В классической механике мы рассматриваем частицы как вещи, внутренней структурой которых в целях изучения какого-либо явления можно пренебречь. В этом случае мы связываем частицы с точками и иногда представляем их в виде очень крошечных шариков.
В таком понимании частиц они, очевидно, имеют четко определенное положение. Кроме того, эту идею довольно легко понять интуитивно, ведь мы видим макроскопические вещи в определенных местах.
С другой стороны, когда мы рассматриваем математическую модель квантовой механики, все немного меняется. Чтобы описать частицу, вместо определения местоположения мы даем распределение вероятностей, которое говорит о вероятности обнаружения частицы где-либо.
В этой новой обстановке я нашел два способа взглянуть на это:
Частица такая же, как в классической механике: нечто, что мы можем рассматривать как точку и визуализировать как крошечный шарик. Таким образом, по какой-то причине, я не знаю, теория не позволяет нам связать это с конкретным местом.
Идея частицы должна быть пересмотрена, это не какой-то крошечный шарик, который мы рассматриваем как точку, а нечто, распределенное по области. В этой ситуации нам нужно пересмотреть то, что мы подразумеваем под визуализацией частицы, чтобы статистическая интерпретация волновой функции имела смысл.
Так какая точка зрения правильная? С точки зрения квантовой механики, что на самом деле представляет собой частица? И как преодолеть разрыв между идеей частицы из классической механики и квантовой механики?
В физическом мире нет таких вещей, как частицы. Правильное описание «малых вещей» в классической механике состоит в том, что динамика движения центра масс протяженного объекта является единственной соответствующей физической величиной, в то время как внутренние степени свободы, такие как вращение, вибрация, намагниченность, температура и т. д., могут быть проигнорировано. Это оставляет нас с абстрактной тройкой чисел, в которой отсутствует какое-либо описание фактического физического размера объекта (это может быть планета или звезда). КМ просто говорит, что этот триплет подчиняется другому набору правил, но при этом никаких частиц не требуется.
Теперь у нас может быть дискуссия о том, почему наши преподаватели старших классов не могут дать учащимся последовательное и физически правильное представление о мире и почему почти все, кажется, заканчивают среднюю школу с верой в то, что самолет — это волшебная летающая коллекция бесконечно малые шарики, а не протяженное физическое тело, имеющее три степени свободы для поступательного движения, три степени свободы вращения и ряд нетривиальных внутренних степеней свободы для движения рулей и выплескивания топлива. Ведь именно так аэрокосмические инженеры смотрят на настоящие самолеты, они точно не играют с мелкими шариками. Между прочим, и физики, когда занимаются физикой. Физики говорят о движении центра масс в классической механике и о квантах, возникающих в результате измерений в квантовой механике. Никаких балов в любое время!
Давайте проясним, что мы называем частицей. Это объект, физические свойства которого, такие как энергия, импульс, заряд или вращение, можно измерить. Ни одно из них не является пространством, и на то есть веская причина: пространство (или время) не является неотъемлемым свойством частицы.
Пространство является полезным средством для описания Вселенной и частиц в ней, никто не может этого отрицать. Но, насколько кто-либо может сказать, пространство находится в нашем ментальном образе/теории мира и не может быть измерено никаким образом. Например, в настоящее время время определяется по частоте волны, испускаемой спиновым переходом между двумя энергетическими уровнями, т. е. является мерой энергии, обусловленной . Что еще более важно, пространство идет тем же путем, поскольку само определяется поведением света во времени.
Однако это существование времени является философским спором, а другая точка зрения на это — абсолютность. Ньютон сказал бы, что время не зависит от человека и существует абсолютно, тогда как Кант или Лейбниц разделили бы мое прежнее мнение.
Вернемся к делу, поскольку нет способа измерить «пространство частицы», поэтому не имеет значения, как частица выглядит в космосе. Частица — это просто набор наблюдаемых.
Что касается вопроса о том, какое представление частиц является лучшим между классическими «шарами» и квантовыми волнами вероятности, то последнее имело бы больше смысла, потому что у шара была бы граница, и определение такого разрыва между существованием и пустотой привело бы к проблемные последствия. Более того, представление в виде классического шара происходит из-за большой разницы в размерах между измерительным инструментом и частицей (обратите внимание на декогеренцию). При разработке более точных экспериментов, таких как эксперименты Юнга с щелями, проявляется волнообразное поведение.
В заключение, лучшее представление о том, что такое частица, зависит от того, что вы будете с ней делать. Если вы смотрите на огромный набор частиц (например, изучаете движение самолета), использование QM-представления бесполезно. Если вы посмотрите на небольшой набор частиц, таких как биологические белки, использование квантового представления будет хорошей идеей.
Идея о том, что частица «размазана» по области, ближе к истине. Как вы говорите, в КМ положение частицы описывается распределением вероятностей. Только это не совсем верное описание. Правильнее было бы сказать, что у частиц нет положения, у них есть суперпозиция. Суперпозиция описывается с помощью сложной (т. е. использующей мнимые числа) «волновой функции», реальной частью которой является то распределение вероятностей, о котором вы думаете.
Попытка думать о частице как о том, что она «на самом деле» где-то находится, выглядит благовидно и приведет к неприятностям. Точно так же ошибочно пытаться думать об этом как о «реальной» скорости. Вместо этого вы должны играть с математикой волновых функций. Математика не слишком сложна, но уж точно не обращается к интуиции наших обезьяньих мозгов!
Курсы MIT Open содержат серию лекций по QM . Просто просмотр первых нескольких лекций чрезвычайно полезен для понимания того, как работает QM и его особенностей. Как я уже сказал, математика не слишком сложна. Это скорее вопрос обдумывания идей, которые находятся за пределами макроскопического мира, для понимания которого мы созданы.
Я предпочитаю понимать частицы по аналогии с нашей солнечной системой. Частицы, подобные звездам и планетам, составляют целое, которое мы воспринимаем как завершенную сущность или систему. Целое — это «волновая функция», а частицы — единицы, составляющие волновую функцию.
Кроме того, безмассовый объект все еще содержит частицы. На сегодняшний день не существует частицы без частиц. Кроме того, я считаю пространство сущностью без частиц, содержащей все частицы.
Любопытный Разум