Kann ein Elektron gleichzeitig an zwei Orten sein?

Sie sollten alles vergessen, was man Ihnen über die Wellen-Partikel-Dualität erzählt hat. Es ist ein veraltetes Konzept, das längst von der Quantenfeldtheorie abgelöst wurde, und ich denke, es ist nicht hilfreich, weil es Verwirrung stiftet.

Es gibt keine Welle-Teilchen-Dualität, weil ein Elektron kein Teilchen und keine Welle ist. Stattdessen ist es eine Anregung in einem Quantenfeld. Das Elektronenfeld kann auf eine Weise interagieren, die wie ein Teilchen aussieht, und es kann auf eine Weise interagieren, die wie eine Welle aussieht, aber das bedeutet nicht, dass es ein Teilchen oder eine Welle ist .

Um das Verhalten von Elektronen richtig zu beschreiben, muss man die Quantenfeldtheorie verwenden, und tatsächlich hat Richard Feynman (einer der Erfinder der Quantenfeldtheorie) gezeigt, wie man die Ergebnisse aus dem Doppelspaltexperiment mit QFT berechnet. Die Berechnung ist jedoch außerordentlich schwierig und übersteigt die meisten von uns. Glücklicherweise ist es eine gute Näherung, das Elektron als Welle zu beschreiben, und mit der Wellennäherung ist es ziemlich einfach, die Ergebnisse des Doppelspaltexperiments zu berechnen. Sie müssen sich jedoch darüber im Klaren sein, dass dies nicht bedeutet, dass das Elektron eine Welle ist. Es als Welle zu behandeln, ist nur eine Annäherung, die für dieses Experiment gut funktioniert.

Später:

Lassen Sie mich meine Antwort im Lichte von Eduardos Kommentaren erweitern, denn ich bin mir nicht sicher, ob wir tatsächlich anderer Meinung sind.

Wenn wir zum ersten Mal Quantenmechanik lernen, wird den meisten von uns die Schrödinger-Gleichung beigebracht. Dies beschreibt die meisten Dinge fast perfekt, und tatsächlich beschreibt es die Ergebnisse des Doppelspaltexperiments im Wesentlichen perfekt. Die Schrödinger-Gleichung ist jedoch eine Niedrigenergie-Näherung, und bei höheren Energien würden wir stattdessen die Quantenfeldtheorie verwenden.

Die Verwendung der Schrödinger-Gleichung anstelle von QFT hat zwei Konsequenzen. Erstens ist es im Prinzip weniger genau, obwohl es, wie Eduardo sagt, für das Doppelspaltexperiment im Grunde keinen Unterschied zwischen den beiden gibt. Es ist die zweite Konsequenz, die meiner Meinung nach für diese Frage relevant ist. QFT ist nicht nur eine genauere Version der Schrödinger-Gleichung – sie führt neue Konzepte ein. Insbesondere führt es die Idee des Quantenfeldes ein, und es ist diese Idee, die die Wellen-Teilchen-Dualität bedeutungslos macht, weil sie in der QFT einfach nicht vorkommt.

Das ist der Punkt, den ich gemacht habe, es ist das Licht, das von QFT auf die Idee der Welle/Teilchen-Dualität geworfen wird, das zählt, nicht, ob Sie tatsächlich QFT verwenden würden, um die Berechnung durchzuführen.

Schließlich muss eine hilfreiche Antwort verständlich sein. Ich habe aus der Frage gefolgert, dass das OP nicht viel über Quantenmechanik wusste (Jerson, ich entschuldige mich, wenn das nicht stimmt), also muss die Antwort auf der Ebene der "Popwissenschaft" liegen. Auf diese Weise zu antworten birgt immer die Gefahr, irreführend zu sein oder Dinge zu sagen, die einfach falsch sind, aber in diesem Fall glaube ich nicht, dass ich in eine dieser Fallen getappt bin.

Wenn eine Reihe von Elektronen zu einem Bildschirm mit zwei Schlitzen geschickt wird, zeigt das Muster, das auf der anderen Seite entsteht, eine Interferenz, die das Ergebnis davon ist, dass das Elektron mehrere Wege zwischen der Quelle und jedem Punkt auf dem Bildschirm zurücklegen muss. Da jeder mögliche Weg einen Beitrag zur Wahrscheinlichkeit leistet, wo das Elektron unter Verwendung des Schirms detektiert wird, bewegt sich das Elektron gewissermaßen über mehr als einen Weg. Jeder Versuch, das Elektron tatsächlich an mehr als einem Ort zu beobachten, wird jedoch scheitern.

Denken Sie an Heisenbergs Unbestimmtheitsprinzip, das besagt, dass je sicherer Sie die Position eines Objekts kennen, desto weniger Gewissheit haben Sie über seine Geschwindigkeit und umgekehrt. Der Schlüsselpunkt hier ist "Sicherheit" ... dh das ist alles probabilistisch.

Zum Beispiel ist die Elektronen-"Umlaufbahn" eines Wasserstoffatoms nicht analog zur Umlaufbahn eines Planeten um die Sonne. Das Elektron um das Wasserstoffatom befindet sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit an einem bestimmten Ort, daher gibt es eine "Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion", die Ihnen die Wahrscheinlichkeit angibt, mit der das Elektron in einem beliebigen Raumbereich um den Kern herum erscheint. Was, wie Alfred Centauri betonte, bedeutet, dass seine Position nicht eindeutig ist, bis Sie beobachten, dass sich das Elektron in einer bestimmten Position befindet.

Ich fand Quantenphysik nicht intuitiv, als ich einen Einführungskurs an der Universität belegte. Es ist wichtig zu erkennen, dass Ihre Intuition Ihnen in Fächern hilft, in denen Sie Erfahrung haben, aber Intuition in einem völlig neuen und beispiellosen Fach wie QM zu erwarten, kann Sie tatsächlich zurückhalten. Schließlich ist die grundlegende Grundlage von QM die Annahme, dass Energie eher in diskreten Mengen als in einem Kontinuum auftritt. Dafür gibt es notwendigerweise keinen offensichtlichen, intuitiven Grund ... aber die Ergebnisse, die aus QM hervorgehen, sind spektakulär - insofern, als sie extrem gut durch Experimente gestützt werden.

Es wird nicht behauptet, dass QM „die vollständige“ Art und Weise ist, wie die Welt funktioniert, tatsächlich ist es zumindest unvollständig. Beispielsweise gibt es noch keine quantenmechanische Gravitationstheorie. Vielleicht wird, sobald das gefunden ist, eine zugrunde liegende Theorie ausgeheckt, aus der sowohl die Quantenphysik als auch die allgemeine Relativitätstheorie abgeleitet werden können. Ähnlich wie die Newtonsche Mechanik aus der Relativitätstheorie abgeleitet werden kann. Vielleicht wird diese Theorie, wenn sie zustande kommt, bessere Antworten auf die grundlegendsten Fragen geben, die man stellen kann, wie "Warum ist Energie eher diskret als kontinuierlich?".

QM ist nur ein Modell der Welt, das in bestimmten Größen- und Energieskalen sehr gut funktioniert.

Teilchen und Welle sind zwei Konzepte und auch Phänomene, mit denen Wissenschaftler die Eigenschaften eines Elektrons beschrieben haben. Elektron ist Elektron, zeigt Ihnen jedoch seine unterschiedlichen Eigenschaften während unserer verschiedenen Beobachtungsumgebungs-Setups.

Aus dem Interferenzmuster muss nicht geschlossen werden, dass sich ein Elektronenteilchen wie eine Welle verhalten sollte, um dieses Muster zu verursachen. Unsicherheit und Beugung von Elektronen können ebenfalls zu diesem Ergebnis führen. Ich habe das Gefühl, dass zu viele unlogische Worte den Verstand verwirrt haben! Niemand weiß wirklich, was ein Elektron vollständig ist. Was ein Elektron ist und was ein Elektron verhalten kann, sind verschiedene Konzepte, die es zu klären gilt. Es ist meine Meinung! Übrigens ist ein Teilchen ein Punkt, aber eine Welle ist eine Funktion, um alle möglichen Orte des Teilchens zu beschreiben. Elektronenteilchen können nicht an zwei verschiedenen Punkten erscheinen, aber Sie können sie durch Ihren Interaktionsexperimentaufbau finden.

Ihre Frage bezieht sich auf das Doppelspaltexperiment, und es werden eine Reihe relevanter Antworten gegeben.

Was aber, wenn wir das Doppelspaltexperiment beiseite schieben und fragen: „Ob ein Teilchen gleichzeitig an zwei (oder mehr) Orten sein kann?“

Betrachten wir zum Beispiel Protonen. Nach modernen Theorien ist Proton:

A. Besteht aus Quarks

B. Die Anzahl der Protonenbestandteile hängt vom Bezugssystem ab (trotz der verbreiteten Illusion, dass ein Proton nur aus 3 Quarks besteht), siehe diesen Link für Details

C. Quarks sind im Proton "eingeschränkt", dh ein einzelnes Quark wurde nie beobachtet (und kann es auch nicht).

Kommen wir nun zu Ihrer Frage zurück. Tatsächlich können all diese "seltsamen" Eigenschaften des Protons erklärt werden, wenn wir davon ausgehen, dass das Proton nur einen Bestandteil hat, der sich schneller als Licht bewegen kann .

Wie Sie wahrscheinlich aus der speziellen Relativitätstheorie wissen, können superluminale (dh schneller als Licht) Teilchen "an zwei (oder mehr) Orten gleichzeitig sein". Sehen Sie sich die folgende Grafik an:

Hier sehen Sie ein Partikel, das sich entlang einer gekrümmten (roten) Linie bewegt. Unter Berücksichtigung der Form der Linie bedeutet dies, dass sich das Teilchen manchmal schneller als Licht bewegt.

Damals$t0$wir beobachten "Paarbildung".

Damals$t1$Wir beobachten Teilchen an 3 verschiedenen Orten (zweimal als Teilchen und einmal als Antiteilchen). Entsprechend können wir dies als Beobachtung von 2 "Quarks" und 1 "Anti-Quark" interpretieren.

Damals$t2$„altes“ Teilchen wird durch das „neue Antiteilchen“ „vernichtet“ und so weiter.

Durch die entsprechende Änderung des Bezugssystems könnten wir das Teilchen „an mehr als 3 Orten gleichzeitig“ sehen.

Aus diesem Bild wird absolut klar, warum einzelne "Quarks" nicht beobachtet werden können. Dies liegt daran, dass es nur 1 Teilchen (manchmal superluminal) anstelle von 3 (subluminalen) "Quarks" gibt. Damit lässt sich „Confinement of Quarks“ sehr einfach erklären.

Bitte beachten Sie auch, dass die Linie AB in der Grafik innerhalb des Lichtkegels liegt. Das bedeutet, dass das Teilchen "im Durchschnitt" subluminal ist (sich langsamer als Licht bewegt).

Es ist interessant, dass die ähnliche (aber nicht die gleiche!) Lösung der freien Dirac-Gleichung von Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger gefunden wurde und das mit dieser Lösung verbundene physikalische Phänomen als Zitterbewegung bekannt ist.

Daher lautet die Antwort auf Ihre Frage im Prinzip: JA, es ist möglich, ein Modell zu entwickeln (in Übereinstimmung mit den Eigenschaften von Protonen), bei dem sich ein Teilchen gleichzeitig an zwei (oder mehr) Orten befinden kann.