En el experimento de la doble rendija del electrón, ¿qué hace que la función de onda del electrón se colapse en la pantalla?

Question

En esta figura de Wikipedia, sabemos que la función de onda del electrón colapsa en la pantalla F, provocando un patrón de interferencia. ¿Significa esto que en este caso, cuando el frente de onda llega a la pantalla, ésta hace algo similar como "medición" para provocar el colapso de la función de onda? Si es así, ¿por qué la función de onda del electrón no colapsaría en la pantalla S2, lo que no produciría un patrón de interferencia en la pantalla F, ya que el frente de onda llega primero a la pantalla entre las rendijas B y C?

Answer 1

... we know that electron's wavefunction collapse at screen F, causing an interference pattern

No, la interferencia no requiere colapso. La pantalla con las rendijas modula efectivamente la función de onda del electrón con una función que produce el patrón de interferencia en el campo lejano. Lo que ocurre entonces es que la absorción del electrón en la pantalla hace que se localice en un lugar concreto con una distribución de probabilidad dada por el patrón de interferencia. La localización del electrón en el punto donde es absorbido hace no requieren el colapso, tal como se entiende en la interpretación de Copenhague de la QM. Todo lo que se necesita es que el base de medición del proceso de absorción implica una localización. Dicha base de medida viene determinada por los átomos de la pantalla que absorberían el electrón.

Answer 2

Esta es una pregunta perspicaz. En realidad, el comentario de @my2cts da en el clavo.

El "colapso de la función de onda" realmente no ocurre. En cambio, el estado cuántico microscópico (ubicación del impacto del fotón en la pantalla, que es mecánicamente indeterminado) se correlaciona con un estado macroscópico (su percepción del lugar de impacto del fotón en la pantalla). Su estado de percepción también es mecánicamente indeterminado. Lo que ves es una ubicación seleccionada al azar de toda la gama de ubicaciones posibles (con la aleatoriedad ponderada según la amplitud cuadrada de la función de onda en cada ubicación). Si la función de onda de todo el sistema se amplía para incluir usted habrá un número infinito de usted es Cada uno de ellos ve cómo el fotón impacta en un lugar diferente de la pantalla.

Answer 3

Como puedes ver en los comentarios, el colapso de la función de onda es sólo una de las interpretaciones (Coppenhagen) en QM, en realidad una muy interesante.

Ahora a tu pregunta, ¿por qué la función de onda del electrón no se colapsa en la primera pantalla?

La respuesta son las dos pequeñas rendijas. Como la onda llega a la primera pantalla, dices que el frente de onda llega primero a la pantalla entre las rendijas. Esto implica que piensas que la onda se propaga de la forma mostrada.

En realidad, el electrón al propagarse, un objeto QM, su trayectoria es indefinida. Toma todos los caminos posibles. Sí, la QM es una bestia complicada y es muy poco intuitiva de imaginar.

Lo que realmente ocurre es que el electrón al propagarse, llega a la primera pantalla y sigue propagándose por las rendijas, por eso no hay decoherencia con el entorno, que haría que la superposición del electrón se redujera a un estado propio, con un determinado valor propio (la posición del electrón en la pantalla).

Los fotones no tienen una trayectoria bien definida. El diagrama los muestra como si fueran bolitas que viajan a lo largo de una trayectoria bien definida, sin embargo los fotones están deslocalizados y no tienen una posición o dirección de movimiento específica. El fotón es básicamente una esfera difusa que se expande alejándose de la fuente y superando ambas rendijas. Por eso atraviesa las dos rendijas. La posición del fotón sólo está bien definida cuando interactuamos con él y colapsamos su función de onda. Esta interacción sería normalmente con el detector.

Disparo de un solo fotón a través de una doble rendija

Lo que te confunde es que intentas imaginar que la onda llega primero a la parte de la pantalla entre las rendijas, luego se descohesiona y provoca el colapso de la función de onda. Lo que realmente ocurre es que el electrón toma todos los caminos y encuentra una forma de atravesar las rendijas. Sí, es muy difícil entender cómo la onda toma todos los caminos, y sabe que no colapsa porque hay dos rendijas por las que pasar. Esto es QM.

La forma más intuitiva de ver las interferencias que he encontrado es la formulación de la integral de trayectoria de Feynmann. En términos generales, si tienes un fotón (o cualquier cosa, en realidad) en el lugar A y quieres calcular su probabilidad de moverse hacia B, imagina que toma todos los caminos posibles entre los dos al mismo tiempo.

Cómo interfieren dos fotones en un experimento de doble rendija

Cuando el electrón llega a la segunda pantalla, no encuentra ninguna rendija por la que propagarse, y finalmente interactúa con la pantalla, dejando un punto en la misma. Esto es lo que se llama el colapso de la función de onda. Su posición se localiza.

Answer 4

Los cuantos son combinaciones de energía, momento, momento angular y cargas que se intercambian de forma irreversible entre campos cuánticos (en este caso, el campo cuántico de los electrones) y sistemas externos (en este caso, la pantalla).

Lo importante aquí es la palabra "irreversible". Estamos eliminando la energía de los electrones (en términos clásicos sería la energía cinética de los electrones) del campo cuántico en la pantalla, lo cual es diferente del proceso en las aberturas de las rendijas, que no elimina energía del campo (y por tanto es reversible).

El meme del colapso es muy desafortunado. Debería desterrarse de una vez por todas de la terminología de la física, aunque sólo fuera porque no tiene ningún valor explicativo. En la interpretación de Copenhague se hace extremadamente obvia la distinción entre procesos reversibles que no eliminan la energía del cuanto del sistema (a menudo representados por la ecuación de Schroedinger) y procesos irreversibles (representados por la regla de Born). Este aspecto de la estructura de la teoría convencional a menudo no se enfatiza lo suficiente en el aula, lo que parece dejar a muchos estudiantes preguntándose por qué existe una división tan "artificial" entre los dos casos. Obviamente, no es artificial en absoluto, sino una característica de la naturaleza verificable experimentalmente: la energía permanece en el sistema cuántico o es eliminada por la medición.