Почему нельзя наблюдать электрон?

Дайте определение «наблюдать».

Вебстер , варианты для науки:

а: внимательно наблюдать, особенно обращая внимание на детали или поведение с целью вынесения суждения

b: сделать научное наблюдение над или над

А по "наблюдению:

а: акт распознавания и записи факта или события, часто связанный с измерением с помощью инструментов.

b: запись или описание, полученное таким образом

Как мы наблюдаем облако? Солнечный свет рассеивается от H2O облака и попадает в наши глаза. Чтобы наблюдать за ним с научной точки зрения, нужно снимать фотографии или снимать видео, чтобы изучить его эволюцию во времени. Облако на видео "наблюдает за облаком"?

Вот изображение электрона в пузырьковой камере :

Электрон рассеял атомы в камере, ионизируя их, и на месте ионов образовались пузырьки. Он вращается в наложенном магнитном поле и теряет энергию от рассеяния. В отличие от изображения облака, не свет рассеивается на объекте, а объект рассеивается на материи, и свет этого пути регистрируется. Это более сложный путь к картине, но есть еще взаимно однозначное соответствие объекта, называемого электроном, с картиной, которую мы называем наблюдением.

Обратите внимание, что размеры пузырьков пузырьковой камеры (микроны) и импульс электрона на картинке, несколько МэВ/с , удовлетворяют принципу неопределенности Гейзенберга, и, таким образом, в пределах этих размеров электрон можно рассматривать в его форме как квантово-механическая «частица» с атрибутами классической частицы.

Мы также «видим» электроны непосредственно в искрах , наши глаза и мозг не приспособлены для того, чтобы видеть свет так же ясно, как свет, отраженный от облака, но это ограничение нашей биологии, наши инструменты могут.

Так что я думаю, что заявление является бессодержательным.

Редактировать после комментария

Как вы думаете, когда-нибудь будет возможно сделать что-то, что работает как камера, чтобы сделать снимок одного электрона?

Поискал в нете и все получилось.

видео на https://www.youtube.com/watch?v=OErXAk42MXU

Теперь можно посмотреть фильм об электроне. В фильме показано, как электрон едет на световой волне после того, как его только что оторвало от атома. Это первая видеосъемка электрона, и результаты представлены в последнем выпуске журнала Physical Review Letters.

Так и было сделано, хотя видео замедлено, чтобы можно было увидеть путь.

Понятие «непосредственное наблюдение» является сложным в философии науки. Это признанный мост между научной теорией и истиной, и он идет по очень мутной воде.

Подумайте об этом глубоком утверждении: у нас нет доказательств существования электронов. Нуль. Нада. Что у нас есть, так это множество теоретических моделей, включающих концепцию электрона, которые на удивление хорошо предсказывают поведение вещей. В философии это разделение между онтологией (обсуждение того, что такое мир ) и эпистемологией (обсуждение того, что мы можем знать о мире).

Теперь это, вероятно, самая педантичная точка зрения, которую можно выбрать. Вы почти никогда не услышите, чтобы ученый говорил подобным образом. Почему? Что ж, некоторые из наших моделей делают настолько умопомрачительно хорошую работу по предсказанию вещей, что нам нравится просто заявлять, что они «реальны».

Как мы делаем это заявление? Если модель предсказывает что-то, что мы можем «непосредственно наблюдать» своими глазами, ушами и руками, то мы предполагаем, что это «реально». Идея о том, что одноклеточные организмы портят пищу, была всего лишь косвенным наблюдением, пока кто-то не изобрел микроскоп и не позволил нам смотреть своими глазами. На философском уровне мы «благословляем» наблюдения, сделанные нашими собственными чувствами, только по той причине, что действительно трудно добиться какого -либо прогресса, если мы ничему не доверяем.

Возьмем идею искривления пространства-времени. Мы все слышали о теории Эйнштейна о том, что масса искривляет пространство-время, что вызывает гравитацию и всевозможные другие забавные релятивистские эффекты. Однако искривление пространства-времени — это только модель. Нет никаких доказательств того, что пространство-время действительно изгибается, просто если кто-то моделирует пространство-время как изгибающееся, он получает характерно хорошие предсказания того, что произойдет.

Итак, у нас нет благословенного микроскопа, который мог бы увеличить достаточно, чтобы увидеть электрон. Одного этого достаточно, чтобы сделать одно утверждение, что никто «непосредственно не наблюдал» электрон. Если кто-то осмелится заняться квантовой механикой, мир станет еще более странным. Из-за всевозможных забавных эффектов, которые, вероятно, выходят за рамки вашего вопроса, концепция «наблюдения за электроном» сама по себе становится довольно мутной. Квантовая механика предсказывает, что произойдет во Вселенной, таким образом, что фраза «наблюдение за электроном» вызывает затруднения и трудна для реальной количественной оценки. Если квантовая механика действительно описывает, как «на самом деле устроен» мир, то концепция наблюдения за электроном может быть фактически невозможной из-за статистического поведения коллапса квантовой формы волны.

Ничто не наблюдается без какого-либо физического процесса, «выполняющего» наблюдение. Глаза не видят пассивно — они являются огромными местами столкновения бесчисленных фотонных бомбардировок, пиксели камеры (или светочувствительные пигменты) не пассивно реагируют на свет, они должны яростно сотрясаться тысячами отдельных фотонов.

Это как в машине, в темной комнате, полной перьев — как можно, не выходя из машины, почувствовать, что перья там? Если вы въедете в облако перьев на скорости 200 миль в час, вы можете услышать что-то, когда они ударяются о лобовое стекло, если вы прислушаетесь очень внимательно...

То же самое и с отдельными частицами, такими как электрон — как вы можете почувствовать что-то более легкое и тонкое, чем что-либо вокруг?

Как в случае с автомобилем и перьями, только врезав одну вещь в другую с достаточной силой, вы можете сделать косвенный вывод о существовании одной или другой вещи.

Позвольте мне привести расплывчатую аналогию, чтобы проиллюстрировать проблемы, возникающие при разговоре о наблюдении.

Представьте, что я только что бросил камень в пруд и спрашиваю вас, видите ли вы волну, которую он создает? Вы говорите, да, конечно, почему? Я говорю, нет, вы действительно не видели всю волну. Вы видели только то, что видели со своего места и угла. И это то, что вы видели волны? Или это просто образ волны, который у вас в голове? Откуда вы вообще знаете , что это изображение является точным отражением реальной волны? На самом деле мы знаем, что у нашего глаза есть предел разрешающей способности и чувствительности.

Так что на самом деле вы не видели никакой волны. Вы только что видели то, что мы оба называем по-английски "волной". Это слово является просто ссылкой на сущность, а не на саму сущность. Вы можете спросить, возможно ли наблюдать за сущностью напрямую, а не через какой-либо промежуточный инструмент , такой как наше глазное яблоко? Но что такое «напрямую»? Если ваш разум может каким-то образом коснуться волны (чем, позвольте спросить?), вам этого достаточно? Или сам ваш разум является просто инструментом, который вы используете для взаимодействия с миром?

В любом случае, это погружает прямо в глубокую часть философии , хотя вам придется как-то ответить на это, прежде чем вы сможете достаточно точно указать, что вы подразумеваете под «наблюдением».

С другой стороны, что, если мы оба согласимся, что волна была, а затем я спрошу вас, каково положение волны? А ты смотришь на меня пустым взглядом. Но это вполне может быть тот же самый вопрос, который вы хотели бы задать об электроне. Что, если электрон действительно имеет лежащую в его основе реальность, которая больше соответствует его волновой функции , чем одной точке в пространстве? У вас есть хоть малейшее свидетельство того, что это больше похоже на точку? Нет.

Вы могли бы сказать, давайте возьмем высшую точку молекулы воды (при условии, что она достаточно точечная) в качестве положения. Если это так, то у него вообще не будет никаких хороших свойств, и он будет случайным образом прыгать по пруду. Лучше было бы взять среднееположение молекул воды выше среднего уровня воды в пруду. Тогда мы можем «видеть», что она движется в направлении волны более или менее вместе с гребнем. Мы даже можем коснуться гребня волны, когда он проходит мимо, а это значит, что мы можем как бы оценить положение, определенное таким образом. Здесь присутствует некоторая неопределенность, мало чем отличающаяся от неопределенности, которую вы видите при измерении положения классического волнового пакета или при измерении положения частицы (принцип неопределенности Гейзенберга), в том смысле, что, несмотря на четкое определение положения волны в пруду (предполагая точечные молекулы воды или, в более общем смысле, некоторую функцию плотности массы воды), мы не можем даже классически точно измерить ее, потому что все, что мы делаем, разрушает волну.

Точно так же мы можем определить скорость волны как поток, средний поток воды (согласно эволюции функции плотности массы во времени). Как и в случае с положением, мы не можем даже классически точно измерить скорость, не изменив ее.

Теперь мы можем пойти другим путем, чтобы обойти проблему. Вместо того, чтобы пытаться наблюдать всю волну сразу, мы повторяем бросок камня много раз, и каждый раз наблюдаем только одну маленькую часть волны. Конечно, теперь, когда мы настроены скептически, мы зададимся вопросом, действительно ли мы можем каждый раз повторять что-то точно таким же образом. Конечно, в целом это невозможно, но мы надеемся, что это не слишком сильно отличается.

Именно это и сделали ученые, чтобы наблюдать (в этом смысле) волновую функцию электрона. Это было сделано очень давно, и я не знаю истории, но якобы IBM была одной из первых, кто расположил примесные молекулы на поверхности металла, а затем с помощью сканирующего туннельного микроскопа отобразил плотность электронов. У них тут есть несколько картинок , в том числе всем известный квантовый загон:

( http://researcher.watson.ibm.com/researcher/files/us-flinte/stm16.jpg )

Я не знаю, редактировали ли они необработанные данные (весьма вероятно, когда я это делал до того, как мне пришлось редактировать, чтобы удалить шум и артефакты с несовершенной наводки СТМ). В Интернете есть и другие изображения, например:

( http://nisenet.org/catalog/media/scientific_image_-_quantum_corral_top_view )

Но, конечно же, все цветовые или трехмерные эффекты в изображениях СТМ генерируются компьютером. Недавно (2013 г.) некоторые утверждали, что могут отображать атомные орбитали, например:

( http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/may/23/quantum-microscope-peers-into-the-hydrogen-atom )

Как бы то ни было, помните, что аналогии не работают, и очень немного об электронах и других частицах имеет даже смутно аналогичное явление с водой в пруду. Аналогия была просто для того, чтобы заставить вас дважды подумать над распространенным предположением, что частица имеет точечное положение.

Согласно Стандартной модели, электрон не имеет протяженности; нулевой радиус. Как таковая, такая частица никогда не может наблюдаться (поскольку ее на самом деле нет ...), а наблюдается только косвенно, например, благодаря влиянию ее электрического поля на другие частицы или объекты.

Не совсем верно, что его нельзя наблюдать. Может и имеет. Однако наблюдение — это лишь малая часть явления электронов.

Хотя его можно наблюдать мгновенно, нельзя определить ни его местонахождение, ни его скорость. Скорость электрона можно наблюдать, но не зная его положения. Положение электрона можно наблюдать, но не зная его скорости.

Часто показываемый пример тому на уроках инженерии и физики в образе стрелы в лесу. Вы можете ясно видеть, где она находится, но по изображению стрелки вы не можете сказать, с какой скоростью она движется.

Согласно реляционной КМ , другой наблюдатель электрона может быть просто другим электроном; скажем, другой электрон, который его оттолкнул.

Это означает, что за электронами ведутся постоянные наблюдения; только не нами.

Но я думаю, что это не тот смысл наблюдения , который вы используете в своем вопросе; что, кажется, является прямым наблюдением человеческим глазом.

Однако однажды мы не смогли увидеть бактерию; и теперь мы можем увидеть их в микроскоп; никто не говорит, что их там нет.

Возможно, однажды то же самое произойдет и с электронами.