Warum kollabiert die Elektronenwellenfunktion innerhalb von Atomen bei Raumtemperatur in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern nicht aufgrund von Dekohärenz?

Die Dekohärenztheorie sagt voraus, dass jedes Quantenteilchen, das an eine "große" Umgebung gekoppelt ist, einer Dekohärenz unterzogen werden sollte und seine Wellenfunktion zusammenbrechen sollte. Dies erklärt, warum die Messung zu einer Wellenpaketreduktion führt.

In Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen reduzieren sich Elektronen innerhalb von Atomen jedoch nicht und bleiben als Wellenfunktionen (Bahnen) irgendwie geschützt vor der Umgebung der Atome.

Dies ist überraschend, da sich die Atome auf Raumtemperatur befinden und mit vielen Dingen interagieren können, wie z. B. benachbarten Atomen, Licht, thermischen Anregungen usw. Haben Sie also eine Idee, warum Elektronen vor einer Wellenpaketreduktion in Atomen "geschützt" zu sein scheinen?

Antworten (2)

Willkommen bei SE – gute Frage! Dekohärenz bedeutet nicht, dass es keine Wellenfunktion mehr gibt, es bedeutet nur, dass, wenn das Elektron an die Umgebung gekoppelt wird, sein Zustand durch eine wahrscheinlichkeitstheoretische Mischung von Orbitalwellenfunktionen und nicht durch eine (kohärente) Überlagerung davon beschrieben wird. Das Elektron in einem Atom hat keine "Nicht-Quanten"-Zustände, in die es kollabieren kann - Kollaps bedeutet nur, dass es in einem der Orbitalzustände endet.

Betrachten Sie als vereinfachtes Beispiel die Spinzustände eines Elektrons (einfacher als Orbitale, da es nur zwei davon gibt). Lassen | 0 ⟩ Und | 1 ⟩ seien einige (orthonormale) Basiszustände für dieses System. Dann ist das Elektron zunächst im Zustand

1 2 ( | 0 ⟩ + | 1 ⟩ ) ,
eine (kohärente) Überlagerung der beiden Basiszustände, nachdem es eine Weile mit einer verrauschten Umgebung interagiert hat, würden wir erwarten, dass sich sein Zustand in Richtung einer wahrscheinlichkeitstheoretischen Mischung der Zustände entwickelt | 0 ⟩ Und | 1 ⟩ (vorausgesetzt, wir repräsentieren immer noch auf dieser Basis), mit Wahrscheinlichkeiten von jeweils 0,5, es sei denn, es gibt einen anderen Faktor, der sie beeinflusst. Aber der Spin des Elektrons kann nicht auf magische Weise in einen anderen Zustand eintreten, der keine lineare Kombination von diesen ist; In ähnlicher Weise bleibt der Orbitalzustand ein Orbitalzustand, selbst wenn er dekohärt.

"vorausgesetzt, wir sind immer noch an dieser Basis interessiert" Wie beeinflusst das, woran wir "interessiert" sind, das Verhalten eines Elektrons? Meinen Sie mit "interessiert an" "die Wellenfunktion einem Operator unterwerfen, der diese Basiszustände als Eigenzustände hat"?
vielen Dank für Ihre Antwort. Ich verstehe und stimme der mathematischen Argumentation zu. Ich habe jedoch immer noch ein Problem: Die Wellenfunktion gibt die Wahrscheinlichkeitskarte an, wo sich das Elektron befinden würde, wenn man es messen würde (unter Verwendung des Modulusquadrats der Wellenfunktion). Und dieser Kollaps des Elektrons an einem genauen Punkt im Raum geschieht durch Messung. Zu sagen, dass das Elektron ein bestimmtes Orbital einnimmt, zum Beispiel 1s, bedeutet, dass es nicht kollabiert ist, was bedeutet, dass das Atom ein "geschützter" Ort ist, an dem das Elektron nicht gemessen wird. Wie ist das möglich, da das Atom an seine Umgebung gekoppelt ist?
@Akkumulation gute Punkte. Ich habe versucht, aufgrund der Art der Frage keine übermäßig technische Sprache zu verwenden, aber ja, was ich wirklich meine, ist nur die Darstellung des Zustands in dieser Basis (offensichtlich ist der vollständig gemischte Zustand eine gleiche probabilistische Mischung der Basiszustände, egal welche Grundlage wir wählen, aber ich habe diese Subtilität der Einfachheit halber unterdrückt.)
@A.JBeahv wieder, gute Fragen. Zunächst einmal kann man die Position eines Teilchens nicht genau messen; Das Beste, was Sie tun können, ist zu messen, ob es sich innerhalb eines kleinen Raumbereichs befindet oder nicht, und Sie können diesen Bereich beliebig klein machen, aber keinen einzelnen Punkt. Wenn Sie das tun und das Elektron in einem sehr kleinen Bereich lokalisieren, dann wird seine Impulsunsicherheit groß sein und es könnte nach der Messung nicht einmal mehr in einem gebundenen Zustand sein! (Vollständige Offenlegung: Ich bin mir nicht sicher, wie Sie eine solche Messung tatsächlich durchführen würden.) Weitere Informationen finden Sie im nächsten Kommentar.
@A.JBeahv Aber wenn es sich noch in einem gebundenen Zustand befindet, kann ein solcher Zustand immer als Überlagerung von Orbitalzuständen geschrieben werden, da diese eine vollständige Basis für die gebundenen Zustände sind. Wenn Sie das Elektron (durch Messung) in einem kleinen Bereich lokalisieren, sind Orbitale mit sehr hoher Energie an einer solchen Überlagerung beteiligt, so dass eine erhebliche Wahrscheinlichkeit besteht, dass das Elektron vollständig verdrängt wird, der gebundene Teil der Wellenfunktion jedoch immer noch eine Überlagerung von Orbitalzuständen sein. Dies bringt uns jedoch zur Antwort von Rococo, die darauf hinweist, dass die tatsächlich erforderlichen Energien für
Die Lokalisierung von @A.JBeahv ist viel höher als die, die normalerweise in lauten Umgebungen im täglichen Maßstab zu finden sind, sodass Sie aufgrund von Umweltinteraktionen beispielsweise in einem Labor auf der Erde wahrscheinlich keine so extreme Lokalisierung erhalten würden (es sei denn, Sie erstellen hoch Energierauschen absichtlich!) Unter dem Strich ist die Art der effektiven "Messung" aufgrund der Kopplung mit der Umgebung, die Sie beschreiben, eigentlich ziemlich unwahrscheinlich (verschwindend unwahrscheinlich, da das Volumen, in dem Sie das Elektron lokalisieren, gegen 0 geht.) Hoffnung das hilft!
Danke noch einmal. Das hat wirklich geholfen. Nur um sicherzugehen, dass ich es richtig verstanden habe: Wenn ich es mit dem üblichen Doppelspalt-Expo mit Einzelelektronen-Erkennung auf dem Bildschirm vergleiche, gibt es hier im Atom nichts, was diesem Prozess nahe kommt, weil nicht genug Energie und Kopplung mit einem Messgerät vorhanden ist. Und dies kommt hauptsächlich vom Heisenberg-Prinzip, das das Elektron über einen typischen Bereich von Angström-Größe um den Kern herum delokalisiert hält (durch Ausgleich von Impuls und Position innerhalb des Atoms) mit typischen eV-Energien. Würdest du zustimmen ?
Ja genau, es gibt einfach typischerweise nicht genug Energie, damit die Impulsunsicherheit sehr groß wird. Die Antwort von Rococo ist sehr gut!

Ich stimme Wills Antwort zu, aber da es mehrere Betrachtungsweisen gibt, hier eine andere: Damit ein Elektron, das sich anfänglich in seinem Grundzustand befindet, räumlich lokalisiert wird, muss notwendigerweise etwas Energie hinzugefügt werden. Für ein Wasserstoffatom beträgt die benötigte Energie mindestens 10 eV (um zur zweiten Schale zu gelangen) und immer mehr, um ein zunehmend lokalisiertes Wellenpaket zu erzeugen. Dies erfordert hochenergetische Photonen, und normalerweise (bei Temperaturen, die wir auf der Erde vorfinden) gibt es nicht so viele davon, noch gibt es genug niederenergetische Photonen, damit Übergänge mit mehreren Photonen wahrscheinlich sind.

In einer Hochtemperaturumgebung, in der viele Röntgen- und Gammastrahlenphotonen diese Übergänge antreiben, hätten Sie wahrscheinlich keinen neutralen Wasserstoff mehr, sondern stattdessen ein Plasma. Die Elektronen in diesem Plasma könnten in Abhängigkeit von Parametern wie der Dichte tatsächlich auf einer kleineren Skala lokalisiert sein als die Wasserstofforbitale.

Dieses Thema, dass höhere Energien benötigt werden, um kleinere Orte aufzulösen, mag bekannt vorkommen – es ist nur eine weitere Manifestation dafür, warum wir riesige Beschleuniger wie den LHC brauchen, um die Physik auf sehr kleinen Längenskalen innerhalb eines Nukleons direkt zu untersuchen.

Warum kollabiert die Elektronenwellenfunktion innerhalb von Atomen bei Raumtemperatur in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern nicht aufgrund von Dekohärenz?
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