Почему волновая функция электрона не коллапсирует внутри атомов при комнатной температуре в газе, жидкостях или твердых телах из-за декогеренции?

Теория декогеренции предсказывает, что любая квантовая частица, связанная с любой «большой» средой, должна подвергнуться декогеренции, и ее волновая функция должна коллапсировать. Это объясняет, почему измерение приводит к сокращению волновых пакетов.

Однако в твердых телах, жидкостях или газах электроны внутри атомов не уменьшаются и остаются волновыми функциями (орбитами), так или иначе защищенными от окружения атомов.

Это удивительно, так как атомы имеют комнатную температуру и взаимодействуют со многими вещами, такими как соседние атомы, свет, тепловые возбуждения и т. д. Итак, есть идеи, почему электроны кажутся «защищенными» от сокращения атомов волновыми пакетами?

Ответы (2)

Добро пожаловать в SE - хороший вопрос! Декогерентность не означает, что больше не будет волновой функции, это просто означает, что если электрон будет связан с окружающей средой, его состояние будет описываться вероятностной смесью орбитальных волновых функций, а не их (когерентной) суперпозицией. У электрона в атоме нет какого-то «неквантового» состояния, в которое он может коллапсировать — коллапс просто означает, что он окажется в одном из орбитальных состояний.

В качестве упрощенного примера рассмотрим спиновые состояния электрона (проще, чем орбитали, потому что их всего две). Позволять | 0 ⟩ и | 1 ⟩ — некоторые (ортонормированные) базисные состояния этой системы. Тогда, если электрон изначально находится в состоянии

1 2 ( | 0 ⟩ + | 1 ⟩ ) ,
(когерентная) суперпозиция двух базовых состояний, после того как он какое-то время взаимодействует с некоторой шумной средой, мы ожидаем, что его состояние будет развиваться в сторону вероятностной смеси состояний | 0 ⟩ и | 1 ⟩ (при условии, что мы все еще репрезентируем в этом базисе), с вероятностью 0,5 каждая, если только нет какого-либо другого фактора, влияющего на них. Но спин электрона не может волшебным образом войти в какое-то другое состояние, которое не является их линейной комбинацией; точно так же орбитальное состояние остается орбитальным состоянием, даже когда оно декогерентно.

«при условии, что мы все еще заинтересованы в этом базисе». Как то, что нас «интересует», влияет на поведение электрона? Под «заинтересованным» вы подразумеваете «подчинение волновой функции оператору, который имеет эти базисные состояния в качестве собственных состояний»?
Большое спасибо за ваш ответ. Я понимаю и согласен с математическими рассуждениями. Однако у меня все еще есть проблема: волновая функция дает карту вероятности того, где был бы электрон, если бы его можно было измерить (используя квадрат модуля волновой функции). И этот коллапс электрона в точной точке пространства происходит благодаря измерению. Таким образом, говоря, что электрон занимает данную орбиталь, например 1s, означает, что он не коллапсировал, подразумевая, что атом является «защищенным» местом, где электрон не измеряется. Как это возможно, ведь атом связан со своим окружением?
@Накопление хороших моментов. Я пытался не использовать слишком технический язык из-за характера вопроса, но да, я действительно имею в виду просто представление состояния в этом базисе (очевидно, полностью смешанное состояние представляет собой равновероятностную смесь базовых состояний независимо от какую основу мы выбираем, но я опустил эту тонкость для простоты.)
@A.JBeahv снова, хорошие вопросы. Во-первых, вы не можете точно измерить положение частицы; лучшее, что вы можете сделать, это измерить, находится ли он внутри какой-то небольшой области пространства или нет, и вы можете сделать эту область сколь угодно малой, но не отдельной точкой. Если вы сделаете это и локализуете электрон в очень маленькой области, то неопределенность его импульса будет большой, и поэтому после измерения он может даже больше не находиться в связанном состоянии! (Полное раскрытие: я не уверен, как вы на самом деле сделали бы такое измерение.) Подробнее см. в следующем комментарии.
@A.JBeahv Но если он все еще находится в связанном состоянии, такое состояние всегда можно записать как суперпозицию орбитальных состояний, поскольку они являются полной основой для связанных состояний. Опять же, если вы локализуете электрон (посредством измерения) в какой-то небольшой области, в такой суперпозиции будут участвовать орбитали с очень высокой энергией, так что может быть значительная вероятность полного смещения электрона, но связанная часть волновой функции будет по-прежнему быть суперпозицией орбитальных состояний. Это, однако, подводит нас к ответу рококо, который указывает, что фактические энергии, необходимые для
Локализация @A.JBeahv намного выше, чем те, которые обычно встречаются в повседневных шумных средах, поэтому вы, вероятно, не получите такой экстремальной локализации из-за взаимодействия с окружающей средой, скажем, в лаборатории на Земле (если вы не создаете высоко- Энергетический шум намеренно!) Суть в следующем: тип эффективного «измерения» из-за связи с окружающей средой, которую вы описываете, на самом деле совершенно маловероятен (исчезающе маловероятен, поскольку объем, в котором вы локализуете электрон, стремится к 0). это помогает!
Еще раз спасибо. Это действительно помогло. Просто чтобы убедиться, что я правильно понял: если сравнить его с обычным экспериментом с двумя щелями с обнаружением одиночных электронов на экране, здесь, в атоме, нет ничего близкого к этому процессу, потому что недостаточно энергии и связи с измерительным устройством. И это в основном исходит из принципа Гейзенберга, который удерживает электрон делокализованным в типичной области размером в ангстрем вокруг ядра (путем уравновешивания импульса и положения внутри атома) с типичными энергиями эВ. Вы бы согласились?
Да, именно, просто обычно не хватает энергии, чтобы неопределенность импульса была очень большой. Ответ Рококо очень хорош!

Я согласен с ответом Уилла, но, поскольку есть несколько способов взглянуть на это, вот еще один: для того, чтобы электрон, который изначально находился в своем основном состоянии, стал пространственно локализованным, обязательно требуется добавление некоторой энергии. Для атома водорода необходимая энергия составляет не менее 10 эВ (чтобы добраться до второй оболочки) и даже больше, чтобы создать все более локализованный волновой пакет. Для этого требуются высокоэнергетические фотоны, а обычно (при температурах, которые мы наблюдаем на Земле) их не так уж много, а фотонов с низкой энергией недостаточно для того, чтобы многофотонные переходы были вероятными.

В высокотемпературной среде, в которой есть много фотонов рентгеновского и гамма-излучения, управляющих этими переходами, у вас, вероятно, больше не будет нейтрального водорода, а вместо него будет плазма. Электроны в этой плазме действительно могут быть локализованы в меньшем масштабе, чем орбитали водорода, в зависимости от таких параметров, как плотность.

Эта тема необходимости более высоких энергий для разрешения меньших мест может показаться знакомой — это просто еще одно проявление того, почему нам нужны огромные ускорители, такие как БАК, для непосредственного исследования физики на очень малых масштабах длины внутри нуклона.

Почему волновая функция электрона не коллапсирует внутри атомов при комнатной температуре в газе, жидкостях или твердых телах из-за декогеренции?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v