In der Klassischen Mechanik betrachten wir Teilchen als Dinge, deren innere Struktur zum Zwecke der Untersuchung eines Phänomens vernachlässigt werden könnte. In dieser Umgebung assoziieren wir Partikel mit Punkten und manchmal stellen wir uns diese als sehr kleine Kugeln vor.
In diesem Verständnis von Teilchen haben sie offensichtlich eine wohldefinierte Position. Auch ist es intuitiv leicht zu erfassen, schließlich sehen wir makroskopische Dinge an bestimmten Orten.
Wenn wir dagegen das mathematische Modell der Quantenmechanik betrachten, ändern sich die Dinge ein wenig. Um ein Teilchen zu beschreiben, anstatt einen Ort anzugeben, geben wir eine Wahrscheinlichkeitsverteilung an, die die Wahrscheinlichkeiten angibt, das Teilchen irgendwo zu entdecken.
In dieser neuen Umgebung habe ich zwei Möglichkeiten gefunden, es zu betrachten:
Das Teilchen ist immer noch wie in der klassischen Mechanik: etwas, das wir als Punkt betrachten und als winzige Kugel visualisieren können. Auf diese Weise erlaubt uns die Theorie aus irgendeinem Grund, ich weiß nicht, nicht, sie mit einem bestimmten Ort in Verbindung zu bringen.
Die Idee des Teilchens muss überarbeitet werden, es ist nicht eine kleine Kugel, die wir als Punkt behandeln, sondern etwas, das sich über eine Region erstreckt. In dieser Situation müssen wir revidieren, was wir mit der Visualisierung eines Teilchens meinen, um die statistische Interpretation der Wellenfunktion sinnvoll zu machen.
Welcher Standpunkt ist also richtig? In Anbetracht der Quantenmechanik, was ist eigentlich ein Teilchen? Und wie lässt sich die Kluft zwischen der Teilchenidee aus der Klassischen Mechanik und der Quantenmechanik überbrücken?
Es gibt keine Teilchen in der physischen Welt. Die korrekte Beschreibung von „kleinen Dingen“ in der klassischen Mechanik ist, dass die Dynamik der Bewegung des Massenschwerpunkts eines ausgedehnten Objekts die einzige relevante physikalische Größe ist, während interne Freiheitsgrade wie Rotation, Vibration, Magnetisierung, Temperatur usw. können ignoriert werden. Das hinterlässt uns ein abstraktes Zahlentripel, dem jede Beschreibung der tatsächlichen physischen Größe des Objekts fehlt (es könnte ein Planet oder ein Stern sein). QM sagt einfach, dass dieses Triplett einem anderen Satz von Regeln folgt, aber auch keine Partikel erforderlich sind.
Jetzt könnten wir eine Diskussion darüber führen, warum unsere Highschool-Pädagogen es versäumen, den Schülern eine konsistente und physikalisch korrekte Vorstellung von der Welt zu vermitteln, und warum fast jeder die Highschool mit dem Glauben zu verlassen scheint, dass ein Flugzeug eine magische fliegende Ansammlung von Dingen ist infinitesimal kleine Kugeln statt eines erweiterten physischen Körpers, der drei Freiheitsgrade für die Translationsbewegung, drei Freiheitsgrade für die Rotation und eine Reihe nicht trivialer interner Freiheitsgrade für die Bewegung von Steuerflächen und den schwappenden Kraftstoff hat. Denn so sehen Luft- und Raumfahrtingenieure schließlich echte Flugzeuge, sie spielen sicher nicht mit winzigen Bällen. Übrigens auch keine Physiker, wenn sie Physik machen. Physiker sprechen in der klassischen Mechanik von der Bewegung des Massenschwerpunkts und in der Quantenmechanik von Quanten, die aus Messungen resultieren. Keine Bälle jeglicher Art zu jeder Zeit!
Lassen Sie uns klarstellen, was wir ein Teilchen nennen. Es ist ein Objekt, dessen physikalische Eigenschaften wie Energie, Impuls, Ladung oder Spin gemessen werden können. Keines davon ist Raum und das aus gutem Grund: Raum (oder Zeit) ist keine intrinsische Eigenschaft eines Teilchens.
Der Weltraum ist ein nützliches Mittel, um das Universum und die darin enthaltenen Teilchen zu beschreiben, das kann niemand bestreiten. Aber soweit irgendjemand sagen kann, liegt der Raum in unserem mentalen Bild/der Theorie der Welt und kann in keiner Weise gemessen werden. Beispielsweise wird die Zeit heutzutage in Bezug auf die Frequenz der Welle definiert, die durch einen Spinübergang zwischen zwei Energieniveaus emittiert wird, dh sie ist ein Maß für die Energie aufgrund von . Noch wichtiger ist, dass der Raum einen ähnlichen Weg geht, da er selbst durch das Verhalten des Lichts im Laufe der Zeit definiert wird.
Diese Existenz von Zeit ist jedoch eine philosophische Debatte, und ein anderer Standpunkt dazu ist die Absolutheit. Newton hätte gesagt, dass die Zeit nicht vom Menschen abhängig ist und absolut existiert, während Kant oder Leibniz meine bisherige Meinung geteilt hätten.
Zurück auf der Strecke, da es keine Möglichkeit gibt, den "Raum eines Teilchens" zu messen, ist es irrelevant, sich zu fragen, wie ein Teilchen im Weltraum aussieht. Ein Teilchen ist einfach eine Menge von Observablen.
Was die Frage betrifft, welche Darstellung von Teilchen die beste zwischen klassischen "Bällen" und Quantenwellen der Wahrscheinlichkeit ist, würde letzteres mehr Sinn machen, da eine Kugel eine Grenze hätte und die Definition einer solchen Diskontinuität zwischen Existenz und Nichts führen würde problematische Folgen. Die Darstellung als klassische Kugel ergibt sich außerdem aus dem großen Größenunterschied zwischen Messwerkzeug und Partikel (siehe Dekohärenz). Bei genaueren Experimenten, wie Youngs Schlitzexperimenten, zeigt sich das wellenartige Verhalten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die beste Darstellung dessen, was ein Partikel ist, davon abhängt, was Sie damit machen. Wenn Sie eine riesige Menge von Partikeln betrachten (wie die Bewegung einer Ebene untersuchen), ist die Verwendung der QM-Darstellung nutzlos. Wenn Sie eine kleine Gruppe von Partikeln wie biologische Proteine betrachten, ist die Verwendung von Quantendarstellungen eine gute Idee.
Die Idee, dass das Teilchen über eine Region "ausgebreitet" ist, ist eher wahr. Wie Sie sagen, wird in der QM die Position eines Teilchens mit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung beschrieben. Nur ist das nicht ganz richtig beschrieben. Es wäre richtiger zu sagen, dass Teilchen keine Position haben, sie haben Superposition. Die Überlagerung wird mit einer komplexen (d. h. mit imaginären Zahlen) "Wellenfunktion" beschrieben, deren Realteil die Wahrscheinlichkeitsverteilung ist, an die Sie denken.
Zu versuchen, sich vorzustellen, dass das Teilchen "tatsächlich" irgendwo ist, ist fadenscheinig und wird Sie in Schwierigkeiten bringen. Ebenso ist es falsch, sich vorzustellen, dass es sich um eine "tatsächliche" Geschwindigkeit handelt. Stattdessen müssen Sie mit der Mathematik der Wellenfunktionen spielen. Die Mathematik ist nicht allzu schwer, aber sie spricht sicherlich nicht die Intuition unseres Affengehirns an!
Die MIT Open Courseware hat eine Vorlesungsreihe zum Thema QM . Schon das Anschauen der ersten Vorlesungen ist immens hilfreich, um sich ein Bild von der Funktionsweise und den Besonderheiten von QM zu machen. Wie gesagt, die Mathematik ist nicht allzu schwer. Es geht eher darum, sich mit Ideen zu beschäftigen, die weit außerhalb der makroskopischen Welt liegen, für deren Verständnis wir gebaut sind.
Die Art, wie ich Teilchen gerne verstehe, ist eine Analogie zu unserem Sonnensystem. Teilchen wie die Sterne und Planeten bilden das Ganze, wobei das Ganze etwas ist, was wir als eine vollständige Einheit oder ein System wahrnehmen. Das Ganze ist die "Wellenfunktion" und die Teilchen sind die Einheiten, aus denen die Wellenfunktion besteht.
Auch ein masseloses Objekt enthält immer noch Teilchen. Bis heute gibt es kein partikelloses Partikel. Außerdem betrachte ich Raum als die partikellose Einheit, die alle Partikel enthält.
ACuriousMind