Почему частицы не могут быть обнаружены более чем в одном месте?

Одним из наиболее важных основополагающих экспериментов, приведших к квантовой механике, был фотоэлектрический эффект. Экспериментально было обнаружено, что свет сколь угодно малой интенсивности может выбрасывать электроны из материала, если частота света превышает пороговое значение. Это невозможно объяснить с помощью классической волновой теории (поскольку энергия пропорциональна интенсивности). Эйнштейн объяснил это явление идеей, что свет приходит в виде дискретных пакетов энергии (фотонов) с энергией, пропорциональной их частоте.$E=\hbar \omega$, где$\omega$это частота фотона. Важно отметить, что невозможно разделить эти частицы на более мелкие части; когда генерируются фотоны данной частоты, у них либо достаточно энергии, чтобы выбросить электрон, либо нет, золотой середины нет.

Квантовая механика — это теоретическая основа, построенная для воспроизведения этого и других основных экспериментальных фактов о реальности.

Со времен Эйнштейна было много других феноменальных экспериментальных демонстраций правильности предсказаний квантовой механики. Например, ПЗС-чипы могут обнаруживать отдельные фотоны и никогда не обнаруживать полфотона. Фотоны всегда обнаруживаются с энергиями, кратными целым числам$\hbar \omega$, и никогда с некоторой частью этой суммы.

В рамках квантовой механики (независимо от того, используете ли вы интерпретацию Копенгагена или Множества миров или какую-либо другую интерпретацию, дающую физически эквивалентные результаты), ваш вопрос тавтологичен. Ответ на вопрос «Почему нельзя наблюдать, чтобы одна частица находилась в месте А и месте Б одновременно?» заключается в том, что одну частицу можно наблюдать только в одном месте одновременно. Если вы хотите наблюдать что-то в двух местах одновременно, вам нужны две (или более) частицы. Математически, чтобы описать одну частицу, мы можем записать базис состояний формы «частица находится в точке А» и «частица находится в точке В», а общее состояние одной частицы (волновая функция) является суперпозицией этих состояний. базисные состояния частиц. Чтобы описать двасостояние частицы, нам понадобится основа для состояний с двумя частицами; такой базис будет включать состояние с одной частицей в точке А и одной частицей в точке В; другое базисное состояние с одной частицей в A и одной частицей в C; и так далее; и общее двухчастичное состояние было бы суперпозицией этих двухчастичных базисных состояний. Обратите внимание, что если бы существовал какой-то объект, который можно было бы обнаружить в двух местах одновременно, слово «частица» не было бы очень хорошим словом для того, что пытается описать теория, поскольку он ведет себя как «две вещи». "было бы в нашем классическом мире.

Очень важным и тонким различием здесь является различие между состоянием и волновой функцией. Волновая функция — это состояние одной частицы, выраженное в базисе положения. Состояние более общее и абстрактное, может быть выражено в любом базисе и описано любое количество частиц. В частности, чтобы правильно описать, что происходит, когда вы обнаруживаете одну частицу в точке А, ваше состояниенельзя описать волновую функцию для одной частицы; вы также должны включить детектор в свое состояние. Сразу после «коллапса» [Копенгаген] или «в какой-то ветви» [многие миры] состояние системы описывается комбинацией типа «частица в А и детектор в А что-то увидели». Если вы настаиваете на использовании изображения волновой функции, вы должны представить себе, что волновая функция — это функция в пространстве, включающая не только положение частицы, но и возможные состояния детектора. Затем, непосредственно передколлапс [Копенгаген] или, учитывая все ответвления [многие миры], есть «пик» в волновой функции около «частицы в A и детекторе A загорелись» и «пик» около «частицы в B и загорелся детектор B», но волновая функция вблизи «частицы в точке A и детекторе B загорелась» равна нулю. Есть замечательная статья Мотта, в которой это очень четко описано [1].

(Я понимаю, что для меня будет некоторым противоречием сказать, что ответ одновременно тавтологичен и зависит от чего-то очень тонкого; в свою защиту я бы сказал, что ответ тавтологичен, если вы полностью понимаете квантовую механику, но многие студенты не в состоянии сначала осознайте тонкое различие между состояниями и волновыми функциями, и это может привести к разного рода путанице)

Вы можете спросить, почему квантовая механика устроена именно так? Ответ заключается в том, что он был создан для воспроизведения экспериментальных фактов, подобных тем, которые я привел в начале. Если бы мы заметили, что частицы (или «вещи», которые мы, вероятно, не назвали бы частицами) иногда можно наблюдать в двух местах одновременно, мы бы использовали теорию, отличную от квантовой механики, для объяснения экспериментальных фактов. Но мы этого не делаем, и квантовая механика никогда не ошибалась в правильном предсказании результатов эксперимента в тех режимах, где она может быть применена.

[1] Невилл Мотт, «Волновая механика треков α-лучей», Proceedings of the Royal Society (1929) A126, стр. 79-84, doi:10.1098/rspa.1929.0205.

Физика элементарных частиц, которую вы обсуждаете, имеет большую базу данных экспериментальных измерений, которые соответствуют стандартной модели теории квантового поля, и все интерпретации должны соответствовать одним и тем же данным, чтобы быть интерпретациями, а не новой теорией.

Вот одна из тысяч и тысяч фотографий, сделанных в пузырьковой камере из экспериментов, которые привели к стандартной модели. Это предсказание стандартной модели о том, что Омега-минус должно существовать, и оно было найдено.

Он интерпретируется как частицы:

и показывает генерацию и распад${\Omega}^{-},$частица, которая заполняет предсказание в декуплете адронов.

Мы называем каоны, протоны, пионы «частицами», потому что макроскопически их след представляет собой след заряженной частицы с заданным импульсом, пересекающей ионизируемую среду.

Как вы думаете, ваша гипотеза «место A И место B»

мог дать такую ​​когерентную генерацию частиц?

Ответ на ваш вопрос заключается в том, что фотон является событием обнаружения, и если фотон только один (излучается), то регистрируется только один (одновременно).

Подумайте об этом так: фотон — это событие обнаружения. Когда есть только один фотон, есть только одно событие обнаружения. Распределение вероятностей событий обнаружения связано с волновой функцией фотона.

Если фотон действительно проходит через обе щели (одновременно), то почему мы не можем обнаружить его в обеих щелях (одновременно)?

В вашем случае у вас есть один излучатель фотонов, который излучает возбуждение в электромагнитном поле, и это возбуждение распространяется на детектор, где оно обнаруживается (полностью поглощается) только один раз (одновременно), акцент на одно и то же время . Излучатель и ЭМ поле (и его возбуждающий фотон) и детектор создают запутанную систему, и допускаются только те состояния, в которых фотон поглощается один раз (одновременно).

При этом обратите внимание, что бывают случаи, когда энергия фотона может частично поглощаться постепенно в разное время (не в одно и то же время), и мы называем это неупругим рассеянием.

https://en.wikipedia.org/wiki/Неэластичный_рассеиватель

Другие объяснили это, используя стандартную модель. Но есть теория под названием Одноэлектронная Вселенная (это ложная/неполная теория, выдвинутая Джоном Арчибальдом Уилером), которая постулирует, что все электроны и позитроны являются одной частицей, движущейся вперед и назад во времени. Но большой фатальный провал этой теории заключается в том, что она предсказывает, что число электронов и позитронов должно быть либо одинаковым, либо иметь разницу в 1. Но мы знаем, что электронов намного больше, чем позитронов. Другой недостаток этой теории заключается в том, что она не может правильно объяснить, почему мы наблюдаем причинно-следственную связь, когда рассматриваем электроны как разные частицы, даже если электрон может свободно двигаться в прямом и обратном направлении во времени.Если эти сбои каким-то образом устранены, может быть, тогда для частицы будет иметь смысл находиться в нескольких местах.

Неужели все сводится к тому, что «мир таков, спросите у философа». Или есть что-то о декогеренции или что-то, что поможет разобраться в этом?

Вы никогда не задумывались, почему в экспериментах с краями и щелями (даже с одиночными краями распределение интенсивности на экране имеет волновое уравнение) края не имеют значения? Нет ли вообще никакого взаимодействия между фотоном или электроном и краями?

В обсуждении на phys.org было отмечено следующее:

В то время большинство квантовых физиков приняли философию «заткнись и вычисляй»: продолжайте работу и не беспокойтесь о философских вопросах — просто получайте предсказания.

Эйнштейн сегодня был бы того же мнения, потому что «заткнись и посчитай» до сих пор является доминирующим мнением среди физиков. Проблема с квантовой механикой заключается в том, что, несмотря на то, что она является чрезвычайно мощной и успешной математической теорией, она, тем не менее, очень мало сделала для нашего понимания природы физики. Quantum позволяет вычислять результаты, но не дает понимания причин этих результатов.

Некоторые явления, о которых мы могли бы подумать:

1. Поверхность ребер в принципе состоит из электронов - внешних электронов атомов и молекул. Эти электроны имеют электрическое поле вокруг и магнитное поле.
2. Спины, направленные в том же направлении, что и магнитные диполи электронов, взаимодействуют по принципу запрета Паулиса. Короче говоря, (поверхностные) электроны взаимодействуют.
3. Квазичастицы и коллективные возбуждения (которые тесно связаны) — это возникающие явления, возникающие, когда микроскопически сложная система, такая как твердое тело, ведет себя так, как если бы она содержала различные слабо взаимодействующие частицы в вакууме. Например, когда электрон проходит через полупроводник, его движение сложным образом возмущается его взаимодействиями с другими электронами и атомными ядрами.

Одним из возможных выводов может быть то, что фотон или электрон могут находиться под влиянием сгустка поверхностных электронов, которые, в свою очередь, образуют квазичастицы и вызывают квантованное отклонение пролетающей частицы.

Почему частицы не могут быть обнаружены более чем в одном месте?

Он никогда не обнаруживался более чем в одном положении (эмпирический факт), и причина этого в том, что частица — будь то электрон или фотон — является неделимой частицей при таких взаимодействиях.