¿Realmente los electrones realizan saltos cuánticos instantáneos?

Question

Esto no es un duplicado, ninguna de las respuestas da una respuesta clara y la mayoría de las respuestas se contradicen.

Hay tantas preguntas sobre esto y tantas respuestas, pero ninguna de ellas dice claramente si el cambio de orbitales del electrón según la QM puede expresarse en una componente temporal o es medible (toma tiempo o no), o es instantáneo, o si está limitado por la velocidad de la luz o no, así o incluso decir que no hay ningún salto.

He leído esta pregunta:

Salto cuántico de un electrón

¿Cómo saltan los electrones los orbitales?

donde Kyle Oman dice:

Así que la respuesta a cómo un electrón "salta" entre orbitales es en realidad la misma que cómo se mueve dentro de un mismo orbital; simplemente "lo hace". La diferencia es que para cambiar de orbital, alguna propiedad del electrón (una de las descritas por (n,l,m,s)) tiene que cambiar. Esto siempre va acompañado de la emisión o absorción de un fotón (incluso un cambio de espín implica un fotón (de muy baja energía)).

y donde dice DarenW:

Mucho antes de la absorción, que para un átomo es de unos pocos femtosegundos, esta mezcla es 100% del estado 2s, y unos pocos femtosegundos después de la absorción, es 100% del estado 3p. En el medio, durante el proceso de absorción, es una mezcla de muchos orbitales con coeficientes que cambian mucho.

¿Un electrón pasa de un estado de excitación a otro, o salta?

donde annav dice:

Una distribución de densidad de probabilidad puede ser una función del tiempo, dependiendo de las condiciones de contorno del problema. Físicamente no hay "instantáneo", ya que todo está limitado por la velocidad de la luz. Lo que falta en tu pregunta es el ejemplo concreto. Si hay tiempo involucrado en la medición, la densidad de probabilidad puede tener una dependencia del tiempo.

y donde dice akhmeteli:

Yo diría que un electrón se mueve de un estado a otro durante un cierto período de tiempo, que no es menor que el llamado ancho de línea natural.

¿el tipo de movimiento en el salto de electrones entre niveles?

donde John Forkosh dice:

Nótese que el electrón nunca se mide en un estado de energía intermedio. Siempre se mide o en baja energía o en alta energía, nada en el medio. Pero la probabilidad de medir baja o alta energía varía lenta y continuamente de una a otra. Así que no se puede decir que haya un momento concreto en el que se produzca un "salto". No hay ningún "salto".

¿A qué velocidad salta un electrón entre orbitales?

donde annav dice:

Si observamos las líneas espectrales emitidas por los electrones en tránsito de un nivel energético a otro, veremos que las líneas tienen una anchura . Esta anchura, en principio, debería ser intrínseca y calculable si se pueden incluir en la solución del estado mecánico cuántico todos los posibles potenciales que influirían en ella. Experimentalmente, la anchura de la energía puede transformarse en un intervalo de tiempo utilizando la incertidumbre de Heisneberg de Et>h/2 Así, se puede estimar un orden de magnitud para el tiempo que tarda la transición.

El estado de excitación del átomo de H dura en promedio $10^{-8}$ segundos, ¿hay un espacio de tiempo (de máximo 2* $10^{-8}$ segundos) entre dos pares consec. de fotones absorbidos-emitidos?

Así que es muy confuso porque algunos dicen que es instantáneo y que no hay ningún salto. Otros dicen que es calculable. Algunos dicen que tiene que ver con las probabilidades, y que el electrón está en un estado mixto (superposición), pero cuando se mide está en un único estado estable. Algunos dicen que tiene que ver con la velocidad de la luz, ya que ninguna información puede viajar más rápido, por lo que los electrones no pueden cambiar de orbital más rápido que c.

Ahora me gustaría aclarar esto.

Pregunta:

1. ¿Los electrones cambian de orbital según la QM de forma instantánea?

2. ¿Este cambio está limitado por la velocidad de la luz o no?

Answer 1

¿Los electrones cambian de orbital según la QM de forma instantánea?

En cualquier interpretación razonable de esta pregunta, la respuesta es no . Pero hay razones históricas y sociológicas por las que mucha gente dice que la respuesta es sí.

Consideremos un electrón en un átomo de hidrógeno que cae del $2p$ estado a la $1s$ estado. El estado cuántico del electrón a lo largo del tiempo será (suponiendo que se pueda rastrear el entorno sin problemas) $$|\psi(t) \rangle = c_1(t) |2p \rangle + c_2(t) | 1s \rangle.$$ Con el tiempo, $c_1(t)$ disminuye suavemente de uno a cero, mientras que $c_2(t)$ aumenta suavemente de cero a uno. Por tanto, todo ocurre de forma continua y no hay saltos. (Mientras tanto, el número esperado de fotones en el campo electromagnético también aumenta suavemente de cero a uno, a través de superposiciones continuas de estados de cero y un fotón).

La razón por la que algunos podrían llamar a esto un salto instantáneo se remonta a los mismos orígenes de la mecánica cuántica. En estos tiempos arcaicos, los físicos antiguos pensaban en el $|2 p \rangle$ y $|1 s \rangle$ estados como órbitas clásicas de diferentes radios, en lugar de los orbitales atómicos que conocemos hoy en día. Si se adopta este punto de vista ingenuo, entonces el electrón realmente tiene que teletransportarse de un radio a otro.

Hay que destacar que, aunque la gente no deje de transmitiendo esta desinformación , este punto de vista es completamente erróneo . Se sabe que es errónea desde la aparición de la ecuación de Schrodinger casi $100$ hace años. La función de onda $\psi(\mathbf{r}, t)$ evoluciona de forma perfectamente continua en el tiempo durante este proceso, y no hay ningún momento en el que se pueda decir que se ha producido un salto "instantáneamente".

Una de las razones por las que uno podría pensar que los saltos ocurren incluso mientras los sistemas no están siendo medidos, si se tiene un aparato experimental que sólo puede responder a la pregunta "¿es el estado $|2p \rangle$ o $|1s \rangle$ ", entonces es obvio que sólo se puede conseguir uno o el otro. Pero esto no significa que el sistema deba teletransportarse de uno a otro, como tampoco significa que decir sí o no a un niño que pregunta constantemente "¿ya hemos llegado?" signifique que su coche se teletransporte.

Otra razón, menos defendible, es que la gente simplemente lo está pasando porque es un ejemplo bien conocido de "espeluzno cuántico" y un tótem de lo poco intuitiva que es la mecánica cuántica. Lo que sería, si fuera realmente cierto. Creo que explicaciones innecesariamente misteriosas como ésta perjudican la comprensión pública de la mecánica cuántica más que la ayudan.

¿Este cambio está limitado por la velocidad de la luz o no?

En el contexto de la mecánica cuántica no relativista, nada está limitado por la velocidad de la luz porque la teoría no conoce la relatividad. Es fácil tomar la ecuación de Schrodinger y establecer una solución con una partícula que se mueve más rápido que la luz. Sin embargo, los resultados no serán fiables.

Dentro de la mecánica cuántica no relativista, no hay nada que impida $c_1(t)$ de ir de uno a cero arbitrariamente rápido. En la práctica, esto será difícil de realizar debido al principio de incertidumbre energía-tiempo: si se quiere forzar al sistema a establecerse en el $|1 s \rangle$ estado en el tiempo $\Delta t$ la energía global tiene una incertidumbre $\hbar/\Delta t$ que se hace grande. No creo que las limitaciones de la velocidad de la luz sean relevantes para los procesos comunes de emisión atómica.

Answer 2

1. No. La transferencia instantánea de estados viola la causalidad, que es una premisa de todas las teorías racionales deterministas de la filosofía natural. Al igual que dos imanes que chocan entre sí una vez que están cerca, la transferencia de estado puede ocurrir muy rápidamente en relación con nuestra percepción y por lo tanto puede considerarse "aproximadamente" instantánea, pero esta aproximación sólo se aplica a los sistemas que no tienen en cuenta los períodos de tiempo de esta granularidad más fina. El término "instantáneo" suele ser hipérbole ya que depende de su intervalo de medición, todo lo que transmite es que el evento ocurre en un lapso de tiempo demasiado pequeño para ser medido con el aparato actual.
2. No veo por qué la velocidad de la transferencia estaría limitada por la velocidad percibida de la luz.

Answer 3

Un electrón actúa principalmente como una onda. Un electrón atómico se extiende en formas de onda parecidas a una nube llamadas "orbitales". Si se observan con atención los distintos orbitales de un átomo (por ejemplo, el átomo de hidrógeno), se ve que todos se solapan en el espacio. Por lo tanto, cuando un electrón pasa de un nivel de energía atómica a otro nivel de energía, en realidad no va a ninguna parte. Sólo cambia de forma. Las formas orbitales con más fluctuaciones (con más altos, bajos y curvas en su forma) contienen más energía. En otras palabras, cuando un electrón pasa a un nivel de energía atómica más bajo, su forma de onda cambia para tener menos curvas. Pero el electrón no "salta" a ninguna parte. Esta respuesta la obtuve de aquí y me convenció.

Answer 4

(Una edición para todos los editores: Sé que el apartado "Cómo editar" dice "corregir errores gramaticales y ortográficos"; pero antes de empezar a corregir "-sing" por "-zing", por favor, comprueba con un diccionario si se trata de la ortografía del inglés británico. No todos somos de Estados Unidos;-)

Esta es una buena pregunta, ciertamente en el sentido de que plantea algo que todavía no estamos preparados para responder con mucha certeza; por lo tanto, nos provoca a pensar más. No puedo darle una respuesta mejor que la que ya ha dado Knzhou.

Sin embargo, creo que vale la pena repetir que la MQ es muy difícil de entender, entre otras cosas porque trata de explicar observaciones que se hacen, en cierto sentido, lanzando un montón de partículas con bastante fuerza a algo muy pequeño, desde muy lejos, y luego viendo lo que sucede. No tenemos forma de observar un electrón moviéndose alrededor de un núcleo, aunque lo haga; nuestros métodos de observación nos obligan a pensar en términos puramente estadísticos sobre lo que realmente equivale a "estados estables": electrones esparcidos por un orbital.

La MQ hace un trabajo maravilloso, sin duda, pero creo que es razonable preguntarse si esto se debe a que ofrece una visión genuina de lo que hacen o son las partículas individuales; o si en cambio se debe al uso de estadísticas inteligentes. Por analogía, pensemos en que no podemos predecir lo que hará una persona individual en el transcurso de un día, pero podemos hacer muy buenas predicciones de lo que probablemente hará una población.

---

Editar el 2 de julio de 2019

Todo el tema de la mecánica cuántica sigue siendo un área de contención, lo que para mí es un signo de buena salud; la ciencia es, en su esencia, el escrutinio y el desafío de la teoría. Sin embargo, esto también significa que podemos nunca pronunciar con absoluta certeza, que conocemos la verdad - radica en la naturaleza lógica del método empírico: los experimentos, por muy sofisticados que sean, sólo pueden, incluso en la situación ideal de medición perfecta, refutar con absoluta certeza una predicción teórica. "Los resultados pasados no son garantía de resultados futuros" es aún más cierto en la ciencia que en el mundo de la inversión.

Así que, sobre el downvoting; no me importa, pero por favor deja un comentario para explicar por qué, no seas un cobarde anónimo. Creo que los que nos tomamos el tiempo y nos esforzamos por responder a las preguntas, a veces muy difíciles, que hace la gente, nos merecemos algo mejor, para empezar. Y por supuesto, si tienes una idea, ¿por qué no la compartes?

@TCooper: Estoy totalmente de acuerdo con tu sentimiento, las personas que se interesan por la ciencia, se sienten atraídas justamente por las preguntas sin respuesta; son curiosas y se sienten emocionadas por las cosas que aún están por descubrir.

"bosón condensado termomagnético": la respuesta de kzhou es en gran medida la respuesta ortodoxa y correcta de la QM, pero hay mucha incertidumbre sobre por qué tiene sentido lógico hablar de funciones de onda en primer lugar. De hecho, es importante entender esta parte, entre otras cosas porque, por un lado, sabemos que la QM y la relatividad general no son compatibles y, por otro, las funciones de onda como simples funciones de valor complejo no tienen mucho sentido cuando el espacio no es plano; al menos tendrán que ser secciones del haz complejo sobre la variedad espacio-temporal.

Answer 5

Me parece que la función de estado cuántico evoluciona continuamente según la ecuación de Schrödinger, pero que refleja sólo la probabilidad de la medición en un estado o en otro. La transición en sí debe ser lo más instantánea posible porque se produce un fotón, y siendo discontinuos los niveles de energía en los campos cuánticos, sólo puede ser instantánea.