La pregunta ni siquiera está mal. La razón por la que está mal es que tu misma concepción de un electrón está mal. Tienes que someterte a lo que se llama un “cambio de paradigma” en tu pensamiento, lo que significa que antes de que puedas preparar tu mente para algo nuevo, debes abandonar el viejo pensamiento. La tendencia a aferrarse a partes del viejo pensamiento causa todo tipo de problemas, y debe examinar críticamente lo que puede dejar ir de manera segura. El problema aquí también es que pensar en humanos está “condicionado”, y peor que eso, el condicionamiento se ve reforzado por la estructura y la naturaleza del lenguaje que empleamos. Este fenómeno fue descrito con precisión por el brillante lingüista Benjamin Whorf, quien propuso la hipótesis de Whorf. (También atribuido erróneamente a Sapir).
Bien, habiéndome quitado eso del pecho, echemos un vistazo a lo que tenemos. Aquí tenemos una cosa llamada función de onda, que es claramente un enfoque correcto porque da como resultado características geométricas que coinciden con precisión con la evidencia empírica de toda la química.
Ahora, ¿qué significa esta función de onda? Al igual que cualquier onda, estamos tratando con una frecuencia y una longitud de onda, por lo que hay un aspecto espacial y temporal en eso. ¿Cuál es el alcance de esta ola? La respuesta es clara, hasta el infinito. No hay absolutamente ninguna necesidad de ningún concepto de movimiento o viaje clásico, cuando partimos de esa base. Debes dejar ir todo eso.
- Si un átomo puede estar en dos lugares al mismo tiempo, ¿puede estar en tres lugares al mismo tiempo? Cuatro? Mil millones?
- Hay entre [matemáticas] 10 ^ {72} [/ matemáticas] a [matemáticas] 10 ^ {82} [/ matemáticas] átomos en el universo. ¿Puedes dividir ese número en algo más comprensible, para ponerlo en perspectiva?
- ¿Qué significa decir que un orbital atómico es una función de onda?
- ¿Por qué la suma de las fuerzas totales de todos los electrones en un átomo es igual a cero?
- ¿De qué tamaño son las partículas de un átomo en relación con su tamaño?
¿Qué tipo de ola? Bueno, un tipo particular de solución llamada onda estacionaria. Eso significa que, hasta donde alcanza la vista, se produce una oscilación cíclica. Lo que está oscilando exactamente lo veremos en un momento, pero la cuestión aquí es que esta solución es buena. Aquí hay una suposición que merece ser mencionada, y es que se supone que los parámetros que hemos etiquetado x para espacio yt para tiempo se mapean en lo que conocemos como espacio y tiempo macroscópico. Pero realmente deberíamos etiquetar eso como un postulado.
Bien, ahora, ¿qué es lo que está oscilando? Este tipo de preguntas de “¿qué es lo que está agitando?” No son nuevas, Faraday hizo este tipo de preguntas e inventó una teoría de campo, y Einstein resolvió el rompecabezas dejado por Faraday y Maxwell con la teoría de la relatividad. De hecho, lo que está agitando aquí es una función que Scrodinger acaba de sacar de su sombrero. Sin embargo, lo notable es que solo necesitaba una función. Es posible que haya esperado que todas las diversas propiedades físicas involucradas incluso en un átomo de hidrógeno requieran un conjunto terriblemente complejo de funciones.
Bueno, era “complejo” en el sentido matemático de un número complejo, pero en realidad es algo simple, se usan dos números para valorar las cosas, una “pareja” en lugar de un solo número. Utilizó un aparato matemático que ya tuvo éxito con las ondas. Este también es un punto delicado, porque las matemáticas pueden traer consigo todo un aparato que no implica necesariamente que haya una base física para todo o de hecho ninguno de ellos. Los matemáticos a menudo tienen más de una forma de desollar a un felino, vivo o muerto.
Era una ola dual entonces. Esa es la historia principal. Ahora se considera que algunas propiedades son oscilaciones que varían directamente con la amplitud, y que otras varían con la pendiente de la amplitud, es decir, es derivada. Pero aun así, todos se basan en la misma onda en el núcleo, en perfecta sincronía. No tenemos que preocuparnos por lo que significa la sincronización aquí, estamos trabajando en un espacio idealizado que no mueve nada para que no tenga que tener esas definiciones operacionales en las que Einstein insistió. (Lo que lo hizo muy infeliz).
La forma en que te relacionas con la onda sin jugar con ella, como su derivada, etc., se maneja muy bien con la idea de un operador matemático, y resultó que las variables físicas correspondían a los operadores. La energía es una variable primaria, y está vinculada a la frecuencia de oscilación. El momento está ligado a la amplitud. Dado que hay una carga eléctrica involucrada de alguna manera en este “movimiento”, podríamos esperar que aparezca una propiedad física para la “corriente eléctrica”, y usted estaría en lo cierto. Aunque no obtendrá necesariamente un campo magnético, puede obtener una respuesta a un campo magnético de dicho sistema. Pero parece cada vez más fantasmal, creo que espeluznante fue el término de Einstein.
Ese solo orbital electrónico también tiene una sola energía. Eso lo sabemos, porque la onda oscila en todo el espacio a la frecuencia precisa a la que llamamos energía. La idea de que un electrón es una partícula diminuta que puede ganar suficiente energía para dirigirse a Apha Centauri y regresar a tiempo para el desayuno, es simplemente ridícula. Ni siquiera está mal. No, todo el orbital “es” el electrón, sin peros, sin peros. No hay sentido de trayectoria, ni sentido de historia, ni comportamiento termodinámico, nada de eso.
Lo que este modelo pone de relieve es la relación entre lo que entendemos como continuo y lo que entendemos como discreto. E incluso cómo puede surgir esa distinción. Lo que tenemos hasta ahora aquí es lo continuo. Un solo electrón se ha extendido al infinito y sus propiedades se han caracterizado como densidades. Y no hay nada más. Nada escondido en ningún lugar que nos hayamos perdido.
¿Cómo es entonces que una conceptualización tan etérea puede tener algún efecto físico? La respuesta a eso está en dos niveles. La primera respuesta es que si todo tiene una conceptualización etérea, entonces dos conceptualizaciones etéreas podrían interactuar fácilmente. Aunque tenemos que tener mucho cuidado con lo que entendemos por “interactuar” cuando se trata de olas. La interferencia constructiva y reflexiva no es una cosa activa, es un tipo de interacción pasiva donde la simple co-presencia de dos cosas produce una cosa resultante. La forma en que esto funciona en la práctica es realmente sorprendente. La ilustración clásica de esto sería “tensión de enlace”. Cuando la geometría de una molécula no es ideal, el ángulo de los enlaces no a una energía mínima, se puede formar un enlace en un estado “tenso”. Esta es una fuerza real, una energía almacenada real, una geometría menos que perfecta y, sin embargo, el enlace es simplemente la interferencia de los orbitales de cada compañero que sigue la solución de las ecuaciones de onda al interferirlas en esa orientación menos que perfecta. Estas nubes nebulosas manifiestan una presencia física en ese sentido, al tener consecuencias físicas.
La segunda forma es interactuando de manera que cree un nuevo sistema para resolver. Por ejemplo, supongamos que quiero “detectar” un electrón en un átomo. Podría hacerlo golpeándolo con una partícula de alta energía, y el ángulo de dispersión me diría que golpeé un electrón. También pude detectar el electrón volando desde el átomo. Pero espera. El sistema que describo en esa colisión ya no es la función de onda de un átomo aislado. Es el átomo más la partícula entrante. Esa es la segunda revelación sobre la nueva perspectiva. Significa que tenemos que hacer lo que los analistas informáticos hacen instintivamente. Nos vemos obligados a tener una visión de los sistemas de todo.
OK, regresemos a nuestro orbital electrónico. Parece razonable, por analogía, que un orbital clásico pueda ser reemplazado mentalmente por una densidad difusa de propiedades oscilantes en el espacio. Aunque ya tenemos que lidiar con la idea de movimiento actual sin cargo. Una especie de “corriente permanente”. Pero muchas personas parecen reacias a dar el siguiente paso lógico. La idea de “propiedades internas” se acerca más al núcleo de lo que la gente está dispuesta a dejar ir. ¿Cómo se supone que caractericemos las propiedades “intrínsecas” de una “partícula”? Bien, ¿el electrón en su orbital atómico todavía califica como una “partícula”. Claro, podemos mantener ese lenguaje, porque definitivamente son contables y aditivos, y rastreables en términos de leyes de conservación al menos. Y la fuerza central vinculante que mantiene este átomo es, de hecho, un galope matemático que podemos localizar por métodos operativos. Está en la habitación conmigo, porque estoy en la habitación, lo que me permite el sistema del que formo parte.
Entonces, ¿qué pasa con su carga, su masa, su giro, su radio? ¿Qué pasa con un electrón que se describe como una “partícula puntual”? ¿Qué tiene que decir un orbital sobre todas esas propiedades? ¿No prueba eso que hay un artículo animado después de todo? La respuesta es un rotundo no. ¿Cómo sondea el radio de un electrón? Solo por colisiones de alta energía que, por definición, significa que ya no se considera que se describe como vinculado a un átomo. El giro, por ejemplo, es una propiedad de la onda misma, por lo que podemos decir con seguridad que para un electrón en un orbitl, el giro de ese electrón es un operador de onda, no solo pertenecer a un punto es espacio o tiempo, sino a cada punto de toda esa ola. Y así continúa,
El último punto que vale la pena mencionar es esa palabra fantasma “probabilidad”. ¿Qué tan mal entendido es ese concepto? Una palabra descriptiva mucho mejor es la teoría estadística, pero no en el sentido de medir cosas, en el sentido de desarrollar las matemáticas en sí. Lo que hace la teoría estadística es que crea una “dimensión” completamente nueva para las ecuaciones matemáticas, las libera en el mismo sentido que los números complejos liberaron los reales. La persona que realmente entendió esto en relación con la teoría cuántica fue el australiano JE Moyal, quien desarrolló por primera vez un enfoque algebraico envolvente de la mecánica cuántica. Sin profundizar en todo eso, basta con decir que la interpretación probabilística es una afirmación demasiado amplia. Es cierto que la función de onda conduce a probabilidades correctas para ciertos experimentos. Pero cuando Born lo describió como la probabilidad de la presencia de una partícula asociada, no quiso decir la palabra presencia literalmente como una sola ubicación. Incluso si el experimento produjera ese artículo en algún lugar en particular. Presencia significa presencia en un estado particular, como un estado propio preparado por algún procedimiento experimental.
Los electrones de distribución angular que impactan en una pantalla, o de hecho en cualquier parte del volumen, se ajustarán a la integración de la densidad de probabilidad según lo descrito por la función de onda alrededor de ese lugar. Hay procesos que ocurren en tales experimentos.
Por el contrario, el electrón orbital es una onda estacionaria. No se produce ningún cambio de estado. Entonces, no hay nada que podamos etiquetar como un evento que esté ocurriendo que tenga algunas ramificaciones estadísticas. Claro, si golpeamos un átomo con una partícula, entonces la probabilidad de un evento de dispersión ciertamente dependerá de dónde la onda tenga más presencia, podríamos esperar que las zonas constructivas de enlace químico, por ejemplo, se dispersen mejor que el espacio destructivo en el medio no hay “densidad de electrones”. Pero hablar como si el electrón ya estuviera allí en el sentido de que una partícula puntual estaba allí de alguna manera, está mal.
