Intrebari de mecanica cuantica

[HarapAlb]

Pentru cineva care nu se pricepe prea mult la fizica (asa cum sunt eu), explicatia tare pare de bun simt. De ce nu se gaseste si prin carti asa ceva ? Exista unda generata in vacuumul cuantic, despre care vorbesti tu ? Sau e doar o presupunere ?

Este o explicatie mai mult intuitiva bazata pe conceptele fizicii clasice si se aseamana cu teoria undei pilot a lui de Broglie, insa fara suport experimental in sensul ca nu s-a pus in evidenta (direct sau indirect) nici o "unda in vacuumul cuantic".

[florin_try]

 Faptul ca e posibil sa alterezi/perturbi vacuumul cuantic nu numai ca este demonstrat experimental, dar se poate poate chiar extrage lucru util din perturbarea locala a vacuumului cuantic(ce e mai real si mai fizic decit lucru util?).
De asemeni faptul ca observatorul Rindler incepe sa vada particolele virtuale ca reala, arata ca exista o perspectiva din care vacuumul cuantic e plin de "obiecte" reale. Pai nu cumva caracterul de  "real" sau "virtual" a unei particole e doar o chestie de frame de referinta?

Si daca vacuumul cuantic e "ceva", de ce acest medium nu poate fi perturbat local de particolele din jur, la modul f. real. De ce aceste perturbatii locale nu s-ar comporta asemeni unui front de unda transmitind deci perturbatia din aproape in aproape. Si in felul asta avem si o unda "reala" a carei natura fizica poate fi inteleasa.
Contraargument ar fi: mediumul e format din particule virtuale iar perturbatiile ar trebui sa fie si ele deci tot virtuale si nu reale. Not really, caci ce e real sau virtual e doar o chestie de perspectiva: vezi observatorul Rindler!

Bineinteles, fara verificare matematica si experimentala supozitia de mai sus e doar o ipoteza fara nici o validitate stiintifica (sunt primul care o spun). 

------

Incerc mai jos sa creionez cum vad functia de unda din interpretarea Copenhaga a mecanicii cuantice.

Joc barbut cu banul. Pot descrie jocul deterministic (daca as putea calcula cu f. mare precizie viteza de aruncare a monedei, viteza vintului, momentul angular de rasucire a monedei, si multe alte variabile). Insa pot descrie jocul pur probabilistic(chiar mai simplu): dupa numar suficient de mare de aruncari probabilitatea sa cada stema = 50%.
Hai sa presupunem ca putem asocia o functie de unda jocului asta de barbut. Si sa mai presupunem ca putem asocia un operator care sa descrie operatia de aruncare a banului. De exemplu functia aia de unda are proprietatice ca insumate pe tot spatiu da 1, si valoarea  valoarea proprie  a functiei de unda dupa ce-i aplic operatorul e 0.5 indicind 50% probabilitate sa iasa ban.

Daca s-ar putea descrie jocul meu de barbut intr-o functie de unda si un operator ca mai sus, 
intrebarea imediata e urmatoarea: Ce e unda si ce se unduieste in jocul meu de barbut?

Raspuns: nimic. Functia aia de unda imi descrie statistic jocul si sansele de cistig, dar nu da nici o indicatie despre realitatea fizica a jocului meu, ci dimpotriva foloseste confuz conceptul de unda.

De fapt unda aia de probabilitate ar trebui sa se numeasca unda de abstract!

----

Da, functia de unda din ecuatia lui Schrodinger da corect distributia norului electronic, dar si functia de unda  asociata cu jocul meu de barbut (pentru argument sa o imaginam posibila) da corect sansa de a cistiga; insa nu are nici o substanta de natura fizica si nu e nimic unda in jocul de barbut. 

[Mishulanu]

Eu imi imaginam faptul ca electronul ar genera in jurul lui un front de unda datorita interactiei cu particolele virtuale din  vacuumul cuantic.
Aceasta unda ar fi acum o unda "mai clasica" si [fortind un pic intuitia/fantezia] as putea-o privi ca o perturbare a vacuumului cuantic in jurul electronului. Acest front de unda ar da de fapt interferenta cind trece prin cele 2 slituri.

Prin dualitatea unda/particula eu nu inteleg ca electronul, particula punctiforma, genereaza o unda in mediul in care se propaga, ca o barca ce merge pe apa. Electronul este particula punctiforma doar atunci cand i se masoara pozitia. Atunci cand nu stim unde se afla, el este o unda, cu intindere in spatiu. In experimentul cu cele doua fante, electronul nu se imparte in doi electroni punctiformi care sa treaca fiecare printr-o fanta si sa genereze la sfarsit tiparul de interferenta. Electronul este o unda, pana in momentul in care este masurat de detector.

Faptul ca e posibil sa alterezi/perturbi vacuumul cuantic nu numai ca este demonstrat experimental, dar se poate poate chiar extrage lucru util din perturbarea locala a vacuumului cuantic(ce e mai real si mai fizic decit lucru util?).

Cum se poate extrage lucru util din vid? Asta nu contrazice principiul ca energia nu poate fi creata si nici distrusa?

[florin_try]

Prin dualitatea unda/particula eu nu inteleg ca electronul, particula punctiforma, genereaza o unda in mediul in care se propaga, ca o barca ce merge pe apa.

De acord cu tine. Eu incercam doar sa imi imaginez un pic altfel decit invatat la scoala. Probabil topicul ar trebui mutat la sectiunea aia "critici ale paradigmei"?
Daca ai timp, ar fi interesant sa sumarizezi ce intelegi tu prin dualitatea unda corpuscul. Si care ar fi natura undei? De probabilitate?

Electronul este particula punctiforma doar atunci cand i se masoara pozitia. Atunci cand nu stim unde se afla, el este o unda, cu intindere in spatiu. In experimentul cu cele doua fante, electronul nu se imparte in doi electroni punctiformi care sa treaca fiecare printr-o fanta si sa genereze la sfarsit tiparul de interferenta.

Din cite inteleg eu, dualitatea unda corpuscul spune ca electronul se poate comporta fie ca unda fie ca corpuscul, functie de experimentul la care e supus si functie de cum e masurat. Insa nu se poate manisfesta ca ambele simultan ca ambele.
De exemplu, pe monitor e intra-devar copuscul, dar la fanta dubla se comporta ca si cum ar fi unda. Insa caracterul de unda (imaginea de interferenta cu minime/maxime multiple pe ecran) se manifesta doar de la un numar mare de electroni ce cad pe ecran.

Cind trece prin slitul dublu este o unda. Din cite inteleg, imaginea pe slit arata ca nu se comporta uneori ca unda uneori ca particula ci numai ca unda in dublu slit.

Electronul este o unda, pana in momentul in care este masurat de detector.

Cred ca in interpretarea clasica/Copenhaga a mecanicii cuantice electronul este intr-o stare nedeterminata atit timp cit nu e masurat. Probabil nu putem spune daca e unda sau corpuscul pina e masurat.

Cum se poate extrage lucru util din vid?

Din cite inteleg eu, efectul Cazimir poate genera lucru mecanic util din vacuumul cuantic datorita fortei alea atractive intre placi.

Asta nu contrazice principiul ca energia nu poate fi creata si nici distrusa?

Nu, daca faci corect bilantul de energie. Ca sa generezi acea stare speciala necesara in efectul Cazimir, consumi mult mai multa energie decit infimul lucru mecanic ce s-ar genera daca cele 2 placi sunt lasate sa vina "in contact".

[HarapAlb]

Din cite inteleg eu, dualitatea unda corpuscul spune ca electronul se poate comporta fie ca unda fie ca corpuscul, functie de experimentul la care e supus si functie de cum e masurat. Insa nu se poate manisfesta ca ambele simultan ca ambele.

Corect spus este electronul poate fi descris in unele experimente folosind formalismul clasic al undelor sau formalismul clasic particulelor. Din punctul de vedere al fizicii cuantice electronul nu este nici unda, nici particula (vorbim aici de unda si particula in sens clasic), este altceva, un obiect cuantic. De multe ori se foloseste termenul corpuscul, insa trebuie folosit cu atentie pentru ca nu este echivalent termenului clasic de particula. Corpuscului este altceva, nu este nici unda, nici particula.

Electronul este o unda, pana in momentul in care este masurat de detector.

Cred ca in interpretarea clasica/Copenhaga a mecanicii cuantice electronul este intr-o stare nedeterminata atit timp cit nu e masurat. Probabil nu putem spune daca e unda sau corpuscul pina e masurat. 

Electronul ramane in continuare un obiect cuantic chiar si dupa ce "a fost masurat". El isi pastreaza proprietatile cuantice, nu devine nici unda, nici particula.

S-a mai discutat pe forum pe marginea dualitatii unda-particula. Apar multe confuzii din cauza neintelegerii corecte a semnificatiei termenilor. Dualitatea consta in posibilitatea de a folosi un formalism sau altul in scopul descrierii aproximative (mai mult sau mai putin precise) a unui fenomen cuantic. Pe de-o parte avem formalismul cuantic valabil in toate circumstantele, iar pe de alta parte avem formalismele clasice ale undei si particulei care pot aproxima in anumite situatii formalismul cuantic cu mai mult sau mai putin succes.

[florin_try]

Din punctul de vedere al fizicii cuantice electronul nu este nici unda, nici particula ... este altceva, un obiect cuantic.

Iar un obiect cuantic ce este?

[HarapAlb]

Iar un obiect cuantic ce este?

Este un obiect ale carui proprietati se supun legilor mecanicii cuantice.

[123]

Iar un obiect cuantic ce este?

Este un obiect ale carui proprietati se supun legilor mecanicii cuantice.

Iar urmatoarea intrebare ar fi: care sunt "legile" mecanicii cuantice?

[Mishulanu]

Daca ai timp, ar fi interesant sa sumarizezi ce intelegi tu prin dualitatea unda corpuscul. Si care ar fi natura undei? De probabilitate?

Din cate inteleg eu, dualitate unda/particula se manifesta in felul urmator. Electronul este se comporta ca o particula punctiforma atunci cand are loc o interctiune, adica sa emita sau sa absoarba o particula de schimb, iar intre doua astfel de interactiuni se comporta ca o unda de probabilitate. Adica nu are un corespondent fizic ca in cazul undelor facute de aruncarea unei pietre intr-un lac. Intr-un fel, as putea sa zic ca electronul are existenta fizica doar atunci cand interactioneaza. Poate ca intre doua interactiuni electronul nici nu exista, decat ca o unda de probabilitate, ca din vid sa apara undeva un electron cu anumite proprietati. Cam asa vad eu lucrurile.

Am revazut experimentul cu cele doua fante. Din cate am inteles, unda de probabilitate a electronului colapseaza atunci cand in experiment se introduce un aparat de masura pentru a se determina prin ce fanta trece electronul. Acum, banuiesc ca masuratoarea se face trimitand fotoni spre locul unde s-ar putea gasi electronul si intregistrand eventualii fotoni emisi de acesta. Deci observarea presupune o interactiune electromagnetica. Dar aici eu am o intrebare. Orice fel de interactiune colapseaza unda de probabilitate sau doar cea electromagnetica? Adica daca as avea un accelerometru foarte sensibil care sa poata detecta atractia gravitationala electronului si sa determine astfel prin ce fanta trece, tot s-ar mai colapsa unda de probabilitate? Eu ma gandesc ca electronul poate parcurge o anumita distanta fara a emite sau absorbi un foton, deci fara sa colapseze unda, dar poate sa parcurga aceeasi distanta fara sa interactioneze gravitational? 

[HarapAlb]

Eu ma gandesc ca electronul poate parcurge o anumita distanta fara a emite sau absorbi un foton, deci fara sa colapseze unda, dar poate sa parcurga aceeasi distanta fara sa interactioneze gravitational? 

Accelerometrul acela constituie un aparat de masura. Starea electronul "colapseaza" cand este masurat, indiferent de natura aparatului de masura. Se obisnuieste sa se foloseasca fotoni pentru ca e mai intuitiv si poti face analogia cu un microscop prin care te uiti sa vezi electronul , de aici provine exemplul cu fotoni.

[Adrian Copilul Minune]

Starea electronul "colapseaza" cand este masurat.

Ce inseamna asta ? De ce colapseaza cand este masurat ? In cazul masurarii gravitationale date mai sus ca exemplu, nu masori doar, sa zicem, undele gravitationale ? Nu atingi in niciun fel electronul. Deci ce inseamna a masura ?

[florin_try]

 "Colapsare a functiei de unda" e un fel de a spune, care mie chiar imi displace. In loc de "colapsare a functiei de unda", cred ca am putea avea o imagine mult mai clara in termeni mai clasici/conservatori ca sa zic asa.

Ce inseamna sa masori un obiect?[Sa consideram ca exemplu, o masina in miscare.] Pai inseamna sa interactionezi cu obiectul masurat! Adica trimiti fotoni pe el si cind fotonii se reflecta inapoi la tine, poti determini pozitia, viteza, acceleratie masinii. Cind se reflecta inapoi fotonii interactioneaza cu obiectul masurat si deci fotonii care se intorc la observator contin modulat informatia despre obiect. Insa fotonii sunt prea mici (si cu prea putina energie) sa aftereze traiectoria masini. La o masina (obiect macroscopic) cu cit fascicolul de fotoni e mai intens cu atit precizia masurarii e mai mare, deoarece fotonii nu pot afecta traiectoria masinii.

Daca in loc de masina masuram o particola f.f.f.f mica (cuantica) fotonii folositi sa ii determin pozitia vor afecta pozitia obiectului masurat deoarece obiectul masurat "e comparabil ca energie si marime" cu fotonul ce face masurarea si poate fi perturbat de foton. De fapt, in contrast cu obiectul clasic, cu cit dau fascicol mai intens de fotoni cu atit voi perturba mai mult traiectoria obiectului masurat. Totul tine de cit de mare e obiectul clasic fata de foton si cit de mic e obiectul cuantic fata de foton.

Asadar in loc de "colapsare" o imagine mai in sens clasic si conservator ar fi caci actul de masurare artereaza inevitabil obiectul cuantic, iar ce masuram este rezultatul interactiei foton-obiect masurat si nu comportamentul in sine a obiectului masurat. In aceasta formulare nu e necesara nici o unda sau colapsare a ei.

[Adrian Copilul Minune]

Si cum ramane cu masurarea gravitationala ? Sau chiar masurarea electromagnetica ? Nu se poate pune un detector care sa simta sarcina electronului cand trece printr-una din fante ? Cum ar influenta aceste masurari traiectoria electronului ?

[florin_try]

Nu stiu despre unde gravitationale, dar cu sarcina e simplu:

Sa zicem ca pui un detector care sa "simta" sarcina electronului. Intrebarea e: cum "simte" sarcina electronului? Pai printr-o interactie electrica sau electromagnetica electron-detector. Ei bine, daca obtii informatie utila despre electron din acel detector inseamna ca detectorul a interactionat deja "suficiet de mult" cu electronul cit sa ii perturbe starea si sa nu mai dea interferenta.

Daca insa pui un detector "mai destept" care sa nu altereze starea electronului "prea mult" problema e urmatoarea: acel detector iti va da prea putina informatie utila ca sa stii pe unde a trecut.

Imagineaza-ti caci cu un slider poti modifica cit de mult precis sa lucreze detectorul de "sarcina". Daca e prea precis si iti spune prin ce fanta trece electronul atunci perturba prea mult electronul si nu mai da interferenta, daca e prea slab si lasa electronul neafectat [asa incit da interferenta dorita] atunci nu iti da nici o informatie utila despre traiectoria e- prin fante. Din pacate setare de mijloc a sliderului care sa si interactioneze cu e- cit sa iti dea informatie utila , dar fara sa il perturbe [asa incit sa produca si interferenta], nu prea e posibila.

Alege: ori interactionezi cu e- si obtii informatie utila despre el dar bye-bye interferenta ai ai interactionat cu el, ori nu interactionezi cu e- si obtii interferenta dar bye-bye informatie utila despre traiectoria lui.

[HarapAlb]

Ce inseamna asta ? De ce colapseaza cand este masurat ? In cazul masurarii gravitationale date mai sus ca exemplu, nu masori doar, sa zicem, undele gravitationale ? Nu atingi in niciun fel electronul. Deci ce inseamna a masura ?

"A masura" inseamna a interactiona cumva (prin camp lectromagnetic, gravitational...) cu sistemul a carui stare vrei sa o determini. In fizica clasica perturbatiile induse sistemului de catre aparatului de masura sunt, in general, neglijate. Fizica cuantica a aparut in urma studiului sistemelor microscopice unde orice interactie este importanta pentru ca le poate perturba starea. Daca vrei, putem spune ca sistemele cuantice sunt mai fragile la interactiuni (si implicit la masurari). Interactiunile s transmit prin campuri, notiunea de contact neavand sens in lumea microscopica pentru ca este inlocuita de termenul "sectiune eficace". Sectiunea eficace este o masura a probabilitatii de interactiune intre doua particule, ea depinzand de mai multi parametrii (energie, distanta la care se apropie particulele...).

Exista un articol care trateaza pe larg interferometrul cu neutroni (experimentul cu doua fante este in esenta un interferometru): The neutron interferometer as a device for illustrating the strange behavior of quantum systems. Se discuta si actiunea campului gravitational asupra neutronilor din interferometru, franjele de interferenta fiind deplasate datorita inaltimii diferite la care se situeaza cele doua fante.