Действительно ли электроны совершают мгновенные квантовые скачки?

Это не дубликат, ни один из ответов не дает четкого ответа, а большинство ответов противоречат друг другу.

Есть так много вопросов по этому поводу и так много ответов, но ни один из них не говорит ясно, может ли изменение орбиталей электрона в соответствии с КМ быть выражено через компонент времени или измеримо (требует времени или нет), или является мгновенным, или если она ограничена скоростью света или нет, так или даже скажем, скачка нет вообще.

Я прочитал этот вопрос:

Квантовый скачок электрона

Как электроны перескакивают орбитали?

где Кайл Оман говорит:

Таким образом, ответ на вопрос о том, как электрон «прыгает» между орбиталями, на самом деле такой же, как и о том, как он движется внутри одной орбитали; это просто "делает". Разница в том, что для изменения орбиталей должно измениться какое-то свойство электрона (одно из описанных (n,l,m,s)). Это всегда сопровождается испусканием или поглощением фотона (даже в перевороте спина участвует фотон (очень низкой энергии).

и где DarenW говорит:

Задолго до поглощения, которое для атома составляет несколько фемтосекунд или около того, эта смесь находится на 100% в состоянии 2s, а через несколько фемтосекунд или около того после поглощения это 100% состояние 3p. Между тем, во время процесса поглощения это смесь множества орбиталей с сильно меняющимися коэффициентами.

Переходит ли электрон из одного состояния возбуждения в другое или прыгает?

где Аннав говорит:

Распределение плотности вероятности может быть функцией времени в зависимости от граничных условий задачи. Физически «мгновенного» не существует, так как все ограничено скоростью света. Это конкретный пример, который отсутствует в вашем вопросе. Если в измерении задействовано время, плотность вероятности может зависеть от времени.

и где ахметели говорит:

Я бы сказал, что электрон переходит из одного состояния в другое за некоторый промежуток времени, не меньший, чем так называемая естественная ширина линии.

тип движения электрона скачок между уровнями?

где Джон Форкош говорит:

Обратите внимание, что электрон никогда не измеряется в каком-либо промежуточном энергетическом состоянии. Он всегда измеряется либо низкоэнергетическим, либо высокоэнергетическим, ничего промежуточного. Но вероятность измерения низкого или высокого медленно и непрерывно варьируется от одного к другому. Таким образом, вы не можете сказать, что есть какое-то конкретное время, в которое происходит «скачок». Нет никакого "скачка".

С какой скоростью электрон перескакивает между орбиталями?

где Аннав говорит:

Если вы посмотрите на спектральные линии, испускаемые переходом электронов с одного энергетического уровня на другой, вы увидите, что линии имеют ширину . Эта ширина в принципе должна быть внутренней и поддающейся вычислению, если все возможные потенциалы, влияющие на нее, могут быть включены в решение квантово-механического состояния. Экспериментально энергетическая ширина может быть преобразована во временной интервал с использованием неопределенности Гейснеберга ΔEΔt>h/2π. Таким образом, можно оценить порядок величины времени, необходимого для перехода.

Возбужденное состояние атома Н длится в среднем 10 − 8 секунд, есть ли временной разрыв (максимум 2* 10 − 8 сек) между. два консек. фотон поглощает-испускает. пары?

Так что это очень сбивает с толку, потому что некоторые из них говорят, что это происходит мгновенно, а прыжка вообще нет. Некоторые говорят, что это можно вычислить. Некоторые говорят, что это связано с вероятностями, и что электрон находится в смешанном состоянии (суперпозиция), но при измерении он находится в одном стабильном состоянии. Некоторые говорят, что это связано со скоростью света, поскольку никакая информация не может распространяться быстрее, поэтому электроны не могут менять орбиты быстрее, чем c.

Теперь я хотел бы уточнить это.

Вопрос:

  1. Моментально ли электроны меняют орбитали в соответствии с КМ?

  2. Ограничено ли это изменение скоростью света или нет?

Вы, кажется, задаете много таких вопросов, и ответ почти всегда является чем-то вроде «это зависит от того, как вы определяете рассматриваемое слово».
Мы не должны спорить о том, что разместил здесь тот или иной человек. Вы изучали какую-либо научную литературу по этому поводу?
@my2cts en.wikipedia.org/wiki/Atomic_electron_transition «Переход атомного электрона — это переход электрона с одного энергетического уровня на другой внутри атома[1] или искусственного атома[2]. одного энергетического уровня на другой, обычно за несколько наносекунд или меньше. Это также известно как электронное (де-)возбуждение, или атомный переход, или квантовый скачок. Постоянная времени затухания (которая находится в диапазоне от наносекунд до нескольких секунд) относится к естественное, барическое и полевое уширение спектральных линий.
@my2cts «Однако в 2019 году было продемонстрировано, что эволюция каждого завершенного прыжка является непрерывной, последовательной и детерминированной». nature.com/articles/s41586-019-1287-z
@ my2cts Шредингер, Э. Существуют ли квантовые скачки? бр. Дж. Фил. наук 3, 109–123; 233–242 (1952). Academic.oup.com/bjps/article-abstract/III/10/109/…
@my2cts Нагурни, В., Сандберг, Дж. и Демельт, Х. Оптический электронный усилитель на полке: наблюдение квантовых скачков. физ. Преподобный Летт. 56, 2797–2799 (1986). journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.56.2797
В свете этой литературы (спасибо!), ваш вопрос остается прежним? Также похоже, что статья в Википедии нуждается в обновлении.
Насколько я могу судить, ни один из приведенных ответов на самом деле не говорит о том, что скачок прерывистый. Если вы хотите согласовать их все в своей голове, единственный ингредиент, который вам действительно нужен, — это помнить, что измерение энергии требует времени . Если вы согласитесь с этим, я не думаю, что какие-либо из ваших цитат противоречат друг другу, и я не думаю, что какая-либо из них утверждает мгновенность.
Это может помочь: arxiv.org/abs/1803.00545 Мгновенных квантовых скачков не бывает.

Ответы (5)

Моментально ли электроны меняют орбитали в соответствии с КМ?

При любом разумном толковании этого вопроса ответ — нет . Но есть исторические и социологические причины, по которым многие люди говорят, что да.

Рассмотрим электрон в атоме водорода, который падает с 2 п состояние 1 с состояние. Квантовое состояние электрона с течением времени будет (при условии, что можно просто проследить окружение без проблем)

| ψ ( т ) ⟩ "=" с 1 ( т ) | 2 п ⟩ + с 2 ( т ) | 1 с ⟩ .
Через некоторое время, с 1 ( т ) плавно убывает от единицы до нуля, а с 2 ( т ) плавно возрастает от нуля до единицы. Так что все происходит непрерывно, и скачков нет. (В то же время ожидаемое число фотонов в электромагнитном поле также плавно увеличивается от нуля до единицы за счет непрерывного наложения состояний с нулевым фотоном и с одним фотоном.)

Причина, по которой некоторые люди могут назвать это мгновенным скачком, восходит к самым истокам квантовой механики. В эти архаические времена древние физики думали о | 2 п ⟩ и | 1 с ⟩ состояния как классические орбиты разных радиусов, а не атомные орбитали, о которых мы знаем сегодня. Если принять эту наивную точку зрения, то электрон действительно должен телепортироваться с одного радиуса на другой.

Следует подчеркнуть, что, несмотря на то, что люди не перестанут распространять эту дезинформацию , это мнение совершенно неверно . Было известно, что оно ошибочно с момента появления уравнения Шредингера почти 100 много лет назад. Волновая функция ψ ( р , т ) совершенно непрерывно развивается во времени во время этого процесса, и нет такого момента, когда можно было бы сказать, что скачок произошел «мгновенно».

Одна из причин, по которой можно подумать, что скачки происходят даже тогда, когда системы не измеряются, — если у вас есть экспериментальная установка, которая может ответить только на вопрос: «является ли состояние | 2 п ⟩ или | 1 с ⟩ ", то вы, очевидно, можете получить только одно или другое. Но это не означает, что система должна телепортироваться от одного к другому, не больше, чем просто говорить "да" или "нет" ребенку, постоянно спрашивающему: "Мы уже там?" означает, что ваша машина телепортируется.

Другая, менее оправданная причина заключается в том, что люди просто передают ее, потому что это хорошо известный пример «квантовой призрачности» и тотем неинтуитивности квантовой механики. Что было бы, если бы это было на самом деле правдой. Я думаю, что такие излишне загадочные объяснения больше вредят общественному пониманию квантовой механики, чем помогают.

Ограничено ли это изменение скоростью света или нет?

В контексте нерелятивистской квантовой механики ничто не ограничено скоростью света, потому что теория ничего не знает об относительности. Легко взять уравнение Шрёдингера и найти решение с частицей, движущейся быстрее скорости света. Тем не менее, результаты не будут заслуживать доверия.

В рамках нерелятивистской квантовой механики ничто не мешает с 1 ( т ) от произвольно быстрого перехода от единицы к нулю. На практике это будет трудно реализовать из-за принципа неопределенности энергия-время: если вы хотите заставить систему | 1 с ⟩ состояние во времени Δ т , полная энергия имеет неопределенность ℏ / Δ т , который становится большим. Я не думаю, что ограничения скорости света имеют отношение к обычным процессам атомной эмиссии.

Проголосуйте за "Мы уже там?" (и для остальных тоже).
«Со временем c1(t) плавно уменьшается от единицы до нуля, а c2(t) плавно уменьшается от нуля до единицы». Я думаю, вы хотели сказать «увеличение» во второй части (SE не позволит мне редактировать).
@antiduh Да, спасибо за улов!
Как эта точка зрения объясняет спектроскопические эмиссионные линии?
@Maxter Что насчет них, по-вашему, не учитывается?
Что ж, если электрон постоянно теряет энергию при изменении состояния, то я ожидаю, что излучаемая частота будет очень маленькой (например, радиоволна). Или фотон создается только тогда, когда электрон перестает двигаться?
@Maxter Ожидаемая энергия атома постоянно меняется, это правда. При этом состояние электромагнитного поля переходит от | 0  фотоны ⟩ к | 1  фотон ⟩ через непрерывные суперпозиции. Таким образом, ожидаемая энергия электромагнитного поля также непрерывно возрастает, хотя каждое из состояний, которые мы накладываем, имеет целое число фотонов дискретной энергии.
Хорошо, но: 1. изменение амплитуды между двумя ортогональными физическими состояниями на самом деле совсем не похоже на физическое движение по континууму состояний, которые имеют естественную норму, как в вашей аналогии с поездкой. Просто на уровне педагогики я думаю, что это приводит к большей путанице, когда вы подразумеваете, что | Икс 1 ⟩ + | Икс 2 ⟩ такой же как | ( Икс 1 + Икс 2 ) / 2 ⟩ (Комментарии Макстера являются примером).
2. Сказать, что унитарная эволюция гладкая, верно, но измерение не унитарно. Ваша аналогия с путешествием предполагает, что вы смотрите на измерение с точки зрения кбизма, что меня устраивает, но тогда вы можете только сказать, что ваше пси-эпистемическое знание системы плавно перемещается между двумя состояниями, а не система. сам.
@Rococo 1. Я думал, что подразумеваю прямо противоположное: единственная причина, по которой может возникнуть проблема, заключается в том, что нельзя последовательно применять идею суперпозиции + унитарной эволюции в другом месте, то есть как к атому, так и к полю. 2. Извините, я был неясен здесь и просто немного отредактировал, чтобы решить эту проблему. Я не пытаюсь ничего сказать о том, как работает измерение, я говорю, что то, как мы измеряем, может наивно привести к (неверному) заключению, что унитарная эволюция между измерениями также содержит скачки.
Все варианты «мы уже там» на самом деле, кажется, удлиняют путешествие, что, по крайней мере, интуитивно подтверждает этот ответ.
И я думал, что «глупый Копенгаген» так же верен, как и любая другая интерпретация.
@knzhou а, это большая разница! Я, конечно, согласен с вами насчет плавной эволюции в отсутствие измерения, но я думаю, что это может быть упущено главное — насколько я могу судить, вопрос о том, что на самом деле происходит, когда эволюция связана с каким-либо измерением (особенно постоянное наблюдение) — это действительно то, что беспокоило всех, начиная с Шредингера и ниже, кто задумывался об этом.
(продолжение) Хорошо, могут быть новые студенты QM, которые сбиты с толку тем, что происходит даже в отсутствие измерения, но это, вероятно, в конечном итоге приведет их в еще большее замешательство, когда они, например, продолжат читать трактовки статьи Минева. , в которых говорится о процессе, основанном на измерениях, и, следовательно, к которому ваш ответ не относится.
@Rococo Я думаю, вы стремитесь к уровню точности выше контекста вопроса ОП: для 99,99% людей, которые когда-либо услышат фразу, «квантовые скачки» относятся к неправильным изображениям, против которых я спорю, в то время как к тем 0,01%, которые изучают открытые квантовые системы, будет ясно, что то, что я говорю, не противоречит тому, что они изучают! Вот почему я решил упростить этот путь. Но было бы также полезно, если бы вы написали ответ с более продвинутой точки зрения.
  1. Нет. Мгновенная передача состояния нарушает причинно-следственную связь, которая является предпосылкой всех рациональных детерминистских теорий в натурфилософии. Подобно тому, как два магнита щелкают вместе, когда они находятся в непосредственной близости, передача состояния может происходить очень быстро по сравнению с нашим восприятием и поэтому может считаться «приблизительно» мгновенной, но это приближение применимо только к системам, которые не требуют периодов времени с такой более тонкой степенью детализации. в учетную запись. Термин «мгновенный» часто является преувеличением , поскольку он зависит от вашего интервала измерения — все, что он сообщает, — это то, что событие происходит в течение слишком малого промежутка времени, чтобы его можно было измерить с помощью настоящего прибора.
  2. Я не понимаю, почему скорость передачи будет ограничена воспринимаемой скоростью света.
Разве сверхсветовые скорости не приводят к нарушению причинно-следственной связи?
Явно нет. Причинность является более общей и фундаментальной, чем любое предполагаемое ограничение скорости материи. Могут существовать детерминированные модели, которые не включают предположение о таком пределе.
Почему мгновенная передача состояния нарушает причинно-следственную связь, а не сверхсветовая передача состояния? Тем более, что для любого сверхсветового перехода есть система отсчета, в которой он происходит мгновенно.
Мой аргумент не зависит от мгновенной передачи состояния, он его опровергает. Если я не ошибаюсь, предпосылка, которую вы используете, основана на привкусе относительности, которая не поддается определению одновременности и, следовательно, не может высказать мнение о предмете мгновенности. Поведение сверхсветовой материи в этих рамках было бы неопределенным, поскольку к ней, очевидно, должен был бы применяться другой набор законов.

электрон в основном действует как волна. Атомный электрон распространяется в виде облачных волн, называемых «орбиталями». Если вы внимательно посмотрите на различные орбитали атома (например, атома водорода), вы увидите, что все они перекрываются в пространстве. Поэтому, когда электрон переходит с одного атомного энергетического уровня на другой энергетический уровень, он никуда не уходит. Он просто меняет форму. Орбитальные формы с большим количеством флуктуаций (с большим количеством максимумов, минимумов и изгибов формы) содержат больше энергии. Другими словами, когда электрон переходит на более низкий атомный энергетический уровень, форма его волны изменяется, и в ней становится меньше изломов. Но электрон никуда не «скачет». Я получил этот ответ отсюда, и он меня убедил.

(Редактирование для всех вас, редакторы: я знаю, что в разделе «Как редактировать» сказано «исправить грамматические и орфографические ошибки», но прежде чем вы начнете исправлять «-sing» на «-zing», пожалуйста, проверьте по словарю, так ли это. на самом деле британская английская орфография.Мы не все из Штатов ;-)

Это хороший вопрос, конечно, в том смысле, что он задает вопрос, на который мы еще не готовы ответить с большой уверенностью; таким образом, это побуждает нас думать больше. Я не могу дать вам лучшего ответа, чем то, что уже сделал knzhou.

Тем не менее, я думаю, уместно повторить, что квантовую механику очень трудно понять, не в последнюю очередь потому, что она пытается объяснить наблюдения, сделанные, в некотором смысле, довольно сильно бросая множество частиц во что-то очень маленькое, с очень далекого расстояния. а потом посмотреть что будет. У нас нет возможности наблюдать электрон, движущийся вокруг ядра, даже если он это делает; наши методы наблюдения заставляют нас думать в чисто статистических терминах о том, что на самом деле представляет собой «стационарное состояние»: электроны, размазанные по орбитали.

КМ, без сомнения, делает изумительную работу, но я думаю, что разумно спросить, не потому ли это, что она предлагает подлинное понимание того, что делают или чем являются отдельные частицы; или это связано с использованием умной статистики. По аналогии подумайте о том, как мы не можем предсказать, что будет делать отдельный человек в течение дня, но мы можем очень хорошо предсказать, что, вероятно, будет делать популяция.

Редактировать 2 июля 2019 г.

Весь предмет квантовой механики продолжает оставаться предметом споров, что для меня является признаком хорошего здоровья; в основе науки лежит тщательное изучение и оспаривание теории. Это, однако, также означает, что мы никогда не можем с абсолютной уверенностью заявить, что мы знаем истину, — она заключается в логической природе эмпирического метода: эксперименты, какими бы изощренными они ни были, могут даже в идеальной ситуации совершенного измерения только когда-либо опровергнуть теоретический прогноз с абсолютной уверенностью. «Прошлые результаты не являются гарантией будущих результатов» еще более верно в науке, чем в мире инвестиций.

Итак, о понижении голосов; Я не возражаю, но, пожалуйста, оставьте комментарий, чтобы объяснить, почему, не будьте анонимным трусом. Я думаю, что те из нас, кто находит время и прилагает усилия, чтобы ответить на иногда очень сложные вопросы, которые задают люди, заслуживают лучшего, во-первых. И, конечно, если у вас есть инсайт, почему бы им не поделиться?

@TCCooper: Я полностью согласен с вашим мнением - людей, интересующихся наукой, привлекают именно вопросы без ответов; они любопытны и взволнованы вещами, которые еще предстоит открыть.

«термомагнитный конденсированный бозон»: ответ Кчжоу во многом является ортодоксальным, правильным ответом КМ, но существует большая неопределенность в отношении того, почему вообще имеет смысл говорить о волновых функциях. На самом деле важно понять эту часть, не в последнюю очередь потому, что, с одной стороны, мы знаем, что КМ и ОТО несовместимы, а с другой стороны, волновые функции как просто комплекснозначные функции не имеют смысла, когда пространство ограничено. не плоская; по крайней мере, они должны быть секциями комплексного расслоения над пространственно-временным многообразием.

Я хотел бы знать, почему за этот ответ проголосовали против? Кажется, что это единственный ответ, подтверждающий, что наше (человеческое население, нынешние ученые, находящиеся на переднем крае физики элементарных частиц, а не я) знание этого на самом деле не является абсолютным или окончательным. Кто-нибудь, кто проголосовал против, объяснит, почему? Я, без сомнения, непрофессионал, просто люблю время от времени читать об этих вещах, но этот ответ имел для меня большой смысл..?
@TCooper Может быть, потому что это нелогично. В нем говорится, что мы еще не можем ответить с большой уверенностью, и в то же время он не может дать лучшего ответа, чем ответ Кчжоу. Но kzhou дал очень краткий ответ, большое «НЕТ». Это противоречит первому предложению этого ответа. Более того, этот ответ на самом деле не ответ на заданный вопрос, а просто набор философских слов с ошибочной логикой.
Есть ли веские доказательства, которые, как вы уверены, никогда не будут опровергнуты, которые показывают, что ответ Кнчжоу на 100% правильный? В этом посте признается, что ответ knzhou на данный момент является лучшим, но подчеркиваются ограничения в методах, используемых для получения такого вывода. Это оставляет открытым тот факт, что наше нынешнее лучшее понимание, скорее всего, покажется древним, как идеи, которые Кнчжоу высмеивает в своем ответе, в какой-то момент в будущем. Что, если в будущем время, за которое электрон в атоме водорода перейдет из состояния 2p в состояние 1s, будет константой, используемой для определения одного момента?
Прошу прощения, что долго не отвечал - был в отъезде. Пожалуйста, посмотрите мое редактирование - мой комментарий будет слишком длинным для отведенного здесь места.
-1: «Бросить много частиц во что-то очень далеко и посмотреть, что произойдет». Это не квантовая механика, это физика высоких энергий (которая действительно использует квантовую механику, но не полностью состоит из квантовой механики). Можно использовать очень хорошо контролируемую АМО — атомную, молекулярную и оптическую физику — для изучения квантовой механики, не бросая друг в друга очень маленькие кусочки материи на огромных скоростях.
Итак, если вы проигнорируете всю критику, это неплохой ответ.

Мне кажется, что функция квантового состояния непрерывно эволюционирует в соответствии с уравнением Шредингера, но это отражает только вероятность измерения в том или ином состоянии. Сам переход должен быть настолько мгновенным, насколько это возможно, потому что создается фотон, а поскольку уровни энергии в квантовых полях прерывисты, он может быть только мгновенным.

Действительно ли электроны совершают мгновенные квантовые скачки?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 2v