Bølgeegenskapene til elementærpartikler

[Kinski]

Et par ting jeg lurer på vedrørende elektroner og fotoner som bølger, men for å unngå komplisering og misforståelser poster jeg bare et spørsmål om gangen. 

Dobbeltspalteeksperimentet visert partiklenes bølgenatur. Selv når bare et og et elektron sendes ut om gangen dannes det et interferensmønster. Det er blitt foreslått at bølgen består at det totale antall mulige retninger partikkelen kan ta når den sendes ut, eller at den faktisk er en bølge. Det sistnevnte fremstår som mest sannsynlig med tanke på interferensmønsteret. Om det handlet om at alle mulige retninger ble tatt på en gang skulle mønsteret i stedet hatt samme fordeling som om det kun var snakk om partikler.

Så når et foton i form av en bølge reiser gjennom universet, finnes det en grense for hvor mye bølgen kan spre seg så lenge den ikke møter hindringer underveis? Det har lenge vært antatt at bølgen teoretisk vil kunne fortsette å spre seg utover for alltid, over mange lysår, men det er mulig nye modeller er blitt laget siden den gang.

[SeaLion]

Vi har klart å observere lys fra objekter som ble dannet få hundre millioner år etter startet på universet. Disse fotonene har altså reist gjennom universet i omtrent 13,5 milliarder år.

Men hvis vi ser relativistisk på det, fra fotonenes synsvinkel, fordi de beveger seg i hastigheten c, så eksisterer ikke tid for de. De sendes altså ut og treffer endepunktet, der de absorberes, samtidig.

[Flin]

Kinski skrev (På 28.10.2023 den 2:53 PM):

Om det handlet om at alle mulige retninger ble tatt på en gang skulle mønsteret i stedet hatt samme fordeling som om det kun var snakk om partikler.

Er du sikker på det? Jeg regner med at du referer til vei-integral formalismen, som gir en helt korrekt beskrivelse av det vi observerer.

Så langt vi vet, nei det finnes ingen grense for hvor langt et foton kan bevege seg i tomt rom. 

 

[Kinski]

SeaLion skrev (På 30.10.2023 den 3:29 PM):

Vi har klart å observere lys fra objekter som ble dannet få hundre millioner år etter startet på universet. Disse fotonene har altså reist gjennom universet i omtrent 13,5 milliarder år.

Men hvis vi ser relativistisk på det, fra fotonenes synsvinkel, fordi de beveger seg i hastigheten c, så eksisterer ikke tid for de. De sendes altså ut og treffer endepunktet, der de absorberes, samtidig.

Ja, men har de bredt seg utover som en bølge i hele 13,5 milliarder år, helt uhindret?

[Kinski]

Flin skrev (15 timer siden):

Er du sikker på det? Jeg regner med at du referer til vei-integral formalismen, som gir en helt korrekt beskrivelse av det vi observerer.

Så langt vi vet, nei det finnes ingen grense for hvor langt et foton kan bevege seg i tomt rom. 

 

Kjenner dessverre ikke til vei-integral formalismen. For å bruke et overforenklet bilde; slipper man en stein i et vann, brer bølgene sted stadig lengre utover. Hadde bølger i vann hatt samme egenskaper som fotoner (det vil si at de reiser gjennom rommet uten at det kreves energi), og vannet var uendelig stort, ville bølgen fortsette å spre seg utover i all evighet, eller i alle fall til den støter på noe og en energiutveksling/absorbering inntreffer. Det er dette vi er blitt fortalt, og var derfor nysgjerrig på om det virkelig er tilfellet.

Siden et foton inneholder en bestemt mengde energi, og hvis et foton er milliarder av lysår bredt hvis det reiser i bølgeform, må all denne energien kollapse inn i et enkelt punkt øyeblikkelig hvis fotonet absorberes av et objekt det møter på underveis.

Hvorfor jeg reagerer på bildet av en bølge som en rekke sannsynligheter: Dersom man skyter mot en vegg med et fastmontert gevær, er det begrenset hvor stort område på veggen hvor kula har mulighet for å treffe. Hadde kula hatt kvanteegenskaper, det vil si at den tok hver tenkelige og mulige bane mellom geværløpet og veggen på en og samme gang, ville en av disse mulighetene til slutt blitt virkeliggjort og endt opp som et hull i veggen. Men dersom alle de ulike mulighetene påvirker hverandre før en av dem er blitt "valgt", og slik også påvirker utfallet, er de mer enn bare muligheter og sannsynligheter. Var det kun snakk om ren sannsynlighet for hvilken rute et foton ville ta, burde ikke det velkjente mønsteret man kjenner fra dobbeltspalteeksperimentet kunne dannes. 
 

[Flin]

Kinski skrev (9 timer siden):

Var det kun snakk om ren sannsynlighet for hvilken rute et foton ville ta, burde ikke det velkjente mønsteret man kjenner fra dobbeltspalteeksperimentet kunne dannes. 
 

Men det er ikke kun snakk om sannsynligheten for hvilken rute et foton vil ta.

[Kinski]

Flin skrev (5 timer siden):

Men det er ikke kun snakk om sannsynligheten for hvilken rute et foton vil ta.

Hva mer er det snakk om?

[Flin]

Det er snakk om det man kaller superposisjoner og at et foton befinner seg i en superposisjon. Du kan tenke på det som en kombinasjon av alle mulige tilstander og at du har en gitt sannsynlighet for å finne fotonet i en gitt tilstand når du gjør en måling. Før du gjør en måling er ikke fotonet i en bestemt tilstand, men en superposisjon av alle. Det er ikke snakk om en sannsynlighet for at en partikkel tar en bestemt vei, det er en klassisk (klassisk betyr her egentlig bare vanlig fysikk vi er kjent med fra hverdagen) måte å tenke på som ikke passer overens med kvantemekanikk.

Det er et ganske komplisert tema, noen kilder som kanskje forklarer det bedre en jeg evner

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition
 

 

Endret 2. november 2023 av Flin

[process]

Stephen Hawking sin A brief history of time gir en introduksjon til en del av disse konseptene, for ikke-fysikere. 

Jeg er usikker på hvor datert den er, men meg bekjent står vi fortsatt i et crux mellom kvantefysikk og strengteori. 

edit: Jeg er klar over at det ikke er et direkte svar, men håper alikevel svaret er konstruktivt.

Endret 2. november 2023 av process

[Kinski]

Temaer som er relatert til emnet, men i denne sammenheng er det mer hvordan en partikkel brer seg utover i rommet jeg tenker på:

"We discover that as soon as a photon travels out into free space, the single photon spreads out into a wave that has a non-zero width and acts just like a coherent beam containing trillions of photons."

"That independence dictates why wave-front propagating growth properties can act as linear-independent-variable in the radiative link between information source and observer. It will be subsequently demonstrated how “periodicities” within the feasible patterns-of-growth in incremented wave-front area can transfer “possibility waves” that carry information from the source to the detector object. What we call the photon is really a propagating zero-thickness wave-front with an enormous number of potential different-sequential-area-patterns, with only a very few of them being periodic." (Fra boka Velocity Revisited, av Irwin Wunderman)

Visste bare ikke om dette bilder fremdeles benyttes, eller om det er blitt modifisert de siste årene.

Akkurat det med partikkel-bølge dualitet er trolig hinsides forståelse for de fleste vanlig dødelige:
"The wave/particle duality is one of the hardest concepts to visualize in modern physics. Most physicists even have trouble with it. In fact, you simply cannot comprehend it with common sense. It makes no sense in our macroscopic human-scaled world. It only works at the unimaginably small level of atoms and subatomic particles. The only way it can be understood is with mathematics, which explains it beautifully. But the math is too hard to understand unless you have a few university level physics courses. And even then, it's not that easy."

Endret 2. november 2023 av Kinski

[Flin]

Jeg tror mye av problemet er vi ikke møter på det i dagliglivet. Om vi tar Einsteins teorier for god fisk, tyngdekraften er jo mildt sagt like forvirrende. Masse og energi krummer tid og rom slik at selve geometrien forandrer seg. Hva i alle dager skal det bety? Hva er tidrommet? Hva betyr det at det krummer? Det er også nesten umulig å forstå i sin helhet uten å forstå matematikken, men det svært få som har problemer med å akseptere at epler faller fra trær. Sånn er det bare.

Like fult, slik er det bare med partikler også. Eksperimenter viser at partikler er best beskrevet av kvantemekanikken og der er bølgefunksjonen sentral og den har altså både bølge og partikkel egenskaper. Slik er det bare. Vi observerer at det er sånn.

Det fører til en del kompliserte fenomener som ofte kan være vanskelige å forstå, fordi vi ikke har noen intuisjon om denne typen ting. Vi møter rett og slett ikke på disse tingene i dagliglivet. Heldigvis har vi matematikk og vitenskap som hjelper oss med å sette ting i systemer og forstå ting som går på tvers av det vår intuisjon forteller oss.

Jeg vil påstå at matematikken bak kvantefysikk egentlig ikke er så vanskelig, det er mange ting som er mye mer komplisert og mye vanligere å regne på (det har iallefall vært min erfaring). Hvis jeg kan lære meg å regne med bølgefunksjoner og forstå kvantemekanikk så kan alle det. Det er selvfølgelig bare min mening og basert på mine egnene erfaringer så jeg har ingen god datapunkter eller solide argumenter for denne påstanden, men kvantemekanikk er ikke så vanskelig som mange skal ha det til. Det vanskeligste er å gi slipp på bagasjen man har med seg.