¿Qué quieren decir las personas cuando dicen que las partículas actúan como ondas y viceversa?

Todo el asunto de la dualidad “onda-partícula” es una falla del lenguaje para describir adecuadamente el mundo físico.

Tenemos que reconocer que la palabra “partícula” es la abreviatura de una lista de propiedades. Cuando decimos “esto es una partícula”, lo que queremos decir es (generalmente)

1. Este objeto es discreto: puedo tener 1 o 2 de ellos, pero no 1.6.
2. Este objeto está localizado espacialmente: la idea de una ubicación espacial exacta es significativa. El objeto puede tener un tamaño, pero podría referirme a la ubicación del centro de una pelota de béisbol, por ejemplo.
3. Este objeto tiende a moverse como nuestra imagen intuitiva de una bola de boliche o algo así; en ausencia de otras fuerzas, se mueve en línea recta, con una trayectoria única y bien definida.

Por otro lado, cuando decimos “esto es una ola”, lo que generalmente queremos decir es

1. Este objeto es algo amorfo: contar los frentes de onda es razonable, pero una onda es más una perturbación prolongada.
2. Como se mencionó anteriormente, la afirmación de que la ola está “justo allí” en realidad no tiene mucho sentido.
3. ( Probablemente lo más importante) Esta perturbación exhibe difracción e interferencia.

La razón por la que hemos desarrollado estas frases abreviadas es porque en nuestra vida cotidiana, muchas cosas están razonablemente bien descritas colocándolas en el contenedor de partículas o en el contenedor de ondas. Los tomates, las pelotas de béisbol y la taza de café que se sienta en mi escritorio caen en el contenedor de partículas. El sonido de alguien aplaudiendo, agitando los frentes en la playa y las ondas de una sábana colgada en un tendedero caen en el contenedor de olas.

Pero hay muchas cosas que realmente no se ajustan a ninguna descripción. Si ata una cuerda a una puerta y luego la mueve rápidamente hacia arriba y hacia abajo nuevamente (una vez), verá un pulso viajando a lo largo de la cuerda que es como una partícula (en la medida en que está localizado y definitivamente es contable, al menos hasta se extiende y desaparece), pero también en forma de onda (si ata una cuerda ligera a una cuerda pesada, y luego la cuerda pesada a la puerta y repite el experimento, un solo pulso se dividirá en dos pulsos).

En la mecánica cuántica, los objetos tienden a comportarse como el pulso en la cuerda, ya que tienen ciertas propiedades que sugieren colocarlos en el contenedor de “partículas”, pero otros que sugieren colocarlos en el contenedor de “ondas”. Son contables y algo localizados espacialmente (como el pulso en la cuerda), pero también interfieren entre sí y, de hecho, ellos mismos (lo que tiene sentido matemático, pero no es fácil de visualizar porque nada ha visto nadie con su los ojos se comportan de esta manera).

“¿CÓMO PUEDE ALGO SER UNA PARTICULA Y UNA ONDA?”, La gente llora maravillada y asombrada. No lo son No son ninguno, son lo que son y se comportan como se comportan. No hay absolutamente nada misterioso al respecto, a menos que esté empeñado en aplicar etiquetas mal ajustadas que inventamos observando tomates y olas en el océano.

Están hablando de una sola partícula. Las partículas múltiples son mucho más complicadas. Aclaremos algunas cosas primero.

En Física, una partícula ideal, piense matemáticamente, generalmente existe como un punto en el espacio y tiene cantidades similares a partículas asociadas, como posición, momento, aceleración, etc., asignadas a ella. Existe una onda ideal en todo el espacio, o al menos en toda una dimensión, y tiene propiedades como amplitud, frecuencia y fase, que no tienen un análogo real para partículas puntuales. También tiene fenómenos especiales asociados solo como difracción e interferencia, que nunca se ven en el comportamiento de las partículas.

El comportamiento ondulatorio de una sola partícula significa que, en ciertos experimentos, la única forma de explicar el resultado es mediante el uso de las matemáticas ondulatorias en una cantidad particular que está “agitando”. Pero, ¿qué es exactamente “agitar”? Es algo llamado la función de densidad de probabilidad de la partícula. Si lo desglosamos, es la posibilidad de encontrar una partícula en posición, con una cierta velocidad y energía en una región muy pequeña del espacio para una ejecución del experimento. Puede asignar una “probabilidad de encontrar” a un montón de pequeñas regiones en todo el espacio resolviendo lo que se llama la función de onda de Schroedinger, y cuando haya terminado, puede hacer una integral de volumen, que básicamente suma todas las probabilidades sobre todo el espacio, y deberías obtener el 100%: ¡la partícula tiene que existir en algún lugar! – pero tenga en cuenta que la probabilidad de encontrarlo cambia de una ejecución del experimento a la otra.

La función de densidad de probabilidad es lo que está “ondeando”, y es a partir de ahí que obtenemos las velocidades y energías de posición de la partícula, por lo que muchos físicos básicamente tratan la partícula como la función de densidad de probabilidad.

Sin embargo, debemos tener en cuenta que esto es solo para situaciones de tamaño atómico, no vemos este comportamiento en distancias más grandes y partículas más grandes. Para comprender completamente por qué necesita un curso en teoría de ondas, es decir, solo vemos un comportamiento similar a las ondas cuando el experimento tiene el tamaño de la longitud de onda de la función de densidad de probabilidad de la partícula.

No estoy seguro de si eso aclaraba las cosas … para comprender la mayor parte, necesita una colección de vocabulario y conceptos, aplicados a experimentos clave para comprender algo. De lo contrario, es como explicarle la nieve a una persona que nunca ha visto agua sólida o se ha encontrado con el fenómeno de la congelación.

La mejor manera de entender este sentimiento es leer sobre el experimento de la doble rendija. Una y otra vez. Todas las respuestas están ahí. Pero aquí intentaré agregar un poco de carne en esos huesos:

Primero, ¿cuáles dirías que son las propiedades de las partículas y las propiedades de las ondas? Solo dos ejemplos importantes:

1. Las partículas están localizadas. Puede decir que una partícula está “aquí” y no “allí”. Claro, tal vez la partícula tiene algún tipo de tamaño, por lo que está en un cierto volumen. Pero el punto es que está muy claro si un punto en el espacio está ocupado por una partícula o no.

Olas, es todo lo contrario. Las olas están deslocalizadas. Tal vez puedas hablar sobre dónde está el frente de onda , pero no será en un punto específico.

2. Las partículas chocan entre sí. Dos partículas que vuelan por el aire pueden perderse o chocar entre sí y alterar su trayectoria de vuelo. Pero siempre son dos partículas.

Olas, es todo lo contrario. Las olas “interfieren” entre sí. Cuando dos ondas chocan, obtienes algo complicado que es la suma de las dos ondas.

Entonces, con estas caracterizaciones en mente, puedes hacer un experimento. Puedes hacer este experimento con lo que quieras: fotones, electrones, lo que sea. De hecho, imaginemos que no sabía si lo que estaba tratando era una partícula o una onda. (De hecho, históricamente este experimento fue diseñado para obtener una idea de esa pregunta).

Esta es la configuración para el famoso experimento de doble rendija:

Disparas electrones del arma. No tienes muy buena puntería … simplemente disparas al azar. Disparas un montón de ellos, pero solo uno a la vez. Muchos de los electrones nunca pasan la primera barrera. De vez en cuando lo hacen. Cuando eso sucede, llegan a la pantalla de observación. A su vez, el electrón afecta la pantalla de observación, digamos, oscureciéndola.

Ahora, si los electrones fueran partículas “verdaderas”, al menos en el sentido de tener las dos propiedades similares a las partículas que describí anteriormente, entonces esperaría ver una cierta distribución de detecciones en la pantalla de observación. Puede averiguar cómo debería ser matemáticamente, suponiendo que el electrón atraviese una u otra hendidura, y tal vez rebote en la hendidura en alguna dirección, y vuele directamente a la pantalla de observación. No describiré la fórmula, pero hablando cualitativamente espera un cierto patrón “uniforme” o “distribuido uniformemente” de donde golpean los electrones.

Por otro lado, si los electrones fueran ondas “verdaderas” (es decir, tienen las propiedades de onda anteriores), se espera algo más. Espera que la onda atraviese ambas ranuras a la vez, luego las dos formas de onda que emergen de la ranura interfieren entre sí en el camino a la pantalla de observación. Una vez más, puedes hacer cálculos matemáticos para precisar las cosas, pero hablando con rudeza deberías ver bandas de oscuridad y bandas de luz, como se muestra en la imagen.

¿Qué sucede realmente cuando haces el experimento? Obtienes el patrón de interferencia. Es una combinación perfecta para su predicción teórica, basada en el supuesto de que los electrones son ondas que atraviesan ambas ranuras.

Genial … eso obviamente significa que los electrones son ondas, ¿verdad? No tan rapido.

Si los electrones fueran ondas, debería poder colocar detectores en cada ranura y ver cómo la “onda de electrones” pasa a través de ambos detectores. Pero cuando haces eso, sucede algo extraño:

Primero, solo ves que el electrón atraviesa una rendija a la vez. (Entonces, los electrones parecen estar exhibiendo ahora el fenómeno de partículas “localizado en el espacio”). Además, cuando coloca detectores en las rendijas , ¡desaparece el patrón de interferencia en la pantalla de observación! De hecho, el patrón resultante en la pantalla de observación corresponde exactamente a lo que cabría esperar al tratar los electrones como partículas que no interfieren entre sí.

Tomó mucho tiempo, históricamente, resolver esto. También lleva mucho tiempo, individualmente, digerir realmente lo que está sucediendo. Si eres diligente, lo entenderás. (Esto está cubierto en un curso básico de mecánica cuántica que probablemente verías en la universidad). Y hay un sinfín de variaciones en este experimento, lo que afecta a lo que haces con los detectores. (¿Quizás poner uno solo en una rendija? ¿Quizás intentar poner uno de alguna manera entre las rendijas y la pantalla de observación? Etc, etc.)

Pero por ahora, espero que al menos este experimento demuestre que no es tan fácil decir qué es y qué no es una partícula u onda.

Durante mucho tiempo, los electrones se consideraban partículas que transportan la carga eléctrica de la unidad: e. Fue posible medir su relación de carga a masa, utilizando campos eléctricos y magnéticos en un tubo de rayos catódicos. Millican midió la carga en un electrón, usando pequeñas gotas de aceite cargadas.

Durante mucho tiempo se pensó que la luz consistía en ondas. Mostró todas las propiedades de las ondas, desde la reflexión y la refracción, hasta la difracción y la interferencia. Luego, para explicar el espectro de la radiación del cuerpo negro , Plank utilizó la fórmula E = hf, para un oscilador electromagnético. Lo consideraba como un “truco matemático”.

El efecto fotoeléctrico fue imposible de explicar, desde su descubrimiento por Hertz, en 1887. Einstein tomó la relación de Plank literalmente y dijo que la luz consiste en ‘ fotones ‘, de energía, E = hf . Esto le permitió explicar completamente el descubrimiento de Hertz, cuantitativamente.

Luego, Bohr comenzó a tratar de formar una teoría del átomo de hidrógeno, que pudiera explicar el discreto espectro de emisión atómica del hidrógeno. Lo hizo diciendo que el electrón solo podía estar en ciertas órbitas “estacionarias”, cuando su energía se mantiene constante. Tales órbitas tenían que satisfacer la fórmula; L = nh / 2pi. Esto es equivalente a que el electrón tenga una longitud de onda, w, dada por w = h / p , y nw = 2pir, donde L es el momento angular, igual a pr, p es el momento lineal y r es el radio de la órbita. Entonces, las ondas asociadas con el electrón deben formar una onda estacionaria. No se permiten otras órbitas. n se llama el número cuántico principal. Bohr también demostró que la energía de una órbita, E, tiene la fórmula; E = – K / n ^ 2, donde K es una constante para un átomo de hidrógeno. Dijo que la energía solo se emite cuando el electrón cae a una órbita más baja, desde una más alta, de modo que E = E2-E1. Más tarde se dio cuenta de que esto sería solo la energía de un fotón, tal que;

hf = E2 – E1 = K (1 / n2 ^ 2 – 1 / n1 ^ 2)

Esta fórmula está totalmente de acuerdo con la medición experimental. Tenga en cuenta que trata los electrones como ondas y las ondas de luz como partículas. La formula; w = h / p , es completamente general, ya que se aplica a todas las partículas. Se aplica incluso a las balas y los automóviles: es solo que su impulso es tan alto, incluso cuando viajan muy lentamente, que sus longitudes de onda son tan diminutas que no pueden medirse.

También se descubrió que las partículas, como los electrones y los neutrones, podían producir efectos de difracción e interferencia, exactamente en línea con la fórmula anterior.

El comportamiento ondulatorio de las partículas submicroscópicas (moléculas, átomos, partículas subatómicas, partículas elementales) en niveles submicroscópicos y, a veces, macroscópicos, es completamente básico. No hay nada más básico que podamos usar para explicarlo, excepto que debe satisfacer las leyes de conservación, de energía, impulso, carga, etc. Todo lo que podemos hacer es describirlo con la mayor precisión posible, y una forma de hacerlo. es imaginar la existencia de ondas de probabilidad, ¡que incluso pueden interferir entre sí! Estas ondas son imaginarias y descriptivas. No tienen ningún efecto causal, pero son una base de predicción. Una vez que podemos describir algo, con la precisión de las matemáticas, podemos predecir su comportamiento futuro, hasta cierto punto.

Algunas ondas incluso muestran un comportamiento similar a las partículas, como la luz y el sonido. Pero, algunos fenómenos son puramente ondulados, como las olas de aguas profundas, las ondas en los estanques, las ondas sísmicas y, posiblemente, las ondas gravitacionales. Las ondas de este tipo no tienen impulso, por lo que no se puede decir que sean como partículas.

Una forma de verlo, porque las partículas son ondas, solo ondas en los campos. Nunca son “bolitas” o puntos.

Aquí se explica bien con las matemáticas escolares y las imágenes animadas: Campos y sus partículas: con matemáticas.

Lo que sucede cuando se observa que las “partículas” se comportan como “ondas” es simplemente que la partícula existe en una superposición de varios estados en los que puede estar.

La superposición cuántica es un fenómeno bien establecido, pero por alguna razón algunas personas aún dudan en aceptarlo como la causa de fenómenos como el patrón de interferencia de doble rendija, la tunelización cuántica u otros.

En un experimento de doble rendija sin detector de qué camino. la partícula pasará a través de ambas ranuras simultáneamente, y el resultado observado en la pantalla posterior será un patrón de interferencia simple, igual que si la partícula atravesara ambas ranuras simultáneamente, porque eso es precisamente lo que hizo.

Con los detectores de la ruta, la partícula solo puede pasar por una ranura para mantenerse consistente con la información en los detectores.

En un experimento con muchas opciones posibles para la partícula y sin detectores de estado, cualquier intento de detectar la partícula mostrará lo que llamamos una función de onda.

Significa que se puede demostrar que la materia se comporta como una partícula y como una onda. La luz suele ser el ejemplo dado la primera vez que se explica este concepto.

Si realiza el experimento de la doble rendija de Young, en el que ilumina la luz a través de dos rendijas muy juntas, observará patrones de difracción. Estos solo pueden existir si interfieren dos ondas, por lo que puede inferir correctamente que la luz se comporta como una onda. Fácil, verdad?

Sin embargo, si prueba el efecto fotoeléctrico haciendo brillar la luz sobre un metal y midiendo la corriente resultante, encontrará que la intensidad de la luz no afecta si se mide o no una corriente, y que solo la frecuencia [matemáticas] f [/ matemáticas] es importante. Este fenómeno solo puede explicarse tratando la luz como si viajara en paquetes de energía [matemática] \ hbar f [/ matemática] llamados “fotones”. ¡Entonces la luz debe ser una partícula!

Es muy contrario a la intuición que la luz es simultáneamente una partícula y una onda. Es aún más intuitivo que toda la materia se comporta de esta manera. Nadie tenía idea hasta el siglo XX, pero luego se desarrolló la teoría de la mecánica cuántica, y descubrimos que esa es la forma en que funciona el universo. La materia tiene propiedades de partículas y ondas. Cuanto más grandes son las cosas, menos obvio se vuelve el comportamiento de las olas, pero aún está presente.

Ciertamente, es mucho para entender la primera vez. Verificaría lo que MinutePhysics tiene que decir al respecto. Si todavía está interesado, hay innumerables videos que explican los experimentos anteriores y los inicios de la teoría cuántica. Las matemáticas están un poco avanzadas, pero las ideas básicas se pueden explicar de manera relativamente simple. Yo recomiendo echarle un vistazo

El tercero. Una partícula individual solitaria se propaga como una onda, pero se detecta como una partícula.

Quizás sea más fácil pensar en un fotón: se propaga como una onda electromagnética (luz), pero se detecta como un cuanto de energía. Lo mismo ocurre con las ondas de sonido (fonones) si tiene un detector muy sensible. Todo lo que dijo De Broglie fue, tal vez lo mismo sea cierto para los electrones y otras partículas pequeñas.

Los experimentos han demostrado que incluso un solo fotón puede actuar como onda y como partícula. El fotón que viaja como onda no significa que se alargue. En realidad, cuando el fotón emite desde la fuente, tiene varias opciones de ruta para alcanzar el objetivo. Tomemos en cuenta la posición observada del fotón y grafiquemos el gráfico de la posible posición del fotón durante su viaje. Cuando consideramos que la posición inicial del fotón, alguna ruta / posición en el viaje tiene la mayor posibilidad de ocurrir, estas posibilidades se marcan como una mayor amplitud en el gráfico. Estas amplitudes dependen en gran medida de la posición / configuración inicial de los fotones y también estas amplitudes dependen (las posibilidades aumentan o disminuyen) de su interacción con otras partículas durante el viaje. Entonces, antes de que el fotón realmente se aleje de la fuente, estas posibilidades actúan como flexión y torsión de la onda según la configuración inicial. Uno no puede especular de la manera exacta en que el fotón viaja al objetivo, pero solo puede adivinar una mayor probabilidad. Entonces, esta onda en realidad no existe físicamente, estas son solo ondas de probabilidad antes de que el fotón viaje. Una vez que el fotón decide un camino, esta función de onda simplemente colapsa.

Los físicos han desarrollado una forma bastante buena de describir lo que sucede en el mundo y lo llaman teoría cuántica de campos (QFT). Las matemáticas para esto son bastante difíciles, por lo que no encontrará una descripción completa en una respuesta de Quora a menos que se desborde con demasiados detalles.

En QFT no hay partículas ni ondas. Solo hay campos cuánticos y las matemáticas que los describen.

En algunos casos (como para objetos lo suficientemente grandes como para que podamos verlos) QFT predice que las cosas actúan de la forma en que estamos familiarizados (las pelotas de béisbol rebotan en las paredes, las ondas de sonido pueden interferir entre sí). Si este no fuera el caso, necesitaríamos una nueva teoría. En otros casos (como en los núcleos atómicos o los láseres) las cosas actúan de formas desconocidas y no intuitivas. La gente a veces dice que esto es paradójico, pero en realidad no es familiar.

Entonces las partículas no actúan como ondas y las ondas no actúan como partículas. ¿Qué significaría esto? Todo actúa como QFT: a veces esto es un poco como nuestro sentido intuitivo de lo que una partícula o una onda “debería” hacer y otras no.

Restringámonos a la onda electromagnética frente al caso del fotón. Lo que sucede es que una cantidad de energía deja en su lugar y llega a otro lugar. Cómo llega allí es lo que tratamos de explicar con ondas electromagnéticas y fotones. Su tercera descripción es más cercana a mi comprensión del dilema partícula versus onda porque incluso un solo fotón también puede actuar como una onda. El experimento de doble rendija da los mismos resultados incluso cuando la fuente de luz se atenúa hasta el punto de emitir solo un fotón a la vez.
Si crees que esa parte es extraña, intenta imaginar cómo se ve desde el punto de vista del fotón, teniendo en cuenta la relatividad.

Significa que las partículas, los átomos, etc., se comportan como ambos.

Puede conocer su impulso (energía o longitud de onda), o su posición, pero no ambas al mismo tiempo. Puede modelarlo usando una ecuación de onda, pensando también en la transformada de Fourier, que casualmente también tiene la misma propiedad que a medida que la ubicación estrecha las extensiones de longitud de onda y a medida que la longitud de onda estrecha la ubicación se extiende.

Nadie sabe más allá de eso lo que realmente está sucediendo a menor escala, debido a la incertidumbre, aunque hay teorías. Sin embargo, creo que las personas a veces deberían atenerse a los hechos por encima de las teorías.