Может ли электрон находиться в двух местах одновременно?

Вы должны забыть все, что вам говорили о дуальности волновых частиц. Это устаревшая концепция, давно вытесненная квантовой теорией поля, и я думаю, что она бесполезна, потому что вызывает путаницу.

Никакой дуальности волны и частицы не существует, потому что электрон не является частицей и не является волной. Вместо этого это возбуждение в квантовом поле. Поле электрона может взаимодействовать способами, похожими на частицы, и способами, похожими на волны, но это не означает, что это частица или волна.

Чтобы правильно описать поведение электронов, вам нужно использовать квантовую теорию поля, и действительно, Ричард Фейнман (один из изобретателей квантовой теории поля) показал, как рассчитать результаты эксперимента с двумя щелями с помощью КТП. Однако расчет чрезвычайно сложен и не под силу большинству из нас. К счастью, это хорошее приближение для описания электрона как волны, и, используя волновое приближение, довольно легко рассчитать результаты эксперимента с двумя щелями. Однако вам нужно четко понимать, что это не означает, что электрон является волной. Рассматривать его как волну — это всего лишь приближение, которое хорошо подходит для этого эксперимента.

Потом:

Позвольте мне расширить свой ответ в свете комментариев Эдуардо, потому что я не уверен, что мы на самом деле не согласны.

Когда мы впервые изучаем квантовую механику, большинство из нас знакомится с уравнением Шредингера. Это почти идеально описывает большинство вещей, и действительно, практически идеально описывает результаты эксперимента с двумя щелями. Однако уравнение Шредингера является низкоэнергетическим приближением, и при более высоких энергиях вместо него мы будем использовать квантовую теорию поля.

Есть два следствия использования уравнения Шрёдингера вместо КТП. Во-первых, в принципе он менее точен, хотя, как говорит Эдуардо об эксперименте с двумя щелями, между ними практически нет разницы. Это второе последствие, которое, я думаю, имеет отношение к этому вопросу. КТП — это не просто более точная версия уравнения Шредингера — она вводит новые понятия. В частности, она вводит идею квантового поля, и именно эта идея делает дуальность волновых частиц бессмысленной, поскольку в КТП она просто не проявляется.

Это то, о чем я говорил, это свет, пролитый КТП на идею дуальности волны/частицы, который имеет значение, а не то, будете ли вы на самом деле использовать КТП для выполнения вычислений.

Наконец, чтобы ответ был полезным, он должен быть понятным. Из вопроса я понял, что ОП мало что знал о квантовой механике (Джерсон, прошу прощения, если это не так), поэтому ответ должен быть на уровне «поп-науки». Отвечая таким образом, всегда есть риск ввести в заблуждение или сказать что-то явно неправильное, но в данном случае я не думаю, что попал ни в одну из этих ловушек.

Когда серия электронов направляется к экрану с двумя щелями, картина, которая появляется на другой стороне, показывает интерференцию, которая является результатом того, что электрон проходит несколько путей между источником и каждой точкой на экране. Поскольку каждый возможный путь вносит свой вклад в вероятность того, где электрон будет обнаружен с помощью экрана, в некотором смысле электрон проходит более чем по одному пути. Однако любая попытка фактически наблюдать электрон более чем в одном месте потерпит неудачу.

Имейте в виду принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что чем точнее вы знаете положение объекта, тем меньше у вас уверенности в его скорости, и наоборот. Ключевым моментом здесь является "определенность"... т.е. все это вероятностно.

Например, электронная «орбиталь» атома водорода не аналогична орбите планеты вокруг Солнца. Электрон вокруг атома водорода имеет определенную вероятность оказаться в определенном месте, поэтому существует «функция плотности вероятности», которая сообщает вам вероятность появления электрона в любом участке пространства вокруг ядра. Что, как указал Альфред Центавр, означает, что пока вы не наблюдаете, как электрон находится в определенном положении, его положение не является определенным.

Я обнаружил, что квантовая физика не интуитивно понятна, когда проходил вводный курс в университете. Важно признать, что ваша интуиция помогает вам в предметах, в которых у вас есть опыт, но ожидание интуиции в совершенно новом и беспрецедентном предмете, таком как QM, может на самом деле сдерживать вас. В конце концов, фундаментальная основа квантовой механики состоит в предположении, что энергия поступает в дискретных количествах, а не в континууме. Для этого нет очевидной, интуитивной причины, обязательно... но результаты, полученные в результате QM, впечатляют - в том смысле, что они очень хорошо подтверждаются экспериментами.

Нет никаких утверждений, что QM является «полным» способом того, как устроен мир, на самом деле он, по крайней мере, неполный. Например, еще не существует квантово-механической теории гравитации. Возможно, как только это будет найдено, будет создана какая-то лежащая в основе теория, из которой можно будет вывести как квантовую физику, так и общую теорию относительности. Это похоже на то, как ньютоновскую механику можно вывести из теории относительности. Возможно, эта теория, если она появится, будет лучше отвечать на самые основные вопросы, которые можно задать, например, «почему энергия дискретна, а не непрерывна?».

КМ — это просто модель мира, которая очень хорошо работает в определенных масштабах размеров и энергии.

Частица и волна — это два понятия, а также явления, которые ученые использовали для описания свойств электрона. Электрон есть электрон, но он покажет вам свои различные свойства во время различных настроек среды наблюдения.

Интерференционная картина не обязательно должна заключать, что электронная частица должна вести себя как волна, чтобы вызвать такую ​​картину. Неопределенность и дифракция электрона также могут привести к такому результату. Я чувствую, что слишком много нелогичных слов вызвало смятение ума! Никто на самом деле не знает полностью, что такое электрон. Что такое электрон и как электрон может себя вести — разные понятия, требующие разъяснения. Это мое мнение! Кстати, частица — это точка, а волна — это функция, описывающая все возможные положения частицы. Электронная частица не может появиться в двух разных точках, но вы можете найти ее с помощью установки для эксперимента по взаимодействию.

Ваш вопрос относится к эксперименту с двумя щелями, и дается ряд соответствующих ответов.

Но что, если мы отложим в сторону эксперимент с двумя щелями и спросим: «Может ли частица находиться в двух (или более) местах одновременно?»

Рассмотрим, например, протон. Согласно современным теориям, протон:

А. Состоит из кварков

B. Количество составляющих протона зависит от системы отсчета (несмотря на распространенное заблуждение, что протон состоит только из 3 кварков), подробности см. по этой ссылке .

C. Кварки «заперты» внутри протона, т.е. одиночный кварк никогда не наблюдался (и не может быть) обнаружен

Теперь вернемся к вашему вопросу. На самом деле все эти «странные» особенности протона можно объяснить, если предположить, что протон имеет только одну составляющую, которая может двигаться быстрее света.

Как вы, вероятно, знаете из специальной теории относительности, сверхсветовые (т.е. более быстрые, чем свет) частицы «могут находиться в двух (или более) местах одновременно». Посмотрите на график ниже:

Здесь вы можете видеть частицу, движущуюся по изогнутой (красной) линии. Принимая во внимание форму линии, это означает, что иногда частица движется быстрее света.

В это время$t0$наблюдаем «создание пары».

В это время$t1$мы наблюдаем частицу в 3 разных местах (дважды как частицу и один раз как античастицу). Эквивалентно, мы можем интерпретировать это как наблюдение 2 «кварков» и 1 «антикварка».

В это время$t2$«старая» частица «аннигилирует» «новой античастицей» и так далее.

При соответствующем изменении системы отсчета мы могли бы видеть частицу «более чем в 3 местах одновременно».

Из этой картины совершенно ясно, почему нельзя наблюдать одиночные «кварки». Это потому, что существует только 1 частица (иногда сверхсветовая) вместо 3 (субсветовых) «кварков». Следовательно, «удержание кварков» можно объяснить очень просто.

Также обратите внимание, что линия AB на графике лежит внутри светового конуса. Это означает, что «в среднем» частица субсветовая (движется медленнее света).

Интересно, что похожее (но не то же самое!) решение свободного уравнения Дирака было найдено Эрвином Рудольфом Йозефом Александром Шредингером, а физическое явление, связанное с этим решением, известно как Zitterbewegung (дрожащее движение).

Следовательно, в принципе, ответ на ваш вопрос: ДА, можно разработать модель (согласующуюся со свойствами протона), в которой частица может находиться в двух (или более) местах одновременно.