Was ist eine Welle? Was ist ein Teilchen?

Ich lese ein Buch von David Bohm über Quantentheorie. Er sagt, dass die Idee, dass Licht sowohl ein Teilchen als auch eine Welle ist, nicht kompatibel ist:

(1) Wir wissen, dass Licht durch den photoelektrischen Effekt partikelähnliche Eigenschaften hat

(2) Wir wissen aufgrund von Spaltexperimenten, dass Licht auch wellenartige Eigenschaften hat.

Er erklärt dann, warum sie nicht kompatibel sind.

Aber was ist ein „Teilchen“? Was ist eine „Welle“? Was bedeuten diese Begriffe genau ? Ich weiß, was sie ungefähr bedeuten. Ein Teilchen bedeutet etwas, das eine räumliche Position einnimmt. Eine Welle ist wie eine Dichte oder etwas, das durch Spitzen, Täler und Knoten über einer räumlichen Region definiert ist. Aber ich möchte etwas strengeres und genaueres als diese losen Definitionen, damit ich weiß, was ich meine, wenn ich den Begriff verwende.

Ich möchte, dass die Definitionen klar und spezifisch so angegeben werden, wie wir Axiome in der Mathematik angeben. In der Mathematik sage ich, dass ein Vektorraum unter der Addition abgeschlossen ist, wenn X , j ∈ v impliziert X + j ∈ v . Das sind sehr konkrete Behauptungen.

Kann jemand etwas ähnlich Klares und Spezifisches mit Welle und Teilchen machen?

Viele Kommentare gelöscht. Physics SE ist kein Ort, um das Internet zu reparieren .
Ein "Punktteilchen" in der klassischen Mechanik ist das Konzept, dass man die Bewegung eines realen, ausgedehnten Objekts durch die Bewegung seines Massenschwerpunkts annähern kann. Wenn Sie sich an diese Ontologie halten, macht es keinen Sinn zu sagen, dass der photoelektrische Effekt Teilcheneigenschaften impliziert. Eine "Welle" in der klassischen Mechanik ist die kollektive Bewegung eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases. In der klassischen Elektrodynamik ist es die Ausbreitung von Energie in einem Vakuumfeld. Die Schlitzexperimente zeigen keinerlei Ähnlichkeit mit dieser Art von Wellenbewegung, da einzelne Quanten Interferenzeffekte zeigen, ohne dass ein "Kollektiv" vorhanden ist.
@CuriousOne Nun, das tun sie. Sonst wäre der Begriff „Welle-Teilchen-Dualismus“ nicht aufgetaucht.
@Ruslan: Der Begriff Welle-Teilchen-Dualität tauchte auf, weil ansonsten sehr schlaue Menschen sehr verwirrt waren. Es ist ein historisches Artefakt dieser Verwirrung, genau wie „Äther“ das Ergebnis eines anderen ist. Wendet man die korrekte klassische Definition von „Punktteilchen“ als Näherung an, die innere Freiheitsgrade und Trägheitsmomente der Bewegung ausgedehnter realer Objekte vernachlässigt, dann findet man keine logische Verwendung im Zusammenhang mit dem Fotoeffekt . Es gibt dort keine ausgedehnten Objekte, die approximiert werden müssen.
@CuriousOne kannst du näher erläutern, was du mit "ohne dass es ein Kollektiv gibt" meinst?
Klassische Wellen stammen von Phänomenen, die in genau definierten Volumina kontinuierlicher Medien wie Wasser oder Luft auftreten, einer Flüssigkeit, die von einem Becher in einen anderen gegossen werden kann, einem Gas, das in einem Gefäß gehalten werden kann. Diese Medien lassen sich in sich gleich verhaltende Teile unterteilen und wir verstehen „Wellen“ als lineare Verschiebungen dieser Teile gegenüber dem Ganzen. Diese Verschiebungen können kontinuierlich im gesamten Volumen gemessen werden, ohne die Wellen zu stören. Aber wenn wir versuchen, zusätzlich zum Detektor auch nur ein kleines Volumen des Quantensystems zu messen, verschwindet die "wellenartige" Qualität.
Wenn die Wellenqualität verschwindet, was wird daraus? Offensichtlich ist dies die Heisenbergsche Unschärferelation. Aber meinst du, ein Elektron ist eine Welle oder es bewegt sich wie eine Welle und ist ein Teilchen? Ich vermute weder lol. Aber die Diagramme, die Anna in ihrer Antwort beschrieben hat, lassen es so klingen, als wäre die Flugbahn des Elektrons eher eine Welle als seine Lokalisierung und dass es sich tatsächlich als Teilchen manifestiert, wenn es jemals einen bestimmten räumlichen Ort hat. Mit anderen Worten, eine Welle im Ozean wird als eine Änderung des Zustands der Medien definiert. Es ist kein Ding. Es ist wie Phononen. Aber ein Teilchen könnte
Lokalisierung und bewegen sich wie eine Welle. Ich versuche nicht, schwierig zu sein. Ich bin nur verwirrt und wahrscheinlich dadurch unklar.

Antworten (2)

Die Begriffe „Teilchen“ und „Welle“ gehen zunächst von der klassischen Physik und dem alltäglichen Gebrauch der Begriffe aus. Ein Staubkorn geriet ins Auge, und das Meer hatte riesige Wellen.

Die Physik kam in ihre Herrschaft, als die Mathematik ernsthaft zur Modellierung von Beobachtungen eingesetzt wurde.

Für die klassische Physik bedeutet "Teilchen" eine Entität mit kleiner Masse und einem Massenschwerpunkt, der zum Zeitpunkt t an den Koordinaten (x,y,z) verfolgt wird. Lösungen kinematischer Differentialgleichungen beschrieben die Trajektorie mit einer durch experimentelle Fehler bestimmten Genauigkeit.

Für die klassische Physik werden Wellen durch Sinusfunktionen modelliert, dh Funktionen, die die Lösung von "Wellengleichungen" waren, konnten das Verhalten von Meereswellen, Schallwellen und schließlich elektromagnetischen Wellen beschreiben. Klassischerweise ist eine Welle eine Variation einer messbaren Größe wie Energie oder elektrisches Feld im Raum zu einer bestimmten Zeit t, und die theoretischen Modelle waren sehr erfolgreich bei der Beschreibung der Beobachtungen periodischer Energieverteilungen in Massenmaterie und sogar im leeren Raum ( Elektromagnetische Wellen).

Dann wurde die Quantenmechanik notwendig, aus der Diskretion der Atome, dem Strahlungsspektrum des schwarzen Körpers, dem photoelektrischen Effekt wurde schließlich verstanden, dass es Bereiche in den gemessenen Variablen gab, die eine Quantisierung der Energie zeigten.

Zufälligerweise waren die Gleichungen, die den quantenmechanischen Zustand der Materie erfolgreich beschreiben, Differentialgleichungen mit sinusförmigen Lösungen, also Wellengleichungen, wie die Schrödinger-Gleichung . Die Lösungen für das Wasserstoffatom konnten die durch das Bohr-Modell zugeordnete Spektralreihe adhoc erklären, wenn das Postulat angenommen wurde, dass das Quadrat der Wellenfunktion nicht die Energie des Elektrons bei (x,y,z) zum Zeitpunkt t darstellt, sondern eine Wahrscheinlichkeitsverteilung. dh wenn man bei gleichen Randbedingungen eine große Anzahl von Messungen akkumulieren und die (x,y,z)-Zeit-t-Verteilungen auftragen würde, wüsste man, wie wahrscheinlich es wäre, das Elektron an diesem Ort zu finden.

Als Beispiel ist dies vergleichbar mit einer Volkszählung der Bevölkerung einer Stadt nach Alter und der Einschätzung, wie wahrscheinlich es wäre, dass die erste Person, die Sie treffen, 8 Jahre alt sein wird. Die Funktion der Wellenfunktion besteht genau darin, Wahrscheinlichkeiten mathematisch zu geben, die experimentell überprüft werden und sehr genau sind.

Der „Wellen“-Teil verwirrt und verwirrt die Menschen immer noch, weil sie denken, dass die quantenmechanische Einheit, das Elektron zum Beispiel, gemäß der Lösung der Schrödinger-Gleichung ausgebreitet wird. Das ist ein Missverständnis, wie die Doppelspalt-Interferenzexperimente mit einfallenden Einzelelektronen zeigen:

Doppelspalt Einzelelektron

Beachten Sie das obere Foto, wo das Elektron auf den Bildschirm trifft, es ist ein ganzes Elektron. Das akkumulierte Wahrscheinlichkeitsmuster zeigt jedoch deutlich den Interferenzeffekt, der von der Sinusform der Wellenfunktionen erwartet wird, die das Elektron beschreiben, wenn es auf die Spalte trifft und den einen oder anderen durchläuft.

Die "Teilchen"-Facette des Elektrons ist, dass es als Punkt bei (x,y,z_0) des Bildschirms erscheint, und die "Wellen"-Facette ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung, die in seinen Bahnen angezeigt wird.

Wenn man Physiker wird, ist es einfach, diese Tatsache zu akzeptieren, dass sich der Mikrokosmos anders verhält als die makroskopische Welt, an die wir gewöhnt sind. Bohm blieb an klassischen Rahmenwerken hängen und versuchte, die quantenmechanischen Wahrscheinlichkeiten aus einer zugrunde liegenden klassischen Beschreibung abzuleiten. Es gelang ihm, die gleichen Ergebnisse wie die üblichen quantenmechanischen Lösungen zu reproduzieren, aber sein Modell ist leider kompliziert und begrenzt und kann nicht auf die zweite Quantisierung ausgedehnt werden, wo das Ballspiel jetzt hingegangen ist.

Ist Böhm veraltet? Ich bin vorsichtig, Leute mit Ansichten zu lesen, die nicht aktuell genug oder nicht Mainstream genug sind. Würden Sie vorschlagen, dass ich jemand anderen lese, um mehr über Quantentheorie zu erfahren? Wenn ja, irgendwelche Empfehlungen?
Ja, Bohm ist sowohl veraltet als auch nicht Mainstream, obwohl ich glaube, dass es Leute gibt, die diese Forschungsrichtungen weiterführen. Probieren Sie für den Mainstream die Empfehlungen auf dieser Seite aus. physical.stackexchange.com/questions/33215/…
@annav: das stimmt nicht, nein, überhaupt nicht. Böhms Deutung gilt als mutiger Versuch, das Postulat des „Zusammenbruchs“ loszuwerden. Ob dieser Versuch gut ist, das ist eine andere Frage. Es gibt ernsthafte Forscher, die bereit sind zuzugeben, dass es in der mikroskopischen Welt einen bevorzugten Rahmen gibt. Mit solchen Leuten habe ich lange Gespräche geführt. Und es gab Experimente (Gisins Gruppe), die versuchten herauszufinden, ob ein bevorzugter Rahmen für Quantenteilchen existieren kann. Aber die Experimente waren nicht schlüssig. Soweit wir also die Existenz eines bevorzugten Rahmens nicht widerlegen können, können wir Bohms Interpretation nicht ausschließen.
@Sofia Ich sage, dass es kein Mainstream ist, und erwähne auch, dass noch Leute daran arbeiten. Von den verschiedenen Möglichkeiten, selbst eine einfache mathematische Funktion zu erweitern, ist es immer möglich, viel kompliziertere Wege zu finden, um zu derselben Vorhersage zu gelangen. Es gibt keinen Grund, den kompliziertesten Weg einzuschlagen, und viele Gründe, den einfacheren Weg zu gehen.
@annav, lass mich dir von meinen Kontakten erzählen. Niemand mag den Zusammenbruch. Die Menschen sind nicht bereit, es zu akzeptieren. Hier geht es nicht um Mathematik, sondern um Physik. Das QM kann die Messung nicht erklären. QM ist keine abgeschlossene Theorie, so einfach ist das, es braucht etwas von außen, und dieses Etwas wird überhaupt nicht verstanden. Über Bohms Interpretation ist es nicht komplizierter. Seine Mathematik ist einfach, plausibel, viele Menschen glauben daran. Und es ist eine sehr gut entwickelte Mathematik, es gibt viele Bücher darüber. Leider widerspricht es der Relativitätstheorie.
@Sofia, dass es im Widerspruch zur Relativitätstheorie steht, macht es unbrauchbar, alle vorhandenen Daten in hohen Energien zu beschreiben. Es wird dann zu Mathematik und Science-Fiction. In der Physik geht es nicht um Konsens oder Akzeptanz. Ich benutze Kollaps nicht als Begriff, genauso wenig wie ich ihn für klassische Wahrscheinlichkeiten verwenden würde. Die Quantenmechanik erklärt bis jetzt die Daten aus dem Mikrokosmos, sie ist nicht gebrochen, um behoben zu werden, es sei denn, es tritt eine Meinungsverschiedenheit mit den Daten auf. Nicht „Vorlieben“ und „Nicht-Vorlieben“ der Mathematik von Menschen.
@annav, hallo! Ich bin kein Anhänger der Bohmschen Mechanik (BM). BM hat zusätzliche Probleme damit, dass es für die Beschreibung von Photonen ungeeignet ist. Nun, die Tatsache, dass Sie den Begriff "Zusammenbruch" nicht verwenden, ist eine persönliche Angelegenheit. Die Quantengemeinschaft hat das Problem des Zusammenbruchs. Außerdem vergleicht man in der Hochenergiephysik nicht die Vorhersagen von zwei Beobachtern, die in entgegengesetzte Richtungen reisen, oder? Dieser Vergleich ist BMs Problem mit der Relativitätstheorie. Als jemand, der das BM ziemlich gründlich durchsucht hat, kann ich sagen, dass es keine Science-Fiction ist. Mein Gefühl ist, dass die Wahrheit irgendwo zwischen BM und QM liegt, aber wir können nicht sagen, wo.
@Sofia Wir haben Elementarteilchen, die interagieren und mit sehr hohen Energien in verschiedene Richtungen gehen. Nahezu lichtschnell umherrauschende menschliche Beobachter sind in meinen Büchern ein intellektuelles Spiel, keine experimentell überprüfbare Situation.
@annav : Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem jeder von uns versteht, was der andere spricht. Ich hoffe zu Gott, dass wir das BM überprüfen können, auch ohne bewegte Frames. Wie ich aus meinen Gesprächen mit Bekannten erfahre, ist man im Allgemeinen bereit, vor den Schwierigkeiten mit den Photonen die Augen zu verschließen und auf zukünftige Lösungen zu hoffen. Aber wenn, wie ich befürchte, mein Untersuchungsergebnis negativ ausfällt, also BM falsch liegt, wäre das ein Schlag für uns. Es ist schwer zu akzeptieren, beim Zusammenbruch zu bleiben, was unser Verstand nicht versteht. Und wieder hilft es nicht, das Wort zu vermeiden. Nun, Schlafenszeit. Schöne Träume!
@annav: Ich entschuldige mich für die Störung. Ich hatte das Bedürfnis, noch ein paar Worte hinzuzufügen. Sie sehen, es ist nicht BM hier unter dem Fragezeichen. Es ist der menschliche Verstand . Können wir die Natur verstehen oder nicht? Mein Lehrer und Freund zweifelt an der Kraft des menschlichen Geistes. Ich kann so etwas nicht akzeptieren. Wenn unser Verstand die Natur nicht verstehen kann, dann erwartet uns hinter der Ecke die Dunkelheit, die Mystik. Nun, noch einmal, gute Nacht!
@Sofia Wenn ich würfele und 4 auf dem Gesicht erscheint, sage ich nicht, dass die Wahrscheinlichkeit bei 4 zusammengebrochen ist. Die Wahrscheinlichkeit ist nur eine Verteilung, ein Wurf ist eine Instanz in der Verteilung. Was ist daran nicht zu verstehen? meine Schlafenszeit auch. Gute Nacht
Bitte klären Sie den Absatz über dem letzten. Meinen Sie, dass das Teilchen das ist, was Sie auf dem Bildschirm beobachten, wenn ein Elektron darauf haftet, und Welle das ist, was erscheint, wenn ein ganzer Satz von Elektronen an die Wand schlägt? Mit Partikeln ist keine Welle verbunden, sondern mit Partikeln. Ist es das, was du sagst?
@annav Machen Sie oben klar.
@YoungKindaichi Ein Partikel existiert in individuellen Interaktionen, wie an den Punkten in den obigen Frames zu sehen ist. Jeder Punkt ist ein Fußabdruck einer Wechselwirkung mit den Doppelspalten. Elektronen sind quantenmechanische Einheiten, und die Quantenmechanik kann nur vorhersagen. eine Wahrscheinlichkeitsverteilung und benötigt eine Anzahl von Teilchen mit denselben Randbedingungen, die auf dieselbe Weise gemessen werden (mit den Punkten auf dem Bildschirm). Es ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung, die durch das komplex konjugierte Quadrat der Wellenfunktion ( Ψ ) Ψ ∗ Ψ das zeigt Interferenzeffekte.
@annav also gibt es hier doch keine Welle, nur ein Teilchen und eine Wahrscheinlichkeitsverteilung.
Besteht die Möglichkeit, dass die Existenz von "Teilchen" nur eine Illusion ist - eine Manifestation einer Welle? dh Wellen haben diskrete Eigenschaften, wie Wellenzahlen, die sich als Teilchen manifestieren können. Das Doppelspalt-Experiment: Alles, was wir wirklich wissen, ist, dass die Energie der Entität an einem bestimmten Ort deponiert wurde – nicht, dass die Entität ein Teilchen ist . Ist es möglich, ein Teilchen richtig als Manifestation einer Welle zu interpretieren? dh auf sich selbst gewickelte Wellenenergie?
Nicht in Theorien der Manstream-Quantenmechanik. Es gibt verschiedene Theorien, die versuchen, die Wahrscheinlichkeitsverteilungen aus zugrunde liegenden deterministischen Ebenen zu bestimmen. Siehe Beiträge von 't physical.stackexchange.com/users/11205/gt-hooftHooft's hier auf dieser Website

Ein Teilchen ist einfach ein Stück Materie.

Eine Welle ist eine Art oszillierende Bewegung (in Wellenbergen und -tälern auf und ab schwingen).

Vor nicht allzu langer Zeit in der Wissenschaftsgeschichte dachten Wissenschaftler, dass sich ein sich bewegendes Teilchen streng geradlinig bewegt (vorausgesetzt, dass keine andere Kraft auf es einwirkt). Sie dachten auch, dass elektromagnetische Strahlung keine Materie enthält und nur ein Ausdruck von Energie ist. Planck gab dann sein berühmtes Gesetz an, dass sich jedes bewegte Objekt tatsächlich als Welle (mit Schwingungen) und nicht genau als gerade Linie bewegt. Je schwerer das Objekt, desto geringer die Schwingung (und größer die Wellenlänge). Elektromagnetische Strahlung sind in der Tat extrem leichte Teilchen (Photonen genannt), die sich in schwingender Bewegung durch den Raum bewegen.

Was ist eine Welle? Was ist ein Teilchen?
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