¿Realmente los electrones realizan saltos cuánticos instantáneos?

¿Los electrones cambian de orbital según QM instantáneamente?

En toda interpretación razonable de esta pregunta, la respuesta es no . Pero hay razones históricas y sociológicas por las que mucha gente dice que la respuesta es sí.

Considere un electrón en un átomo de hidrógeno que cae del$2p$estado a la$1s$estado. El estado cuántico del electrón a lo largo del tiempo será (suponiendo que uno pueda rastrear el entorno sin problemas)

La razón por la que algunas personas podrían llamar a esto un salto instantáneo se remonta a los orígenes mismos de la mecánica cuántica. En estos tiempos arcaicos, los físicos antiguos pensaban en la$|2 p \rangle$y$|1 s \rangle$estados como órbitas clásicas de diferentes radios, en lugar de los orbitales atómicos que conocemos hoy. Si toma esta visión ingenua, entonces el electrón realmente tiene que teletransportarse de un radio a otro.

Se debe enfatizar que, aunque la gente no dejará de transmitir esta información errónea , esta visión es completamente errónea . Se sabe que está mal desde el advenimiento de la ecuación de Schrödinger casi$100$hace años que. La función de onda$\psi(\mathbf{r}, t)$evoluciona perfectamente de forma continua en el tiempo durante este proceso, y no tiene sentido cuando se puede decir que se ha producido un salto "instantáneamente".

Una razón por la que uno podría pensar que los saltos ocurren incluso cuando los sistemas no se están midiendo, si tiene un aparato experimental que solo puede responder a la pregunta "¿es el estado$|2p \rangle$o$|1s \rangle$", entonces, obviamente, solo puede obtener uno u otro. Pero esto no significa que el sistema deba teletransportarse de uno a otro, más que solo decir sí o no a un niño que constantemente pregunta "¿Ya llegamos?" significa que tu coche se teletransporta.

Otra razón, menos defendible, es que la gente simplemente lo está pasando porque es un ejemplo bien conocido de "espeluznante cuántico" y un tótem de cuán poco intuitiva es la mecánica cuántica. Que sería, si fuera realmente cierto. Creo que explicaciones innecesariamente misteriosas como esta dañan la comprensión pública de la mecánica cuántica más de lo que ayudan.

¿Este cambio está limitado por la velocidad de la luz o no?

En el contexto de la mecánica cuántica no relativista, nada está limitado por la velocidad de la luz porque la teoría no conoce la relatividad. Es fácil tomar la ecuación de Schrödinger y establecer una solución con una partícula que se mueve más rápido que la luz. Sin embargo, los resultados no serán confiables.

Dentro de la mecánica cuántica no relativista, no hay nada que impida$c_1(t)$de ir de uno a cero arbitrariamente rápido. En la práctica, esto será difícil de realizar debido al principio de incertidumbre de energía-tiempo: si desea forzar al sistema a establecerse en el$|1 s \rangle$estado dentro del tiempo$\Delta t$, la energía total tiene una incertidumbre$\hbar/\Delta t$, que se hace grande. No creo que las limitaciones de la velocidad de la luz sean relevantes para los procesos comunes de emisión atómica.

1. No. La transferencia de estado instantánea viola la causalidad, que es una premisa de todas las teorías deterministas racionales en la filosofía natural. Como dos imanes que hacen clic juntos una vez que están muy cerca, la transferencia de estado puede ocurrir muy rápidamente en relación con nuestra percepción y, por lo tanto, puede considerarse "aproximadamente" instantánea, pero esta aproximación solo se aplica a los sistemas que no toman períodos de tiempo de esta granularidad más fina. en cuenta. El término "instantáneo" a menudo es una hipérbole , ya que depende de su intervalo de medición; todo lo que transmite es que el evento ocurre dentro de un lapso de tiempo demasiado pequeño para medirlo con el presente aparato.
2. No veo por qué la velocidad de la transferencia estaría limitada por la velocidad percibida de la luz.

un electrón actúa principalmente como una onda. Un electrón atómico se esparce en formas de onda parecidas a nubes llamadas "orbitales". Si observa de cerca los diversos orbitales de un átomo (por ejemplo, el átomo de hidrógeno), verá que todos se superponen en el espacio. Por lo tanto, cuando un electrón pasa de un nivel de energía atómica a otro nivel de energía, en realidad no va a ninguna parte. Simplemente cambia de forma. Las formas orbitales con más fluctuaciones (con más altos, bajos y curvas en su forma) contienen más energía. En otras palabras, cuando un electrón pasa a un nivel de energía atómica más bajo, su forma de onda cambia para tener menos torceduras. Pero el electrón no "salta" a ninguna parte. Obtuve esta respuesta de aquí y me convenció.

(Una edición para todos los editores: sé que 'Cómo editar' dice 'corregir errores gramaticales y ortográficos'; pero antes de comenzar a corregir '-sing' a '-zing', verifique con un diccionario si esto es de hecho, la ortografía del inglés británico. No todos somos de los Estados Unidos;-)

Esta es una buena pregunta, ciertamente en el sentido de que plantea algo que aún no estamos equipados para responder con mucha certeza; por lo tanto, nos provoca a pensar más. No puedo darte una mejor respuesta que la que ya ha hecho knzhou.

Sin embargo, creo que vale la pena repetirlo, que QM es muy difícil de entender, sobre todo porque trata de explicar las observaciones que se hacen, en cierto sentido, arrojando muchas partículas con bastante fuerza a algo muy pequeño, desde muy lejos, y luego ver que pasa. No tenemos forma de observar un electrón moviéndose alrededor de un núcleo, incluso si lo hace; nuestros métodos de observación nos obligan a pensar en términos puramente estadísticos acerca de lo que realmente equivale a "estados estacionarios": electrones esparcidos sobre un orbital.

QM hace un trabajo maravilloso, sin duda, pero creo que es razonable preguntar si esto se debe a que ofrece una visión genuina de lo que hacen o son las partículas individuales; o si esto se debe más bien al uso de estadísticas inteligentes. En analogía, piense en cómo no podemos predecir lo que hará una persona individual en el transcurso de un día, pero podemos hacer muy buenas predicciones de lo que es probable que haga una población.

Editado el 2 de julio de 2019

Todo el tema de la mecánica cuántica sigue siendo un área de controversia, lo que para mí es un signo de buena salud; la ciencia se trata en esencia de escudriñar y desafiar la teoría. Eso, sin embargo, también significa que nunca podemos pronunciar con absoluta certeza que conocemos la verdad; se encuentra en la naturaleza lógica del método empírico: los experimentos, por sofisticados que sean, pueden, incluso en la situación ideal de medición perfecta, solo refutar una predicción teórica con absoluta certeza. "El rendimiento pasado no es garantía de resultados futuros" es aún más cierto en la ciencia que en el mundo de las inversiones.

Entonces, sobre votar negativamente; No me importa, pero deja un comentario para explicar por qué, no seas un cobarde anónimo. Creo que aquellos de nosotros que nos tomamos el tiempo y hacemos el esfuerzo de responder las preguntas a veces muy difíciles que hace la gente, merecemos algo mejor, por un lado. Y, por supuesto, si tienes una idea, ¿por qué no compartirla?

@TCooper: Estoy completamente de acuerdo con su opinión: las personas interesadas en la ciencia se sienten atraídas exactamente por las preguntas sin respuesta; son curiosos y se sienten entusiasmados con las cosas que aún están por descubrir.

"bosón termomagnético condensado": la respuesta de kzhou es en gran medida la respuesta QM correcta y ortodoxa, pero hay mucha incertidumbre acerca de por qué tiene sentido lógico hablar de funciones de onda en primer lugar. De hecho, es importante comprender esta parte, sobre todo porque, por un lado, sabemos que QM y la Relatividad General no son compatibles y, por otro lado, las funciones de onda como simplemente funciones de valores complejos no tienen sentido cuando el espacio es no plano; al menos tendrán que ser secciones del haz complejo sobre la variedad espacio-temporal.

Me parece que la función de estado cuántico evoluciona continuamente según la ecuación de Schrödinger, pero eso refleja solo la probabilidad de la medición en un estado u otro. La transición en sí debe ser tan instantánea como sea posible porque se produce un fotón y los niveles de energía en los campos cuánticos son discontinuos, solo puede ser instantáneo.