Что такое частица на самом деле?

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?

Связанный/возможный дубликат: Концепция частицы в КТП

Ответы (4)

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!

«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. можно игнорировать». Что неправильного в том, чтобы включить эти вещи? Они существуют и могут быть объяснены математически. Например, кинетическая теория газов и жидкостей объясняет вращение молекул.
О, нет абсолютно ничего плохого в том, чтобы включить их, если они важны для физики, которую мы анализируем. Как вы сказали, они имеют большое значение для кинетической теории газов, атомных и молекулярных спектров, магнетизма, химии и т. д. Моя точка зрения состоит в том, что было бы ошибкой преподавать физику снизу вверх на крошечных шариках без внутренних внутренних характеристик. Наоборот, есть сложные объекты, которые в определенных случаях могут быть сведены к x, y и z, но, как вы упомянули, в большинстве случаев они не могут.

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 Е "=" час ν . 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.