¿Puede un electrón estar en dos lugares al mismo tiempo?

Question

Así que he estado leyendo un poco y viendo algunos vídeos sobre el experimento de la doble rendija, y por tanto la dualidad onda-partícula; también he leído que esto "implica" que una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo. ¿Pueden aclarar esto, y cómo podría ser posible?

Answer 1

Deberías olvidar todo lo que te han dicho sobre la dualidad onda-partícula. Es un concepto obsoleto superado hace tiempo por la teoría cuántica de campos, y creo que es activamente inútil porque causa confusión.

No hay dualidad onda-partícula porque un electrón no es una partícula y no es una onda. En cambio, es una excitación en un campo cuántico. El campo del electrón puede interactuar de forma que parezca una partícula y puede interactuar de forma que parezca una onda, pero eso no significa que es una partícula o es una ola.

Para describir adecuadamente el comportamiento de los electrones hay que utilizar la teoría cuántica de campos, y de hecho Richard Feynman (uno de los inventores de la teoría cuántica de campos) mostró cómo calcular los resultados del experimento de la doble rendija utilizando la QFT. Sin embargo, el cálculo es excesivamente difícil y está más allá de la mayoría de nosotros. Afortunadamente es una buena aproximación describir el electrón como una onda, y usando la aproximación de onda es bastante fácil calcular los resultados del experimento de la doble rendija. Sin embargo, hay que tener claro que esto no significa que el electrón sea una onda. Tratarlo como una onda es sólo una aproximación que resulta funcionar bien para este experimento.

Más tarde:

Permítanme ampliar mi respuesta a la luz de los comentarios de Eduardo, porque no estoy seguro de que estemos realmente en desacuerdo.

Cuando aprendemos mecánica cuántica por primera vez, a la mayoría nos enseñan la ecuación de Schrodinger. Ésta describe la mayoría de las cosas casi a la perfección, y de hecho describe los resultados del experimento de la doble rendija esencialmente a la perfección. Sin embargo, la ecuación de Schrodinger es una aproximación de baja energía y a energías más altas utilizaríamos la teoría cuántica de campos en su lugar.

El uso de la ecuación de Schrodinger en lugar de la QFT tiene dos consecuencias. La primera es que en principio es menos precisa, aunque como dice Eduardo para el experimento de la doble rendija no hay básicamente ninguna diferencia entre ambas. Es la segunda consecuencia la que creo que es relevante para esta cuestión. La QFT no es sólo una versión más precisa de la ecuación de Schrodinger, sino que introduce nuevos conceptos. En particular, introduce la idea del campo cuántico, y es esta idea la que hace que la dualidad onda-partícula no tenga sentido porque en la QFT simplemente no aparece.

Este es el punto al que me refería, es la luz que arroja la QFT sobre la idea de la dualidad onda/partícula lo que importa, no si realmente usarías la QFT para hacer el cálculo.

Por último, para que una respuesta sea útil tiene que ser comprensible. A juzgar por la pregunta, el candidato no sabía mucho sobre mecánica cuántica (Jerson, me disculpo si no es cierto), por lo que la respuesta tiene que estar al nivel de la "ciencia popular". Respondiendo de esta manera siempre se corre el riesgo de ser engañoso o de decir cosas que son sencillamente incorrectas, pero en este caso no creo haber caído en ninguna de estas trampas.

Answer 2

Hay que tener en cuenta el principio de incertidumbre de Heisenberg, que dice que cuanto más se conoce la posición de un objeto, menos se conoce su velocidad y viceversa. El punto clave aquí es "certeza"... es decir, todo esto es probabilístico.

Por ejemplo, el "orbital" del electrón de un átomo de hidrógeno no es análogo a la órbita de un planeta alrededor del sol. El electrón alrededor del átomo de hidrógeno tiene una cierta probabilidad de estar en un lugar determinado, por lo que existe una "función de densidad de probabilidad" que indica la probabilidad de que el electrón aparezca en cualquier parcela del espacio alrededor del núcleo. Lo cual, como señaló Alfred Centauri, significa que hasta que no se observe que el electrón está en una posición determinada, su posición no es definitiva.

La física cuántica me pareció poco intuitiva cuando hice un curso de introducción en la universidad. Es importante reconocer que tu intuición te ayuda en temas en los que tienes experiencia, pero esperar que la intuición en un tema completamente nuevo y sin parangón como la QM puede en realidad frenarte. Después de todo, la base fundamental de la QM es asumir que la energía viene en cantidades discretas en lugar de un continuo. No hay una razón obvia e intuitiva para ello, necesariamente... pero los resultados que se obtienen de la QM son espectaculares, ya que están muy bien respaldados por los experimentos.

No se pretende que la QM sea "la forma completa" de cómo funciona el mundo, de hecho es como mínimo incompleta. Por ejemplo, aún no existe una teoría mecánica cuántica de la gravedad. Tal vez una vez que se encuentre alguna teoría subyacente, de la que puedan derivarse tanto la física cuántica como la relatividad general. Algo así como la mecánica newtoniana puede derivarse de la relatividad. Tal vez esa teoría, si llega, tenga mejores respuestas a las preguntas más básicas que uno puede hacerse como "¿por qué la energía es discreta y no continua?".

La QM es sólo un modelo del mundo, que resulta funcionar muy bien en ciertas escalas de tamaño y energía.

Answer 3

Cuando se envía una serie de electrones hacia una pantalla con dos rendijas, el patrón que emerge al otro lado muestra interferencia, que es el resultado de que el electrón tiene múltiples caminos para viajar entre la fuente y cada punto de la pantalla. Dado que cada camino posible contribuye a la probabilidad de dónde se detecta el electrón mediante la pantalla, en cierto sentido el electrón viaja por más de un camino. Sin embargo, cualquier intento de observar realmente el electrón en más de un lugar fracasará.

Answer 4

Partícula y onda son dos conceptos y también fenómenos que los científicos utilizan para describir las propiedades de un electrón. El electrón es un electrón, pero te mostrará sus diferentes propiedades durante nuestras diferentes configuraciones del entorno de observación.

El patrón de interferencia no necesita concluir que la partícula de electrón debe comportarse como una onda para causar ese tipo de patrón. La incertidumbre y la difracción del electrón también pueden causar ese tipo de resultado. Creo que demasiadas palabras ilógicas han causado confusión en la mente. Nadie sabe realmente lo que es un electrón por completo. Lo que un electrón es y lo que un electrón puede comportarse son conceptos diferentes que hay que aclarar. Es mi opinión. Por cierto la partícula es un punto, pero la onda es una función para describir todas las posibles ubicaciones de la partícula. La partícula de electrón no puede aparecer en dos puntos diferentes, pero se puede encontrar a través de la configuración de su experimento de interacción.

Answer 5

Esta pregunta está relacionada con el experimento de la doble rendija, y se da una serie de respuestas relevantes.

Pero, ¿y si dejamos de lado el experimento de la doble rendija, y nos preguntamos "si una partícula puede estar en dos (o más) lugares al mismo tiempo"?

Consideremos, por ejemplo, el protón. Según las teorías modernas, el protón:

A. Consta de quarks

B. El número de constituyentes del protón es depende del marco de referencia (a pesar del engaño común de que el protón está formado sólo por 3 quarks), véase este enlace para más detalles

C. Los quarks están "confinados" dentro del protón, es decir, nunca se ha observado (ni se puede observar) un solo quark

Volvamos ahora a tu pregunta. De hecho, todas estas características "extrañas" del protón se pueden explicar si suponemos que el protón tiene sólo uno constituyente que puede se mueven más rápido que la luz.

Como probablemente sabes por la relatividad especial, las partículas superlumínicas (es decir, más rápidas que la luz) "pueden estar en dos (o más) lugares al mismo tiempo". Fíjate en el siguiente gráfico:

Aquí puedes ver una partícula moviéndose a lo largo de una línea curva (roja). Teniendo en cuenta la forma de la línea, eso significa que a veces la partícula se mueve más rápido que la luz.

En ese momento $t0$ observamos la "creación de parejas".

En ese momento $t1$ observamos la partícula en 3 lugares diferentes (dos veces como partícula y una como antipartícula). Equivalentemente, podemos interpretarlo como la observación de 2 "quarks" y 1 "anti-quark".

En ese momento $t2$ La "vieja" partícula es "aniquilada" por la "nueva antipartícula", y así sucesivamente.

Mediante el cambio adecuado del marco de referencia, podríamos ver la pieza "en más de 3 lugares al mismo tiempo".

A partir de esta imagen queda absolutamente claro por qué no se pueden observar los "quarks" individuales. Esto se debe a que sólo hay 1 partícula (a veces superlumínica) en lugar de 3 "quarks" (sublumínicos). De ahí que el "confinamiento de los quarks" pueda explicarse de forma muy sencilla.

Ten en cuenta también que la línea AB del gráfico se encuentra dentro del cono de luz. Eso significa que "en promedio" la partícula es sublumínica (se mueve más lento que la luz).

Es interesante que la solución similar (¡pero no la misma!) a la ecuación libre de Dirac fue encontrada por Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger, y el fenómeno físico asociado a esta solución se conoce como Zitterbewegung (movimiento tembloroso).

Por lo tanto, en principio, la respuesta a tu pregunta es: SÍ, es posible desarrollar un modelo (consistente con las propiedades del protón) en el que una partícula puede estar en dos (o más) lugares al mismo tiempo.