre una región espacial. Pero quiero algo más riguroso y más preciso que estas vagas definiciones para saber a qué me refiero cuando uso el término.

Me gustaría que las definiciones se establecieran como establecemos los axiomas en matemáticas, clara y específicamente. En matemáticas, digo que un espacio vectorial es cerrado bajo suma si X , y ∈ V implica X + y ∈ V . Esas son afirmaciones muy específicas.

¿Puede alguien hacer algo igualmente claro y específico con onda y partícula?

Muchos comentarios borrados. Physics SE no es un lugar para arreglar Internet .
Una "partícula puntual" en la mecánica clásica es el concepto de que uno puede aproximar el movimiento de un objeto real extendido por el movimiento de su centro de masa. Si nos atenemos a esta ontología, no tiene sentido decir que el efecto fotoeléctrico implica propiedades de las partículas. Una "onda" en la mecánica clásica es el movimiento colectivo de un sólido, líquido o gas. En electrodinámica clásica es la propagación de energía en un campo de vacío. Los experimentos de rendija no muestran ningún parecido con ese tipo de movimiento ondulatorio porque los cuantos individuales muestran efectos de interferencia sin que haya un "colectivo".
@CuriousOne bien lo hacen. De lo contrario, el término "dualidad onda-partícula" no habría aparecido.
@Ruslan: El término dualidad onda-partícula apareció porque, de lo contrario, las personas muy inteligentes estaban muy confundidas. Es un artefacto histórico de esa confusión, al igual que "éter" es el resultado de otro. Si aplica la definición clásica correcta de "partícula puntual" como la aproximación que ignora los grados de libertad internos y los momentos de inercia del movimiento de objetos reales extendidos, entonces no puede encontrar una forma lógica de usarla en el contexto del efecto fotográfico. . No hay objetos extendidos allí que necesiten ser aproximados.
@CuriousOne, ¿puede dar más detalles sobre lo que quiere decir con "sin que haya un colectivo"?
Las ondas clásicas provienen de fenómenos que ocurren en volúmenes bien definidos de medios continuos como el agua o el aire, un líquido que se puede verter de un vaso a otro, un gas que se puede contener en una jarra. Estos medios se pueden dividir en partes que se comportan igualmente y hemos llegado a entender las "ondas" como desplazamientos lineales de estas partes contra el todo. Estos desplazamientos se pueden medir continuamente en todo el volumen sin perturbar las olas. Pero si tratamos de medir incluso un pequeño volumen del sistema cuántico además del detector, la calidad de "onda" desaparecerá.
Si la calidad de la onda desaparece, ¿en qué se convierte? Obviamente, este es el principio de incertidumbre de Heisenberg. ¿Pero estás diciendo que un electrón es una onda o se mueve como una onda y es una partícula? Sospecho que tampoco jajaja. Pero los diagramas que anna describió en su respuesta hacen que parezca que la trayectoria del electrón es una onda en lugar de su localización y que en realidad se manifiesta como una partícula si alguna vez tiene una ubicación espacial definida. En otras palabras, una ondulación en el océano se define como un cambio en el estado de los medios. No es una cosa. Es como los fonones. Pero una partícula podría tener
localización y moverse como una ola. No estoy tratando de ser difícil. Estoy confundido y probablemente poco claro como resultado.

Respuestas (2)

Los conceptos "partícula" y "onda" partieron de la física clásica y del uso cotidiano de los términos, para empezar. Una partícula de polvo entró en el ojo de uno, y el mar tenía olas enormes.

La física entró en su reinado cuando las matemáticas se utilizaron seriamente para modelar las observaciones.

Para la física clásica, "partícula" significa una entidad con una masa pequeña y un centro de masa rastreado en las coordenadas (x, y, z) en el tiempo t. Las soluciones de ecuaciones diferenciales cinemáticas describieron la trayectoria con precisión determinada por errores experimentales.

Para la física clásica, las ondas se modelaban mediante funciones sinusoidales, es decir, funciones que eran la solución de "ecuaciones de ondas", podían describir el comportamiento de las ondas marinas, las ondas sonoras y finalmente las ondas electromagnéticas. Clásicamente, una onda es una variación de una cantidad medible como energía, o campo eléctrico, en el espacio en un tiempo dado t, y los modelos teóricos fueron muy exitosos en describir las observaciones de distribuciones periódicas de energía en materia a granel, e incluso en el espacio vacío ( ondas electromagnéticas).

Entonces la mecánica cuántica se hizo necesaria, a partir de la discreción de los átomos, el espectro de radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico, finalmente se entendió que había regiones en las variables medidas que mostraban una cuantización de la energía.

Sucede que las ecuaciones que describen con éxito el estado mecánico cuántico de la materia fueron ecuaciones diferenciales con soluciones sinusoidales, es decir, ecuaciones de onda, como la ecuación de Schrödinger . Las soluciones para el átomo de hidrógeno pudieron explicar la serie espectral adhoc asignada por el modelo de Bohr, SI se asumía el postulado de que la función de onda al cuadrado no representaba la energía del electrón en (x,y,z) en el tiempo t, sino una distribución de probabilidad. es decir, si uno acumula con las mismas condiciones de contorno un gran número de medidas y traza las distribuciones (x,y,z) en el tiempo t, uno sabrá qué tan probable es encontrar el electrón en esa ubicación.

Como ejemplo, esto es similar a hacer un censo de la población de una ciudad por edad y medir la probabilidad de que la primera persona que conozcas tenga 8 años. La función de la función de onda es precisamente eso, dar probabilidades matemáticamente que se verifican experimentalmente y han sido muy precisas.

La parte de la "onda" confunde y sigue confundiendo a la gente, porque piensan que la entidad mecánica cuántica, el electrón por ejemplo, se despliega según la solución de la ecuación de Schrödinger. Esto es un malentendido, como muestran los experimentos de interferencia de doble rendija con electrones individuales entrantes:

dbl hendidura solo electrón

Tenga en cuenta la foto superior, donde el electrón incide en la pantalla, es un electrón completo. Sin embargo, el patrón de probabilidad acumulado muestra claramente el efecto de interferencia que se espera de la forma sinusoidal de las funciones de onda que describen al electrón cuando golpea las rendijas y atraviesa una u otra.

La faceta de "partícula" del electrón es que aparece como un punto en (x,y,z_0) de la pantalla, y la faceta de "onda" es la distribución de probabilidad que se muestra en sus trayectorias.

Si uno se está convirtiendo en físico, es simple aceptar este hecho, que el microcosmos se comporta de manera diferente al mundo macroscópico al que estamos acostumbrados. Bohm estaba atascado en marcos clásicos e intentó derivar las probabilidades de la mecánica cuántica a partir de una descripción clásica subyacente. Logró reproducir los mismos resultados que las soluciones mecánicas cuánticas habituales, pero afaik su modelo es complicado y limitado, y no puede extenderse a una segunda cuantización donde el juego de pelota se ha ido ahora.

¿Bohm está desactualizado? Soy cauteloso de leer personas con puntos de vista que no son lo suficientemente actuales o no lo suficientemente convencionales. ¿Sugeriría que lea a alguien más para aprender más sobre la teoría cuántica? Si es así, ¿alguna recomendación?
Sí, Bohm está desactualizado y no es convencional, aunque creo que existen personas que llevan a cabo esas líneas de investigación. Para la corriente principal, pruebe las recomendaciones en este sitio physics.stackexchange.com/questions/33215/…
@annav: eso no es cierto, no, en absoluto. La interpretación de Bohm se considera una valiente prueba para deshacerse del postulado del "colapso". Si este ensayo es bueno, esa es otra cuestión. Hay investigadores serios dispuestos a admitir que existe, en el mundo microscópico, un marco preferente. Tuve largas conversaciones con esa gente. Y hubo experimentos (el grupo de Gisin) tratando de encontrar si puede existir un marco preferido para las partículas cuánticas. Pero los experimentos no fueron concluyentes. Por lo tanto, en la medida en que no podamos refutar la existencia de un marco preferido, no podemos descartar la interpretación de Bohm.
@Sofia, digo que no es la corriente principal y también menciono que hay personas que todavía están trabajando en ello. De las diversas formas en que uno puede expandir incluso una función matemática simple, siempre es posible tener formas mucho más complicadas de llegar a la misma predicción. No hay razón para adoptar el camino más complicado y sí muchas razones para seguir con el más simple.
@annav, déjame contarte de mis contactos. A nadie le gusta el colapso. La gente no está lista para aceptarlo. Aquí no son matemáticas, es física. El QM no puede explicar la medición. QM no es una teoría completa, tan simple como eso, necesita algo de afuera, y ese algo no se entiende del todo. Sobre la interpretación de Bohm, no es una forma más complicada. Su matemática es simple, plausible, mucha gente cree en ella. Y es una matemática muy bien desarrollada, hay muchos libros sobre ella. Desafortunadamente, está en desacuerdo con la relatividad.
@Sofia que está en desacuerdo con la relatividad lo hace inútil para describir todos los datos existentes en altas energías. Luego se convierte en matemáticas y ciencia ficción. La física no se trata de consenso o aceptación. No uso colapso como término, no más de lo que lo usaría para las probabilidades clásicas. La mecánica cuántica explica hasta ahora los datos del microcosmos, no se rompen para arreglarse a menos que aparezca una discrepancia con los datos. No "gustos" y "no gustos" de las matemáticas por parte de la gente.
@annav, hola! No soy partidario de la mecánica de Bohm (BM). BM tiene problemas adicionales de no ser apto para describir fotones. Ahora, el hecho de que no uses el término "colapso" es un asunto personal. La comunidad cuántica tiene el problema del colapso. Además, en la física de altas energías no se comparan las predicciones de dos observadores que viajan en direcciones opuestas, ¿verdad? Esta comparación es el problema de BM con la relatividad. Como alguien que investigó bastante profundamente el BM, puedo decir que no es ciencia ficción. Mi sensación es que la verdad está en algún lugar entre BM y QM, pero no podemos decir dónde.
@Sofia Tenemos partículas elementales interactuando y moviéndose con energías muy altas en diferentes direcciones. Los observadores humanos que corren a la velocidad de la luz son un juego intelectual en mis libros, no una situación verificable experimentalmente.
@annav: llegamos a un punto en el que cada uno de nosotros entiende lo que habla el otro. Espero en Dios que podamos verificar el BM, incluso sin marcos móviles. Como veo en mis conversaciones con conocidos, la gente en general está dispuesta a cerrar los ojos ante las dificultades con los fotones esperando soluciones futuras. Pero si, como me temo, los resultados de mi investigación son negativos, es decir, BM incorrecto, sería un duro golpe para nosotros. Es difícil aceptar quedarse con el derrumbe, que nuestra mente no entiende. Y nuevamente, evitar la palabra, no ayudará. Bueno, hora de dormir. ¡Felices sueños!
@annav: Me disculpo por molestar. Sentí la necesidad de añadir algunas palabras más. Verá, no es BM aquí bajo el signo de interrogación. Es la mente humana . ¿Somos o no somos capaces de comprender la naturaleza? Mi maestro y amigo duda del poder de la mente humana. No puedo aceptar tal cosa. Si nuestra mente no es capaz de comprender la naturaleza, entonces más allá de la esquina nos espera la oscuridad, el misticismo. Bueno, de nuevo, ¡buenas noches!
@Sofia Cuando tiro los dados y sale 4 en la cara, no digo que haya un colapso de la probabilidad en 4. La probabilidad es solo una distribución, un lanzamiento es una instancia en la distribución. ¿Qué no hay que entender en eso? mi hora de dormir también. buenas noches
Aclare el párrafo anterior al último. ¿Quiere decir que la partícula es lo que observa en la pantalla cuando un electrón se adhiere a ella y Wave es lo que aparece cuando un conjunto completo de electrones golpea la pared? No hay onda asociada a partícula sino a conjunto de partículas. ¿Es esto lo que estás diciendo?
@annav Deja claro lo anterior.
@YoungKindaichi Una partícula existe en interacciones individuales, como se puede ver en los puntos de los cuadros de arriba. Cada punto es una huella de una interacción con las rendijas dobles. Los electrones son entidades mecánicas cuánticas, y la mecánica cuántica solo puede predecir. una distribución de probabilidad, y necesita un número de partículas con las mismas condiciones de contorno medidas de la misma manera (con los puntos en la pantalla). Es la distribución de probabilidad dada por el cuadrado complejo conjugado de la función de onda ( Ψ ) Ψ ∗ Ψ que muestra efectos de interferencia.
@annav así que aquí no hay onda, después de todo, solo una partícula y una distribución de probabilidad.
¿Alguna posibilidad de que la existencia de "partículas" sea solo una ilusión, una manifestación de una onda? es decir, las ondas tienen propiedades discretas, como números de onda, que pueden manifestarse como partículas. El experimento de la doble rendija: todo lo que realmente sabemos es que la energía de la entidad se depositó en un lugar particular, no que la entidad sea una partícula. ¿Es posible interpretar correctamente una partícula como manifestación de una onda? es decir, ¿energía de onda envuelta sobre sí misma?
No en las teorías de la mecánica cuántica de la corriente humana. Existen varias teorías que intentan determinar las distribuciones de probabilidad a partir de niveles deterministas subyacentes. Consulte las publicaciones de 't physics.stackexchange.com/users/11205/gt-hooftHooft's aquí en este sitio

Una partícula es simplemente un trozo de materia.

Una onda es un tipo de movimiento oscilatorio (que vibra hacia arriba y hacia abajo en las crestas y valles).

No hace mucho tiempo en la historia de la ciencia, los científicos solían pensar que una partícula en movimiento se mueve estrictamente en línea recta (siempre que ninguna otra fuerza actúe sobre ella). También solían pensar que las radiaciones electromagnéticas no contienen materia alguna y son solo una expresión de energía. Luego, Planck dio su famosa ley de que todo objeto en movimiento, de hecho, se mueve como una onda (con oscilaciones) y no exactamente como una línea recta. Cuanto más pesado es el objeto, menor es la oscilación (y mayor la longitud de onda). La radiación electromagnética son, de hecho, partículas extremadamente ligeras (llamadas fotones) que viajan a través del espacio en movimiento oscilatorio.

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