Warum kann ein Elektron nicht beobachtet werden?

Definiere "beobachten"

Der Webster , die Optionen für die Wissenschaft sind:

a: besonders auf Details oder Verhalten aufmerksam zu beobachten, um zu einem Urteil zu gelangen

b: eine wissenschaftliche Beobachtung an oder von machen

Und zu "Beobachtung:

a: ein Akt des Erkennens und Notierens einer Tatsache oder eines Vorfalls, der häufig eine Messung mit Instrumenten beinhaltet

b: eine so erhaltene Aufzeichnung oder Beschreibung

Wie beobachten wir eine Wolke? Das Licht der Sonne wird vom H2O der Wolke gestreut und trifft auf unser Auge. Um es wissenschaftlich zu beobachten, macht man Bilder oder Videos, um seine zeitliche Entwicklung zu studieren. Ist die Wolke auf dem Video „eine Wolke beobachten“?

Hier ist ein Blasenkammerbild eines Elektrons :

Das Elektron hat Atome in der Kammer gestreut, die sie ionisieren, und die Blasen werden dort gebildet, wo die Ionen waren. Es dreht sich in dem angelegten Magnetfeld und verliert Energie durch die Streuung. Im Gegensatz zum Wolkenbild wird nicht Licht am Objekt gestreut, sondern das Objekt streut an Materie, und Licht dieses Weges wird aufgezeichnet. Es ist ein komplizierterer Weg zu einem Bild, aber es gibt immer noch eine Eins-zu-Eins-Entsprechung des Objekts namens Elektron mit dem Bild, das wir Beobachtung nennen.

Bitte beachten Sie, dass für die Abmessungen der Blasenkammerblasen (Mikrometer) und den Impuls des Elektrons im Bild einige MeV/c die Heisenbergsche Unschärferelation erfüllen , und daher kann das Elektron innerhalb dieser Dimension in seiner Form als a betrachtet werden quantenmechanisches "Teilchen", mit Eigenschaften eines klassischen Teilchens.

Wir "sehen" Elektronen auch direkt in Funken , unsere Augen und unser Gehirn sind nicht dafür ausgestattet, das Licht so klar zu sehen wie das von der Wolke reflektierte Licht, aber das ist eine Einschränkung unserer Biologie, unserer Instrumente können es.

Daher halte ich die Aussage für haltlos.

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Glaubst du, es wäre jemals möglich, etwas zu bauen, das wie eine Kamera funktioniert, um einen Schnappschuss von einem einzelnen Elektron zu machen?

Im Netz gesucht und fertig.

Video unter https://www.youtube.com/watch?v=OErXAk42MXU

Jetzt ist es möglich, einen Film eines Elektrons zu sehen. Der Film zeigt, wie ein Elektron auf einer Lichtwelle reitet, nachdem es gerade von einem Atom weggezogen wurde. Dies ist das erste Mal, dass ein Elektron gefilmt wurde, und die Ergebnisse werden in der neuesten Ausgabe der Physical Review Letters vorgestellt.

So wurde es gemacht, obwohl das Video verlangsamt ist, damit man den Pfad sehen kann.

Das Konzept der „direkten Beobachtung“ ist in der Wissenschaftsphilosophie heikel. Es ist die akzeptierte Brücke zwischen wissenschaftlicher Theorie und Wahrheit, und sie führt über einige sehr schlammige Gewässer.

Betrachten Sie diese tiefgründige Aussage: Wir haben keinen Beweis, dass Elektronen existieren. Null. Nada. Was wir haben , sind viele theoretische Modelle, die das Konzept eines Elektrons beinhalten, die bemerkenswert gut vorhersagen können, wie sich die Dinge verhalten werden. In der Philosophie ist dies die Kluft zwischen Ontologie (die Diskussion darüber, was die Welt ist ) und Erkenntnistheorie (die Diskussion darüber, was wir über die Welt wissen können) .

Nun, das ist wahrscheinlich der pedantischste Standpunkt, den man wählen kann. Sie werden fast nie einen Wissenschaftler hören, der sich dafür entscheidet, so zu sprechen. Wieso den? Nun, einige unserer Modelle leisten so gute Arbeit bei der Vorhersage von Dingen, dass wir dazu neigen, einfach zu behaupten, sie seien „Realität“.

Wie stellen wir diesen Anspruch auf? Wenn das Modell etwas vorhersagt, was wir mit unseren eigenen Augen, Ohren und Händen „direkt beobachten“ können, dann nehmen wir an, dass es „real“ ist. Die Idee, dass einzellige Organismen Lebensmittel verderben lassen, war nur eine indirekte Beobachtung, bis jemand das Mikroskop erfand und uns mit unseren eigenen zwei Augäpfeln sehen ließ. Auf der philosophischen Ebene "segnen" wir Beobachtungen, die wir mit unseren eigenen Sinnen gemacht haben, aus keinem anderen Grund, als dass es wirklich schwer ist, Fortschritte zu machen, wenn wir nichts vertrauen .

Nehmen Sie die Idee, die Raumzeit zu krümmen. Wir haben alle von Einsteins Theorie gehört, dass Masse die Raumzeit krümmt und dies verursacht Gravitation und alle möglichen anderen lustigen relativistischen Effekte. Die Krümmung der Raumzeit ist jedoch nur ein Modell. Es gibt keinen Beweis dafür, dass sich die Raumzeit tatsächlich krümmt, nur dass man, wenn man die Raumzeit als Krümmung modelliert, charakteristisch gute Vorhersagen darüber erhält, was passieren wird.

Wir haben also kein gesegnetes Mikroskop, das stark genug vergrößern kann, um ein Elektron zu sehen. Das allein reicht aus, um festzustellen, dass niemand ein Elektron "direkt beobachtet" hat. Wenn man es wagt, sich in die Quantenmechanik einzuarbeiten, wird die Welt noch seltsamer. Aufgrund aller möglichen lustigen Effekte, die wahrscheinlich den Rahmen Ihrer Frage sprengen, wird das Konzept der "Beobachtung eines Elektrons" selbst ziemlich matschig. Die Quantenmechanik sagt voraus, was im Universum passieren wird, und zwar auf eine Weise, die den Ausdruck „ein Elektron beobachten“ mühsam und schwer wirklich quantifizierbar macht. Wenn die Quantenmechanik tatsächlich beschreibt, wie die Welt „wirklich funktioniert“, dann ist das Konzept der Beobachtung eines Elektrons aufgrund des statistischen Verhaltens des Zusammenbruchs von Quantenwellenformen möglicherweise tatsächlich unmöglich.

Nichts wird beobachtet, ohne dass ein physikalischer Prozess die Beobachtung „durchführt“. Augen sehen nicht passiv - sie sind riesige Kollisionsorte für unzählige Photonenbombardements, Kamerapixel (oder lichtempfindliche Pigmente) reagieren nicht passiv auf Licht, sie müssen von Tausenden einzelner Photonen heftig getroffen werden.

Es ist wie in einem Auto, in einem dunklen Raum voller Federn – wie können Sie, ohne das Auto zu verlassen, spüren, dass die Federn da sind? Wenn Sie mit 320 km/h in die Federwolke gefahren sind, könnten Sie etwas hören, als sie gegen die Windschutzscheibe schlugen, wenn Sie sehr genau hinhörten ...

Genauso ist es bei einzelnen Teilchen wie einem Elektron – wie kann man etwas spüren, das leichter und empfindlicher ist als alles andere um ihn herum?

Wie beim Auto und den Federn kann man nur indirekt auf das eine oder die Existenz des anderen schließen, indem man ein Ding heftig genug auf das andere schlägt.

Lassen Sie mich eine vage Analogie geben, um die Probleme zu veranschaulichen, wenn man über Beobachtung spricht.

Stell dir vor, ich habe gerade einen Stein in einen Teich geworfen und frage dich, kannst du die Welle sehen, die er macht? Du sagst, ja natürlich, warum? Ich sage, nein, du hast nicht wirklich die ganze Welle gesehen. Sie haben nur das gesehen, was Sie von Ihrer Position und Ihrem Blickwinkel aus gesehen haben. Und hast du die Welle gesehen? Oder ist es nur ein Bild der Welle, das Sie im Kopf haben? Woher wissen Sie überhaupt , dass dieses Bild eine genaue Wiedergabe der tatsächlichen Welle ist? Tatsächlich wissen wir, dass unser Auge hinsichtlich seines Auflösungsvermögens und seiner Empfindlichkeit begrenzt ist.

Sie haben also keine Welle gesehen. Sie haben gerade etwas gesehen, das wir beide auf Englisch "Welle" nennen . Das Wort ist lediglich ein Verweis auf die Entität, nicht die Entität selbst. Sie fragen sich vielleicht, ist es möglich, eine Entität direkt zu beobachten und nicht durch ein Zwischeninstrument wie unseren Augapfel? Aber was ist eigentlich „direkt“? Wenn Ihr Geist die Welle irgendwie berühren kann (womit, darf ich fragen?), reicht es Ihnen dann? Oder ist Ihr Verstand selbst nur ein Instrument, mit dem Sie mit der Welt interagieren?

Wie auch immer , das taucht direkt in das tiefe Ende der Philosophie ein, obwohl Sie das irgendwie beantworten müssen, bevor Sie genau genug spezifizieren können, was Sie mit "beobachten" meinen.

Andererseits, was ist, wenn wir uns beide einig sind, dass es eine Welle gab, und ich Sie dann frage, wo ist die Position der Welle? Und du starrst mich verständnislos an. Aber das könnte durchaus die gleiche Frage sein, die Sie gerne über ein Elektron stellen würden. Was wäre, wenn das Elektron tatsächlich eine zugrunde liegende Realität hat, die eher seiner Wellenfunktion entspricht als einem einzelnen Punkt im Raum? Haben Sie auch nur den geringsten Hinweis darauf, dass es sich eher um einen Punkt handelt? Nein.

Man könnte sagen, nehmen wir als Position den höchsten Punkt eines Wassermoleküls (sofern es hinreichend punktförmig ist). Wenn ja, dann wird es überhaupt keine schönen Eigenschaften haben und willkürlich um den Teich springen. Eine bessere Idee wäre, den Durchschnitt zu nehmenPosition der Wassermoleküle, die sich über dem durchschnittlichen Wasserspiegel des Teiches befinden. Dann können wir „sehen“, dass er sich mehr oder weniger mit dem Kamm in Richtung der Welle bewegt. Wir können den vorbeiziehenden Wellenberg sogar berühren, was bedeutet, dass wir die so definierte Position gewissermaßen einschätzen können. Hier gibt es eine gewisse Unsicherheit, ähnlich der Unsicherheit, die Sie beim Messen der Position eines klassischen Wellenpakets oder beim Messen der Position eines Teilchens (Heisenbergs Unsicherheitsprinzip) sehen, in dem Sinne, dass die Position einer Teichwelle wohldefiniert ist (unter der Annahme von punktförmigen Wassermolekülen oder allgemeiner einer Massendichtefunktion für das Wasser) können wir es nicht einmal klassisch genau messen, weil alles, was wir tun, die Welle stören wird.

In ähnlicher Weise können wir die Geschwindigkeit der Welle als den Fluss definieren, den durchschnittlichen Fluss des Wassers (entsprechend der zeitlichen Entwicklung der Massendichtefunktion). Wie bei der Position können wir die Geschwindigkeit nicht einmal klassisch genau messen, ohne sie zu ändern.

Jetzt könnten wir das Problem anders umgehen. Anstatt zu versuchen, die gesamte Welle auf einmal zu beobachten, wiederholen wir den Steinwurf viele Male, und jedes Mal beobachten wir nur einen kleinen Teil der Welle. Jetzt, da wir skeptisch sind, fragen wir uns natürlich, ob wir etwas wirklich jedes Mal genau gleich wiederholen können. Es ist natürlich im Allgemeinen unmöglich, aber wir hoffen, dass es nicht zu sehr anders ist.

Genau das haben Wissenschaftler getan, um (in diesem Sinne) die Wellenfunktion eines Elektrons zu beobachten. Es wurde vor sehr langer Zeit gemacht, und ich kenne die Geschichte nicht, aber angeblich war IBM einer der ersten, der Verunreinigungsmoleküle auf einer Metalloberfläche anordnete und dann ein Rastertunnelmikroskop verwendete, um die Elektronendichte abzubilden. Sie haben hier einige Bilder , einschließlich des bekannten Quantengeheges:

( http://researcher.watson.ibm.com/researcher/files/us-flinte/stm16.jpg )

Ich weiß nicht, ob sie die Rohdaten bearbeitet haben (sehr wahrscheinlich, als ich es vorher gemacht habe, musste ich bearbeiten, um Rauschen und Artefakte von der unvollkommenen STM-Spitze zu entfernen). Es gibt andere Bilder im Internet wie:

( http://nisenet.org/catalog/media/scientific_image_-_quantum_corral_top_view )

Aber natürlich sind alle Farb- oder 3D-Effekte in STM-Bildern computergeneriert. Vor kurzem (2013) haben einige behauptet, Atomorbitale abbilden zu können, wie zum Beispiel:

( http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/may/23/quantum-microscope-peers-into-the-hydrogen-atom )

Denken Sie auf jeden Fall daran, dass Analogien zusammenbrechen, und sehr wenig über Elektronen und andere Teilchen hat auch nur ein vage analoges Phänomen mit Wasser in einem Teich. Die Analogie sollte Sie lediglich dazu bringen, zweimal über die allgemeine Annahme nachzudenken, dass ein Teilchen eine Punktposition hat.

Nach dem Standardmodell hat das Elektron keine Ausdehnung; einen Radius von Null. Als solches könnte ein solches Teilchen niemals beobachtet werden (da es nicht wirklich da ist ...), sondern nur indirekt beobachtet werden, beispielsweise durch die Wirkung seines elektrischen Feldes auf andere Teilchen oder Objekte.

Es ist nicht ganz richtig, dass es nicht beobachtet werden kann. Es kann und hat. Die Beobachtung ist jedoch nur ein kleiner Aspekt des Phänomens der Elektronen.

Während es augenblicklich beobachtet werden kann, kann weder sein Standort noch seine Geschwindigkeit bestimmt werden. Die Geschwindigkeit eines Elektrons kann beobachtet werden, aber nicht, wenn man seine Position kennt. Die Position eines Elektrons kann beobachtet werden, aber nicht, wenn man seine Geschwindigkeit kennt.

Das oft gezeigte Beispiel dafür im Ingenieur- und Physikunterricht ist das Bild eines Pfeils im Wald. Sie können deutlich sehen, wo es ist, aber auf einem Bild des Pfeils können Sie nicht sagen, wie schnell es geht.

Gemäß der relationalen QM könnte ein anderer Beobachter eines Elektrons einfach ein anderes Elektron sein; Sagen wir ein anderes Elektron, das es abgestoßen hat.

Elektronen werden also ständig beobachtet; nur nicht von uns.

Aber ich denke, das ist nicht der Sinn des Beobachtens , den Sie in Ihrer Frage verwenden; was die direkte Beobachtung durch das menschliche Auge zu sein scheint.

Einmal konnten wir jedoch kein Bakterium sehen; und jetzt können wir sie durch ein Mikroskop sehen; niemand sagt, dass sie nicht da sind.

Vielleicht wird das eines Tages auch für Elektronen gelten.