Волновое поведение частиц [дубликат]

Я согласен с Питером, особенно когда он ссылается на QED, написав

Фейнман объясняет это (в своей небольшой книге QED, я рекомендую прочитать это) тем, что у электронов есть вращающиеся циферблаты. Или можно представить фазу как цвет.

Однако следует отметить, что Фейнман был ярым противником так называемой «дуальности волновых частиц». Позвольте мне процитировать со стр. 15:

Я хочу подчеркнуть, что свет приходит в такой форме — частицы. Очень важно знать, что свет ведет себя как частицы, особенно для тех из вас, кто ходил в школу, где вам, вероятно, что-то рассказывали о том, что свет ведет себя как волны. Я говорю вам, как он ведет себя — как частицы.

А в примечании 3 на с. 23:

Никакая разумная модель не могла объяснить этот факт, поэтому какое-то время приходилось быть умным: нужно было знать, какой эксперимент анализируешь, чтобы сказать, что свет — это волны или частицы. Это состояние путаницы было названо «двойственностью волны и частицы» света, и в шутку говорили, что свет — это волны по понедельникам, средам и пятницам, это частицы по вторникам, четвергам и субботам, а по воскресеньям, как мы думаем, об этом! Цель этих лекций — рассказать вам, как эта загадка была окончательно «решена».

Я полностью согласен с Фейнманом. Его целью было показать, как можно моделировать волнообразное поведение частиц, приписывая каждой частице «амплитуду» — комплексное число, которое Фейнман изображает стрелкой.

В некоторых своих заметках я подробно изложил этот момент. Вот перевод (оригинал итальянский):

Убеждение о волновом характере света было основано на ряде экспериментальных фактов [...] мы напомним только их названия: интерференция и дифракция . Было известно, и это до сих пор легко проверить в лаборатории, что все известные волны вызывают интерференцию и дифракцию: это верно как для поверхностных волн в жидкости, так и для звуковых волн. Отсюда вывод: так как волны обнаруживают интерференцию и дифракцию, а свет тоже интерференцию и дифракцию, то свет состоит из волн.

Легко видеть, что по логическим основаниям такой вывод необоснован: все рыбы живут в воде, дельфины живут в воде, значит, дельфины – это рыбы? Мы не имеем в виду, что за столетие физики впали в столь тривиальную логическую ошибку, а просто имеем в виду, что это была индукция , а не дедукция . На основании аналогии с волнообразными явлениями было весьма правдоподобно предположить, что и свет состоит из волн. Экспериментальные науки идут этим путем очень часто и часто достигают успеха. Но также может случиться так, что последующее исследование покажет, что индукция была необоснованной. Вот что произошло со светом.

Однако наши рассуждения не могут остановиться на этом, потому что, если мы утверждаем, что свет состоит из частиц (фотонов), нам все равно нужно объяснить, как он может вести себя так, как мы привыкли приписывать волнам. По крайней мере, мы должны быть готовы признать, что если мы имеем дело с частицами, то это частицы sui generis , сильно отличающиеся от представления о частице, которое может подсказать наш повседневный опыт.

Они не означают, что сама частица движется вверх и вниз волнообразно. То, что подразумевается под поведением волны/частицы или двойственностью, является чем-то более тонким; то, над чем многие очень умные люди работали всю свою жизнь, и что мой ответ будет трактоваться в упрощенном виде, который, я надеюсь, вы сможете понять.

Очень и очень маленькие объекты могут вести себя совершенно по-разному в зависимости от деталей их окружения, от того, изолированы ли они по отдельности или являются частью большой популяции, и от того, как они взаимодействуют с инструментами, которые мы используем для обнаружения. и изучить их.

Например, в случае одиночного электрона, летящего в космосе, можно прервать его путь с помощью детектора, который регистрирует удар электрона, как если бы это была крошечная пуля. Также можно прервать поток электронов с помощью детектора, который искривляет их траектории, как если бы они были чередой волн, а не потоком крошечных пуль.

Стандартная интерпретация так называемого волнового уравнения, описывающего распространение электрона в пространстве, состоит в том, что вероятность нахождения электрона в заданном месте на его пути может быть извлечена из этого уравнения, и что эта вероятность варьируется от точки к точке. волнообразным образом: гребни волны представляют собой места, где электрон может быть найден с наибольшей вероятностью, а впадины представляют собой места, где его найти с наименьшей вероятностью.

Существует строгий и четко определенный математический формализм, который используется опытными практиками для решения подобных вопросов, и здесь есть другие, кто может предоставить вам его, если хотите.

Волна существует для описания явлений дифракции и интерференции. Лучи частиц могут интерферировать разрушительно: нет интенсивности в каком-то месте, когда оба луча включены.

Это можно описать фазой и математикой волн. Когда фазы противоположны, сумма равна нулю. Фейнман объясняет это (в своей небольшой книге QED, я рекомендую прочитать это) тем, что у электронов есть вращающиеся циферблаты. Или можно представить фазу как цвет.

Но физически нет поперечной волны, колеблющейся вверх и вниз. Физически циферблата нет. Физически цвета нет. Это всего лишь представления фазы, которые математически описывают явления множества различных типов волн.

В дополнение к ответу Нильса я хочу добавить несколько деталей.

... вероятность нахождения электрона в заданном месте на его пути может быть извлечена из этого уравнения, и что эта вероятность изменяется от точки к точке волнообразным образом: гребни волны представляют собой места, где находится электрон. скорее всего будет найден, а желоба представляют собой места, где вероятность его обнаружения минимальна.

Если направить пучок электронов на детектор, экспонированное пятно может иметь распределение Гаусса или что-то подобное. Пятно будет ярким в центре и исчезающей интенсивностью по мере удаления от центра. Все зависит от того, как сфокусировать луч. Никаких следов волнообразного распределения.

С другой стороны, с тех пор, как Х.Бёрш в 1940 г. опубликовал свою статью "FRESNELSCHE Elektronenbeugung" ( Википедия доступна только на немецком языке, но часть информации я собрал здесь , особенно на странице 7), известно, что за краями электроны ведут себя как-то похоже зажечь. Оба изгибаются под воздействием лезвия. Разница в том, что свет отклоняется также за геометрической тенью, а электроны отклоняются только от края и его геометрической тени. Но в обоих случаях край влияет на частицы таким образом, что они распределяются с интенсивностью набухания за краем (так называемые бахромы).

Эти полосы были измерены (надеюсь) и заявлена ​​синусоидальность этого распределения. Это позволило найти волновое уравнение для данного распределения.

Все остальное — абстракция и воображение. Можно было бы заключить, что, поскольку распределение похоже на волну, луч сам по себе является волной. Или можно было бы заключить, что взаимодействие луча с краем формирует распределение интенсивности на экране наблюдателя. Но последнее — это мое предположение.

Мы действительно не знаем. Онтология физики на квантовом уровне немного запутана. Учтите, что лагранжиан Стандартной модели содержит более сотни членов. Когда люди описывают физический закон как простой, они, конечно же, не это имеют в виду!

Ближайшая онтология к тому, о чем вы просите, - это механика Бома, хотя я думаю, что она была фактически создана де Бройлем, который на самом деле выдвинул предположение, что физические частицы, такие как электроны, также могут быть волнами. Однако здесь частицы направляются пилотной волной.

Волна электрона действительно колеблется во времени. Каждая волновая функция имеет две составляющие (математически мы рассматриваем это, используя действительную и мнимую части волновой функции). Эти две составляющие вращаются друг в друге синусоидально. Один компонент может иметь 100% вероятность, а другой - нулевую, и тогда они переключатся. Думайте об одном компоненте как о синусе, а о другом как о косинусе. Однако, когда вы измеряете электрон, вероятность, которую вы видите, представляет собой только квадрат суммы двух компонентов, sin^2 + cos^2 = 1, и поэтому вы не увидите этих колебаний.

Однако в действительности волновая функция не имеет фиксированной частоты. Вместо этого это волновой пакет с разложением Фурье, содержащим много частот. Эти волны интерферируют друг с другом, что приводит к уширению волнового пакета со временем (электрон расплывается). Но вы не увидите самих колебаний, если не сделаете что-нибудь очень умное.