Können wir von zwei Atomen sprechen, die Elektronen austauschen?

Ich habe eine Diskussion darüber auf Reddit gesehen, also dachte ich, ich würde hier fragen, um eine maßgeblichere Antwort zu erhalten.

Angenommen, Sie haben zwei Atome, die so getrennt sind, dass die Elektronenwellenfunktionen eine vernachlässigbare Überlappung haben. Durch irgendeinen Prozess verliert jedes Atom ein Elektron. Jedes dieser Elektronen bewegt sich dann auf das andere Atom zu, wobei es immer Abstand hält, so dass die Wellenfunktionen immer noch eine vernachlässigbare Überlappung haben. Schließlich werden die Elektronen von den Atomen wieder eingefangen.

Können wir sagen, dass die Elektronen die Plätze getauscht haben? Mir fallen da ein paar Antworten ein:

  1. Der "gesunde Menschenverstand"-Ansatz: Ja, die Elektronen bewegten sich eindeutig, während sie räumlich getrennt waren, und landeten jeweils auf einem anderen Atom als dort, wo sie begannen.

  2. Nein, Elektronen sind nicht unterscheidbare Teilchen. Der Endzustand unterscheidet sich vom Anfangszustand durch ein Vorzeichen, das nicht beobachtbar ist.

  3. Die Frage ist irgendwie bedeutungslos; Dies scheint Option 2 ähnlich zu sein, aber vielleicht können Sie die Frage in gewissem Sinne nicht einmal stellen.

Ich denke, die richtige Antwort ist Option 2, aber ich weiß nicht, wie ich Option 1 widerlegen soll. Welche ist das?

Nun, woher weißt du, welches Elektron welches ist, um damit zu beginnen? Wenn die beiden beispielsweise entgegengesetzte Drehungen haben, können Sie diese Eigenschaft messen, um festzustellen, welche welche ist. Wenn sie identisch sind, können Sie es nicht nur nicht sagen, sondern ich würde argumentieren, dass es sogar irrelevant ist und Sie sich in die Philosophie verirren.

Antworten (2)

Ich würde Argument 1 aus folgendem Grund widerlegen:

Sie gehen davon aus, dass die Elektronen eine bestimmte Flugbahn haben: Jedes dieser Elektronen bewegt sich dann auf das andere Atom zu, wobei es immer Abstand hält . In der grundlegenden Quantenmechanik gibt es immer einen Übertrag aus der klassischen Mechanik, indem eine bestimmte Trajektorie angenommen wird, aber tatsächlich gibt es keinen bestimmten Begriff von Bewegung (sorry:) gemäß der Quantenfeldtheorie.

Wir wollen den Prozess des Extrahierens der beiden Elektronen und deren Transport zu den anderen Atomen von dem Extrahieren der Elektronen und dem Zurückbringen derselben zu denselben Atomen unterscheiden. Angenommen, wir haben ein System, das beides kann, es wird von Qubit gesteuert, wenn es sich im Zustand befindet | 0 ⟩ dann gibt es keinen Schalter, während im Zustand | 1 ⟩ Die Elektronen werden vertauscht. Wir können dann mit einem Qubit im Zustand beginnen | 0 ⟩ , wenden Sie die Hadamard-Transformation an U die auf das Qubit wirkt gemäß:

U | 0 ⟩ = 1 2 [ | 0 ⟩ + | 1 ⟩ ] U | 1 ⟩ = 1 2 [ | 0 ⟩ − | 1 ⟩ ]

was das Qubit im Zustand ergibt 1 2 [ | 0 ⟩ + | 1 ⟩ ] , und lassen Sie dann das Qubit den Prozess des Extrahierens der Elektronen und des Zurücksetzens steuern. Da es beim Vertauschen der Elektronen nur zu einem Vorzeichenwechsel kommt, wird der Qubit-Zustand aus dem Zustand des Qubit-Atom-Systems herausgerechnet, befindet sich aber nun im Zustand 1 2 [ | 0 ⟩ − | 1 ⟩ ] , wenn wir dann die Hadamard-Transformation anwenden U zum Qubit stellen wir fest, dass es sich jetzt im Zustand befindet | 1 ⟩ .

Wenn die Elektronen unabhängig vom Qubit-Zustand immer wieder denselben Atomen zugeführt würden, würde der endgültige Qubit-Zustand entstehen 1 2 U [ | 0 ⟩ + | 1 ⟩ ] = | 0 ⟩ .

Können wir von zwei Atomen sprechen, die Elektronen austauschen?
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