Cuando dicen que un electrón tiene una naturaleza de partículas y de ondas, ¿qué quieren decir realmente? ¿Cómo se explica este fenómeno a un laico?

Dicen eso porque nunca aprendieron la teoría cuántica de campos. En QFT, un electrón es una onda y solo una onda; No hay partículas. O para ser más precisos, es un cuanto de campo que oscila. Es una pena que tan pocos físicos entiendan y acepten QFT en su verdadero sentido de solo campos. Aquí está la explicación que doy en mi libro. Lea los capítulos 1 y 10, que puede ver gratis en quantum-field-theory.net.

“El concepto de dualidad onda-partícula fue introducido por Einstein en el artículo de 1905 que le valió el Premio Nobel. Argumentó que, dado que la radiación EM se emite en unidades discretas por átomos individuales (como había mostrado Planck) y se absorbe en unidades discretas, entonces seguramente cada unidad debe estar localizada en el espacio, como una partícula. ¿De qué otra forma podría estar en condiciones de depositar toda su energía en un solo átomo? Por otro lado, la validez de las ecuaciones de Maxwell para el campo EM era indiscutible y el comportamiento ondulatorio de la radiación EM estaba bien documentado. Así nació la idea de la dualidad onda-partícula .

“Este concepto se extendió a la materia en 1920 por Louis de Broglie, quien demostró que el electrón, considerado durante mucho tiempo como una partícula, también exhibe características de onda (ver Capítulo 6). Si no se podía ignorar el comportamiento similar a las partículas del fotón, entonces el comportamiento similar a las ondas del electrón era aún menos ignorable. Y así, la famosa ecuación de Schrödinger no se interpretó como una ecuación de campo como le hubiera gustado a Schrödinger, sino como una ecuación que da la probabilidad de encontrar una partícula en una ubicación particular.

“Resolución . La paradoja de la dualidad onda-partícula se resuelve de una manera muy simple. En QFT no hay partículas; solo hay campos. La explicación del comportamiento similar a las partículas es el colapso cuántico, como se describe en los Capítulos 3 y 6. Cada campo cuántico tiene su propia identidad y actúa como una unidad. Si un átomo absorbe un cuanto, toda su energía se deposita en ese átomo, sin importar cuán extendido pueda estar ”.

La onda que mencionó es una onda de probabilidad que indica dónde y cuándo una partícula (un electrón, por ejemplo) podría interactuar con otra partícula.

En nuestra experiencia cotidiana, estamos acostumbrados a ver objetos siguiendo trayectorias predichas, conociendo sus posiciones exactas en cualquier momento exacto en el tiempo. Precisamente. Lanzar una pelota a una pared a cierta velocidad dará el resultado esperado, puedes predecir la trayectoria de la pelota, ciertamente rebotando en la pared en algún momento.

Pero, en el mundo cuántico (generalmente cuando las distancias son lo suficientemente pequeñas, aproximadamente el tamaño de un átomo) estas posiciones y tiempos exactos se vuelven borrosos, ya no podemos determinar con precisión la posición o velocidad de una partícula (se llama incertidumbre cuántica). Lo que tenemos aquí es solo esa envoltura de espacio (se llama función de onda, estado del sistema …) donde se puede encontrar con cierta probabilidad. Por ejemplo, una partícula (“bola” cuántica) lanzada contra una pared muy pequeña (“pared” cuántica) no tiene una posición precisa, y si su posición borrosa está detrás de la pared, a veces esa partícula puede aparecer en el otro lado de la pared. también (se llama túnel cuántico).

Observe aquí que la posición ondulada borrosa de la partícula da la probabilidad de encontrar la partícula completa en algún lugar y en algún momento (la naturaleza de la partícula en su pregunta, no se divide o es similar, pero sigue siendo la partícula como un todo). Estas probabilidades cuánticas tienen un comportamiento similar, como las ondas de agua, por ejemplo, por lo que naturalmente las llamamos ondas de probabilidad (la naturaleza de la onda).

A2A

Significa que el electrón tiene una naturaleza dual. Actúa como una partícula cuando intentas explicar el efecto fotoeléctrico y la radiación del cuerpo negro. Mientras tratamos de explicar la difracción y la polarización consideramos que tiene naturaleza ondulatoria. Primero, las personas consideraron que el electrón solo tiene naturaleza de partículas. Pero, no pudieron explicar muchas observaciones prácticas. Y, si consideramos que el electrón tiene una naturaleza de onda completa, no podemos explicar muchas observaciones prácticas. Entonces, la única solución razonable era que el electrón poseía tanto la naturaleza de las partículas como de las ondas. Louis Dr Broglie fue el primer científico en explicar la interrelación entre la naturaleza de las partículas y las ondas.

La famosa ecuación de De Broglie te da una longitud de onda = h / p

P es el impulso del electrón (naturaleza de la partícula).

Longitud de onda (naturaleza de onda).

h es la constante de Planck.
Esto es todo lo que sé al respecto.

Hay una intuición que pasa por todos los detalles y es explicable; He hablado de eso antes. Sin embargo, mi explicación más breve de QM toma alrededor de dos horas, y eso sigue funcionando hasta la dualidad onda-partícula.

En consecuencia, no voy a tratar de explicarlo, sino que déjeme explicar por qué no. La dualidad onda-partícula es un par de capas profundas en mecánica cuántica. Primero, uno tiene que entender la idea de un “vector de estado”. Esto lleva algún tiempo explicarlo, involucrando tanto las matemáticas como la física, pero puede hacerse principalmente por intuición. Entonces, uno tiene que entender cómo las funciones forman un espacio vectorial, una idea mucho menos intuitiva que lleva mucho más tiempo explicar. Finalmente, uno tiene que hablar sobre cómo las funciones de onda representan no solo ondas, sino partículas en la teoría del campo cuántico: una tercera capa que llega al meollo de la cuestión, pero lleva una eternidad llegar allí.

Tengo mi propia opinión personal sobre esto que espero se me permita expresar sin necesidad de votar.

Cuando considero la evidencia experimental, concluyo que una buena forma de pensar acerca de la dualidad es:

Los experimentos detectan partículas.

Las cosas viajan como olas.

Por lo que puedo ver, las propiedades de las olas emergen cuando hay muchas partículas involucradas, incluso si es solo una a la vez.

Sin embargo, la explicación de los experimentos requiere propiedades de onda.

La propiedad particular de las olas que normalmente está involucrada es que agregamos antes de cuadrar. Para sistemas de partículas múltiples, agregamos los premios, por ejemplo, al calcular la energía cinética total.

La imagen a continuación es una representación de un fotón, pero quizás no son tan diferentes.

Misterio cuántico de la luz revelado por un nuevo experimento

Lo que sabemos es que cuando diseñamos un experimento para buscar propiedades de onda, eso es lo que obtenemos, PERO en general, las propiedades de onda se muestran por una gran cantidad de partículas. Si el experimento está diseñado para mirar un electrón a la vez, verá una partícula. En mi opinión, la forma más sencilla de explicar esto es que también hay una onda, y eso influye en el movimiento de las partículas. Eso fue argumentado por De Broglie, Bohm, y yo también lo he argumentado. También sostengo que las propiedades de la onda deberían ser autoconsistentes, lo que requiere que la velocidad de fase sea aproximadamente igual (es decir, igual y luego agregue las desviaciones del principio de incertidumbre) a la velocidad de la partícula. Si es así, la velocidad de fase es igual a E / p, y eso significa que hay una energía adicional igual a la energía cinética de la partícula y eso sugiere que la onda está transmitiendo energía, lo que generalmente hacen las ondas.

Argumentar que hay una onda y una partícula es la explicación más simple, sin embargo, la mayoría de los físicos se burlan de esto.

Bueno, un problema al considerar el electrón como solo una partícula es que a medida que viaja alrededor del núcleo se acelera y, por lo tanto, inevitablemente perdería energía y caería en el centro, neutralizando la diferencia de carga entre el electrón y el protón. Un hombre brillante llamado De Broglie se dio cuenta a través de una deliberación matemática y mental de que, si en lugar de ser una partícula, fuera una onda estacionaria, esto no sucedería ni podría suceder. Esto no solo es interesante, sino que también ayuda a introducir la idea de quanta. Solo un cierto número entero de energías de forma de onda podría ocupar cada orbital, y esta discreción se puede encontrar en toda la mecánica cuántica, y es lo que lleva su nombre.

Puedo entender tu diversión? Eso vino con un gran jadeo para ti, ¿no? (Experiencia personal).

Las olas son movimiento . No son entidades en sí mismas, sino que las ondas son movimientos organizados de muchas entidades más pequeñas.

Antes de Einstein, los físicos pensaban que las partículas eran pequeñas pelotas de béisbol localizadas y cuantizadas. Por otro lado, las ondas se miden por cuánto, no por cuántas.

Las olas necesitan algo para viajar, un medio . De hecho, ¡es un medio que se mueve! Las olas también difieren e interfieren , cosas extrañas que nunca harían las partículas que se respetan.

Einstein se dio cuenta de que la luz tiene propiedades de partículas y ondas. Ahora sabemos que las partículas y las ondas son dos extremos opuestos de un espectro continuo. Las partículas y las ondas son etiquetas como “negro” y “blanco”. Todo lo que vemos en el universo es realmente un tono gris.

Tuvo una contribución enorme en el desarrollo de la mecánica cuántica.

¡Espero que esta respuesta te ayude con tu curiosidad! Para obtener más información, visite The Science Station.

Cuando decimos que un electrón tiene tanto partículas como naturaleza de onda, queremos decir que un electrón a veces actúa como una partícula y a veces actúa como una onda. No puede actuar como ambos al mismo tiempo. Ya sea como una partícula o como una ola. Uno a la vez. Es un principio complementario y no contradictorio. No nos estamos contradiciendo entre nosotros.

Digamos que un electrón interactúa con un fotón. Ambos sufren un tipo de colisión como si dos bolas de billar chocaran. Aquí, un electrón muestra su naturaleza de partículas. Una naturaleza a la vez de colisión. Todo depende de la interacción aquí.

Digamos, un electrón pasa a través de dos rendijas. Este es un experimento de un solo electrón. Cuando no medimos el estado, muestra un patrón de interferencia. Aquí, un electrón interfiere consigo mismo. Un electrón actúa como una onda. Una naturaleza en el momento de la no medición. Tan pronto como medimos el estado, significa qué hendidura pasa, actúa como una partícula. Una naturaleza en el momento de la medición.

Podemos ver que un electrón actuaba como una partícula o como una onda. Pero no ambos. Una naturaleza a la vez. Esto es lo que podemos decir sobre la naturaleza dual de un electrón.

¿Es el electrón una partícula?

Realmente no lo se.

¿Es el electrón una onda?

Realmente no lo se.

La cosa es que nadie lo sabe y esa es su belleza.

Además de las respuestas estándar de los libros de texto que recibes en su mayoría (“no es así, se comportará como una partícula o como una onda dependiendo del tipo de experimento que hagamos”, lo cual no creo que una persona laica encuentre muy esclarecedora), siempre Piense que una buena manera de entender intuitivamente lo que sucede es enfatizar el concepto de superposición, a menudo subestimado o ignorado.

Una observación o medición es cualquier evento que hace que una información en el universo tome un estado particular de los posibles en los que podría estar, de modo que el futuro puede en principio depender del estado que tomó. Los posibles estados en los que la información podría estar pueden ser solo 2, como en una medición de giro en un determinado eje, o podrían ser innumerables posibilidades diferentes, cada una con una probabilidad diferente.

Mientras nada exija que la información tome un estado particular de los posibles en los que podría estar, todos los diferentes estados posibles coexisten en superposición, probablemente cada uno de los posibles resultados con un “peso en la mezcla” diferente de acuerdo con La probabilidad de que cada uno de ellos sea real. En este punto, el futuro nunca puede depender de esa información, porque esa información aún no ha adquirido ningún estado definido. El futuro no puede depender de información que aún no existe.

Una “partícula” que se manifiesta como una onda simplemente significa que los diferentes estados en los que puede estar la partícula coexisten en superposición, porque ni nosotros ni nada hemos exigido que se manifieste en un estado definido. En esta situación, percibimos la superposición de estados de manera consistente con una onda, porque una onda también puede entenderse como una estructura compuesta que surge de la combinación de diferentes componentes superpuestos.

Para obtener más detalles, simplemente vincularé mi respuesta a una pregunta relacionada:

La respuesta de Gerard Bassols a ¿El experimento de doble rendija realmente muestra que se requiere observación consciente para que un fotón colapse de una onda a una partícula?

La “naturaleza de partículas” de un electrón emerge de la “naturaleza de onda” a través de un proceso llamado decoherencia . La forma más simple (aunque no 100% precisa) de describir la decoherencia es decir que cuando muchas partículas interactúan (el término técnico es que se “enredan”) entre sí, comienzan a comportarse más como partículas y menos como ondas. Una descripción más precisa es que si toma un sistema de partículas que interactúan mutuamente e ignora una de ellas (el término técnico es “rastrear” una de ellas), las “partículas” restantes actúan como si lo que ignorara fuera una partícula, a pesar de que realmente no lo es.

Aquí hay un video que describe esto con más detalle:

Cuando dice “explicar”, ¿quiere decir “rectificar con sentido común”? Si es así, no puedo.

El sentido común dice que un electrón es como una pequeña bala, siempre sabemos dónde está y hacia dónde se dirige, y si lo disparas a una placa de acero con dos agujeros, rebota o atraviesa el agujero A o pasa a través del orificio B; ese solo electrón ciertamente no puede atravesar AMBOS agujeros, ¿verdad? ¡Sentido común!

Mientras que se sabe que un rayo de luz es una ola: como las olas en el océano a medida que atraviesan un malecón con un par de espacios, la luz que pasa a través de dos agujeros sale al otro lado en dos círculos extendidos al mismo tiempo, en algunos lugares donde esas oscilaciones están en fase y obtienes interferencia constructiva, y en otros lugares obtienes interferencia destructiva (el agua es plana, para el caso del malecón). Ciertamente no puedes absorber la ONDA ENTERA en un solo lugar, ¿verdad? ¡Sentido común!

Lamentablemente, el sentido común está mal. No solo podemos (y lo hacemos) detectar luz en discretos “cuantos” de una energía fija, incluso después de que haya hecho toda la interferencia para demostrar que es una onda, también observamos patrones de interferencia similares en los lugares donde detectamos los electrones aguas abajo del placa con dos agujeros, incluso cuando estamos absolutamente seguros de que solo disparamos un electrón a la vez, digamos uno cada minuto.

La luz, que ciertamente es una onda, también se comporta como una partícula (el fotón).
Los electrones, que ciertamente son partículas, también se comportan como ondas.

Estos son hechos empíricos, confirmados en un millón de experimentos. La matemática de la mecánica cuántica fue preparada para permitirnos hacer predicciones sobre tales experimentos. Generaciones de “filósofos naturales” han luchado por “explicar” estos fenómenos en términos más apetecibles para nuestro “sentido común”. Han fallado. Es sentido común que tiene que cambiar. Tratar con él.

Para decirlo de manera menos conflictiva, solo tienes que acostumbrarte a la mecánica cuántica. Mucha gente lo ha hecho. Usted también puede.

Cada partícula tiene una longitud de onda correspondiente.

Las partículas más pequeñas tienen su naturaleza ondulatoria tan dominante como su naturaleza de partículas. Ejemplo: electrones, fotones, quarks, etc.

Los objetos más grandes tienen una longitud de onda correspondiente, pero es insignificante. La naturaleza de partículas es la propiedad visible.

Esta es la razón por la que hemos separado la física clásica (macro) y la física cuántica (micro).

Esto, lo he explicado en términos simples.

Entonces, los electrones, al ser partículas fundamentales, se entienden mejor en la física cuántica, que se enfoca y enseña a la naturaleza de las partículas y las ondas. La física clásica no puede hacer eso. Cada partícula surge de una longitud de onda correspondiente.

Según el principio de incertidumbre, no podemos observar la naturaleza de las ondas y partículas al mismo tiempo.

Es muy difícil de explicar, pero creo que la mejor manera de explicarlo es con la fórmula DeBroglie. Esto dice que algo que consideramos una partícula, como un electrón, en realidad tiene una longitud de onda (lambda) de:

lambda = h / p

donde h es la constante de Planck, que se determina experimentalmente, y p es el momento relativista de la partícula. Una longitud de onda más corta corresponde a un comportamiento más parecido a una partícula, y una longitud de onda más larga corresponde a un comportamiento más similar a una onda. Tenga en cuenta que esto no solo se aplica a los electrones. Esto se aplica a todas las partículas subatómicas.

En física contemporánea; cuando cierto fenómeno no puede explicarse por la naturaleza de la partícula del electrón, alcanza la naturaleza de onda y cuando cierto otro fenómeno no puede explicarse por la naturaleza de la onda, el electrón alcanza la naturaleza de la partícula.
Una vista alternativa; Los electrones son cuerpos de materia 3D con estructura definida, naturaleza y propiedades logradas debido a su estructura. No son una masa sólida de materia 3D. Un electrón tiene tres conjuntos (dos en un conjunto) de partículas de materia 3D básicas que se mueven en la superficie de una esfera imaginaria y giran en fase entre sí. Los contenidos de materia 3D de las partículas de materia 3D básicas asignan electrones con su naturaleza de partículas. Los movimientos de las partículas de materia 3D básicas constituyentes asignan electrones con su naturaleza ondulatoria. Para más detalles, consulte el capítulo 12 de ‘MATERIA (reexaminada)’.

La cuestión es que cuando hablamos de electrones necesitamos movernos al espacio de la mecánica cuántica. Y allí podemos observar que no podemos medir algo sin cambiar sus propiedades. Lo mismo ocurre con los electrones. Si bien no los medimos, actúan como “ondas”, en realidad no tienen una posición, solo la probabilidad de que pueda medirlos en algún lugar (en realidad, ya que la superposición de posiciones es el término correcto), mientras que las medimos las forzamos tomar una posición definida y actuar como una partícula.
Uno de los experimentos más populares entre el público en general es el efecto Observador causado por este principio. Si lo buscas, encontrarás algunos buenos videos al respecto.

Sencillo. Un electrón no es una onda en el sentido que conocemos de la vida cotidiana, pero a veces se comporta como una onda, dependiendo de cómo se “mire”. Un electrón no es una partícula discreta en el sentido que conocemos de la vida cotidiana, pero a veces se comporta como tal, dependiendo de cómo se “mire”. Un electrón (y esto se aplica a cualquier otra parte fundamental) no es ni una onda ni una partícula en el sentido que entendemos, pero puede actuar como uno o ambos, y nadie, ni siquiera los mejores físicos que hayan vivido, realmente comprende cómo es eso o qué significa Sin embargo, por pobre que sea nuestra comprensión, nos ha permitido construir y aprovechar todo tipo de dispositivos nucleares y cuánticos, y continuaremos haciéndolo, y eso es claramente un bien neto.

Aquí hay una breve respuesta que escribí hace años que podría ayudar a entender este misterio. Primero escribo sobre la luz, pero la misma discusión se aplica a los electrones y otras partículas.

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Bueno, me gustó la pregunta. Así es como voy a abordarlo. Antes del descubrimiento de este carácter de dualidad de onda de los electrones y la radiación electromagnética, hubo varias observaciones que no pudimos explicar en base a la opinión de que el electrón es una partícula. Decimos que interfieren como lo hace la luz. Entonces, lo único que interfiere es la luz, por lo tanto, inferimos que el electrón debe comportarse como onda para interferir y probamos la hipótesis y era cierto, pero había una gran contradicción de que si tratamos de detectar el electrón como partícula, existen partículas, por lo tanto, propusimos que existan como partículas y ondas.