Действительно ли двойные щели возникают из-за волновой интерференции?

Если вы поищите на этом сайте двойственность волновых частиц или что-то подобное, вы найдете множество вопросов, касающихся этой и связанных с ней проблем.

Наиболее полное описание частиц, которое у нас есть, состоит в том, что они являются возбуждениями в квантовом поле — это называется квантовой теорией поля . При одних обстоятельствах эти возбуждения могут вести себя как частицы, а при других — как волны. Если вы возьмете свой пример эксперимента Юнга с щелями, можно рассчитать дифракционную картину с помощью квантовой теории поля , но беглый взгляд на статью, на которую я дал ссылку, должен убедить вас, что это непростое дело. Однако в этом эксперименте использование волновой модели является очень хорошим приближением, потому что свет ведет себя очень похоже на волну. И волновой расчет достаточно прост, чтобы его можно было преподавать школьникам, в то время как квантовую теорию поля не изучают до поступления в аспирантуру.

Таким образом, хотя с технической точки зрения можно сказать, что дифракционная картина не вызвана волнами, для всех практических целей мы можем относиться к ней так, как если бы это было так.

Корпускулярно-волновой дуализм — это старая концепция, которая не имеет никакой значимой объяснительной силы. Это не то, как мы подходим к квантовой механике сегодня. По правде говоря, учить корпускулярно-волновому дуализму так же плохо, как вводить теорию относительности с подробным объяснением эфира только для того, чтобы закончить этот урок фразой «и именно поэтому теория эфира совершенно неверна».

Да, вы правы, классические волны НЕ являются действительной иллюстрацией квантовой механики, но они являются допустимым пределом квантовой механики (для большого числа частиц). Это может звучать как противоречие, но становится ясным, когда вы понимаете разницу между попыткой найти классическое объяснение квантовой механики (которой не существует) и способностью квантовой механики объяснить всю классическую физику как частный случай.

Также неверно говорить, что отдельные фотоны мешают друг другу. Это тоже не то, что происходит.

У вас есть несколько вариантов подхода к этой теме. Вы можете переходить с одной плохо написанной веб-страницы на другую, или вы можете прочитать книгу Фейнмана об этом: «КЭД: странная теория света и материи», которая очень хорошо объясняет, что такое квантовая механика на самом деле. Фейнман делает это намного лучше, чем большинство из нас, и я бы отдал ему предпочтение перед всем, что я или большинство других людей могли бы написать на эту тему.

Основная путаница возникает из-за того, что люди не понимают, что, когда говорят о дуальности волновых частиц, волновая часть принадлежит распределению вероятностей , которое можно рассчитать, используя квантово-механические решения для рассматриваемой проблемы.

Решения называются волновыми функциями, потому что они имеют синусоидальные выражения, характерные для макроскопической волны. В отличие от водяных волн или волн давления, квантово-механическое описание волн не описывает перенос энергии в пространстве. Один и тот же эксперимент необходимо провести статистически большое количество раз, чтобы, например, получить распределение вероятностей для двойных щелей. Последовательные экспонирования через две щели по одному электрону за раз ясно показывают это.

Отдельный электрон не является волной в пространстве, его масса и энергия бегают волнообразно. У него просто есть вероятность , когда он удовлетворяет граничным условиям двух щелей, чтобы рассеяться в направлении, контролируемом распределением вероятности волны. Вначале это выглядит случайным, накопление представляет собой интерференционную картину, характерную для волнового уравнения. решения.

Итак, есть ли на самом деле необходимость использовать волновую интерференцию для объяснения явления, или мы можем просто констатировать, что паттерн в некотором роде вероятностный, не привлекая «жутких» объяснений?

«Жуткие» объяснения исходят от людей, которые не понимают вероятностной природы квантово-механических решений. Как только человек это понимает, он может игнорировать привидение. Синусоидальные функции появляются во многих решениях уравнений, называемых «волновыми уравнениями», а интерференционные картины могут появляться в комбинациях. Нужно быть осторожным с контекстом, в котором используются решения. В рамках квантовой механики мы говорим о распределениях вероятностей, как, например, об орбиталях , а не об орбитах в атомах.

Даже в случае одного электрона (в отличие от большого числа электронов, аппроксимирующих непрерывную волну), распределение вероятности при измерении показывает интерференцию двух щелей, а не то, что можно было бы ожидать в случае одной щели.

Таким образом, хотя электрон всего один, на физику его движения влияют обе щели. Благодаря повседневному опыту и классическому образованию у нас есть независимые концепции поведения «частицы» и «волны». Ни один из них не подходит точно, но оба полезны для объяснения квантового поведения этого эксперимента с двумя щелями с одним электроном.

Значит ли это, что все эти источники и анимации, показывающие интерференцию двух волн, являются просто неверными, классическими выводами, не имеющими ничего общего с (квантовой) реальностью?

Нет

Что на самом деле больше всего сбивает с толку, так это то, что большинство сайтов, которые заявляют, что теперь можно пропускать отдельные фотоны через эти щели, также утверждают, что эти отдельные фотоны каким-то образом интерферируют друг с другом, что приводит к наблюдаемым закономерностям. Это кажется довольно тонким объяснением, не так ли?

Это точное объяснение - один электрон, две щели -> вероятностная дифракционная картина. расстояние

Итак, есть ли на самом деле необходимость использовать волновую интерференцию для объяснения явления, или мы можем просто констатировать, что паттерн в некотором роде вероятностный, не привлекая «жутких» объяснений?

Слова являются произвольными символами, поэтому вы можете описать pd без слова «волна» и вместо этого использовать другой язык. Однако мне кажется, что, поскольку интерференция прекрасно объясняется аналогией с двойной щелевой волной, лучше всего использовать ее — просто пояснить, что и частица, и волна являются аналогиями, полезными для описания квантового поведения.