¿Alguien puede explicar la naturaleza dual de un electrón?

En la mecánica clásica, describimos un sistema físico mediante un conjunto de vectores de posición y momento de todas las partículas constituyentes. En mecánica cuántica, un sistema se describe mediante una función de onda, una función compleja de coordenadas espaciales y de tiempo. La interpretación de la función de onda es que su módulo (‘cuadrado complejo’) es la densidad de probabilidad para encontrar el sistema, las partículas descritas, en las coordenadas dadas.

En primer lugar, dado que solo podemos saber la densidad de probabilidad de que una partícula esté en algún lugar, y cuanto mejor sepamos hacia dónde se mueve, menor es la probabilidad (incertidumbre de Heisenberg), ya tiene alguna propiedad aparente de onda. Además, puede sumar o restar las funciones de onda complejas que describen partículas individuales de manera similar a la interferencia o superposición de ondas.

Por supuesto ‘, se podría decir, ‘ pero la naturaleza fue primero, la formulación matemática de la teoría física solo vino después. Entonces, ¿por qué tratas de argumentar mi caso usando las matemáticas? ‘Bueno, porque no sabemos qué es un electrón. Nadie tenía un electrón en la mano, lo olisqueó, lo miró, trató de escucharlo. No tenemos forma de adivinar intuitivamente cómo es. Podemos atribuirle propiedades macroscópicas diciendo ‘es como una partícula en esta instancia’ o ‘se comporta como una onda en esa instancia’ . Pero, fundamentalmente, un electrón no es ninguno. Lo único que podemos hacer es observar cómo se comporta. Entonces podemos formar modelos matemáticos que intentan predecir correctamente este comportamiento. La mecánica cuántica es un modelo y muy exitoso. En el formalismo de QM, un electrón se describe mediante una función de onda (como cualquier otra cosa). Una función de onda exhibe cualidades de onda. Eso es.

Podrías pasar toda una vida reconciliando tu intuición laica, tu sentido común de todos los días con la naturaleza real del universo. Te quedarías mal. Simplemente no hay una manera de comparar una partícula subatómica con algo tangible, algo que usted sepa (como una pelota de béisbol o una ola de agua). Hacer eso es simplemente inútil.

Es como tratar de describir un automóvil a alguien que nunca lo ha visto utilizando solo los adjetivos ‘redondo’ y ‘cuadrado’. Claro, hay muchas formas de identificar cuadrados y círculos en la forma general de un automóvil. Pero no está un paso más cerca del meollo del asunto, para explicar qué es realmente un automóvil. Así que deja de pensar solo en términos de estos dos adjetivos. Un automóvil no es redondo ni cuadrado, es un vehículo motorizado para uso personal.

Y un electrón no es ni partícula ni onda. Tiene algunas propiedades de ambos, pero eso no es lo que es. Desafortunadamente, a diferencia de la analogía del automóvil, no existe una definición de un electrón en piedra, para explicarnos a los mortales lo que realmente es. La única forma de averiguarlo es observar la naturaleza y construir modelos teóricos. Si un modelo es bueno para replicar lo que vemos, entonces podemos decir que un electrón es lo que el modelo nos dice que es. En QM, un electrón es una partícula descrita por una función de onda. En QFT es una excitación del campo de electrones. Tal vez habrá un mejor modelo y luego el electrón será otra cosa. Eso es todo al respecto.

Nuestras experiencias de materia (partículas) y ondas a nivel macro se deben a efectos electromagnéticos y gravitacionales. A niveles cuánticos (esencialmente subatómicos) las partículas y las ondas son difíciles de comprender, ya que no estamos acostumbrados a ese tipo de comportamiento en el mundo macro.

Lo que es una onda sobre el electrón no es necesariamente que el electrón en sí sea una onda, sino que su ubicación exacta (y el momento / velocidad) no se pueden determinar simultáneamente más allá de una cierta precisión (principio de incertidumbre de Heisenberg).

Dentro de un átomo (e incluso moléculas) se pueden encontrar electrones en orbitales específicos según lo determinado por el principio de exclusión de Pauli (hasta un par de electrones con espín opuesto). La forma del orbital es la probabilidad de encontrar un electrón en ese orbital: es no la forma de la partícula, o átomo para el caso. Esta distribución de probabilidad es muy similar a las ondas estacionarias (como se observa en la membrana de un tambor vibratorio). Por lo tanto, decimos que la forma del orbital tiene forma de onda.

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Del mismo modo, dos haces de electrones también pueden mostrar un patrón de interferencia en forma de onda como en un experimento de doble rendija.

Además de este comportamiento ondulatorio, los electrones también exhiben un comportamiento similar a las partículas (si ponemos un sensor en las dos rendijas en un experimento de doble rendija, por ejemplo).

Por lo tanto, en el caso del experimento de doble rendija con electrones, el acto mismo de recopilar información puede cambiar el comportamiento observado de una población de electrones para comportarse de manera similar a las partículas o las ondas.

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