Spørgsmål:
Kan en partikel fysisk observeres inde i en kvantebarriere?
Josh Chen
2011-06-17 08:02:57 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jeg forstår, at hvis en partikel nærmer sig en endelig potentiel barriere i højden $ V_0 $ med energi $ E < V_0 $ , der er stadig en begrænset sandsynlighed for at finde partiklen på den anden side af barrieren på grund af kvantetunnel.

Mit spørgsmål er, da bølgefunktionen ikke er nul inden i barriereområdet, er det muligt at faktisk foretage en positionsmåling og lokalisere en partikel inde i barrieren?

Jeg mener, hvis vi kan sige, at "der er en nul-sandsynlighed for, at partiklen er inde i barrieren", vil dette helt sikkert antyde, at vi kan gøre det?

Hvis ikke, hvorfor ikke? Forstår jeg hele bølgefunktion / sandsynlighedsfordelings ting rigtigt?

Eventuelt relateret: http://physics.stackexchange.com/q/9842/2451
@Josh Chen: Er spørgsmålet om, at du gerne vil have et eksempel på en realistisk eksperimentel opsætning af et kvantesystem + en positionsmåleenhed, der kan bruges til at detektere en punktpartikel i et klassisk forbudt tunnelområde?
Nå, det ville være meget nyttigt, hvis sådan en ting er fysisk mulig. Fordi vi lærer disse ting i 2. års undergrad fysik nu, og min underviser siger, at på grund af usikkerhedsprincippet kan vi aldrig faktisk * fysisk * registrere en * partikel * inde i barrieren. I hans ord: "Partikelens bølgelignende natur trænger ind i barrieren, men ikke de partikellignende egenskaber".
Hvis partiklen kan findes inde i barrieren, hvordan bevares energi? (Hvis vi antager, at bølgefunktionen er en energiefunktion med energi E
@user1247 Dejlig ræv i kyllingerne.
@user1247: Energien er E, den er den samme overalt, og den er bevaret. Det er bare den klassiske forestilling om kinetisk energi, der ikke kan anvendes, når E
@Vladimir: Ja, hvis partiklen findes inden i den potentielle barriere, skal dens kinetiske energi være negativ for at afbalancere den højere potentielle energi, hvis energien bevares. Negativ kinetisk energi er ikke fysisk observerbar.
@user1247: I QM er energien en integral (det diagonale matrixelement) med systemet Hamiltonian. Det udtrykkes via bølgefunktion i alle regioner. Dette er, hvordan en bølgeenergi er forskellig fra en klassisk partikelenergi. QM-partikelens kinetiske energi er altid positiv, da den beregnes forskelligt.
Otte svar:
Frédéric Grosshans
2011-06-17 18:45:39 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ja du ser ud til at "forstå hele bølgefunktion / sandsynlighedsfordelings ting rigtigt", og det er muligt at måle sandsynligheden for tilstedeværelse i det forbudte område, men denne sandsynlighed er normalt lille.

Jeg ved ikke ved ikke, om noget eksperiment har vist det med "ægte partikler" som atomer, elektroner eller neutroner, men det er bestemt blevet vist med fotoner. Det "klassisk forbudte område" i partikelbillederne svarer til evanescerende bølger, og der har været eksperiment, hvor evanescent bølger er blevet brugt til at excitere fluorescensen af ​​atomer. Hver foton, der udsendes af et atom i den evanescerende bølge, kan derefter ses som en positionsmåling af en foton i den evanescerende bølgeområde.

Ja, selvom det er vigtigt at bemærke, at dette i det væsentlige er et klassisk fænomen.
anna v
2011-06-17 10:15:48 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Hvis du har fulgt partikelfysik, ved du, at en proton er sammensat af tre kvarker, der aldrig er i stand til at komme ud af nukleondannelsen, dvs. potentialet i et kvantemekanisk billede .

Hvordan ved vi, at de eksisterer, hvis ikke ved måling inden i dette potentiale?

Vores værktøj er spredning. Når man spreder en elektron mod en proton i den potentielle barriereformulering, afspejler elektronens bane efter spredning partiklernes bølgefunktion inde i kernen, fordi elektronbølgefunktionen trænger ind, dvs. har en løsning, inden i den potentielle barriere. / p>

De første eksperimenter besluttede, at der er partoner inde i kernen, fordi spredningen viste en hård kerne. Til sidst blev disse undersøgt i forskellige eksperimenter, og standardmodellen for fysik blev oprettet.

Så du er korrekt i dine overvejelser.

Rediger: fra at tænke på svaret fra Peter Morgan vil jeg tilføj, at røntgenbilleder er et endnu enklere eksempel. Selv enkle røntgenbilleder af ens hånd. Huden er en potentiel barriere, og røntgenfotons bølgefunktion er spredt indeni og formidler information, når de kommer ud af deres spredningsvinkel og densitet, på knoglerne osv.

Dette. Terminologien er, at tunnelpartiklen er "off-shell", når den er "i" det forbudte område, men kan bankes "on-shell" af den passende spredningshændelse. Brug en detektorstak med høj opløsning, og du kan observere målpartiklens "negative" nettoenergi.
Kære @anna v: Jeg får indtryk af, at svaret (v2) for det meste diskuterer partikler inde i et (klassisk tilladt) potentiale _ godt, _ snarere end inde i et (klassisk forbudt) potentiale _ væg, _ som Josh Chen ser ud til at spørge om.
Kære @Qmecanic når partiklen er uden for den potentielle brønd, er indersiden "forbudt" klassisk. En røntgenfoton går "gennem" barrierer. Hvis du siger, at energien sætter den højere end barrieren, er den stadig en spredning, der udforsker indersiden af ​​barrieren. Der er en bølgefunktion, der beskriver hele røntgen-hudbenet, der modificeres af indholdet inde i barrieren og tillader måling ved hjælp af strålens interferensmønster. Enhver potentiel brønd er "forbudt" klassisk, imo. E V0 alligevel være destruktiv.
Kære @anna v: Jeg er enig med din kommentar for dens faktiske fysiske indhold. Med hensyn til semantik skal det imidlertid understreges, at den traditionelle definition af en _klassisk forbudt region_ i kvantemekanik bare henviser til regionen med $ E
Dette er vrøvl.Der er ingen potentiel barriere for en elektronspredning fra en proton.Hele det indre af protonen er klassisk tilladt.
@BenCrowell denne kommentar er underlig: "hele interiøret i protonen er klassisk tilladt."i betragtning af at både protonen og elektronen er kvantemekaniske enheder, og "klassisk" betyder "ingen kvantemekanik".Hvis "ingen kvantemekanik" er protonen og elektronen modsat ladede billardkugler, er det klassiske potentiale uden for det volumen, der er optaget af væggene, det eneste tilladte "indvendige" synspunkt forekommer mig at være et brud på eller deformation af kuglerne, hvisden leverede energi er nok?
David Z
2011-06-17 11:08:39 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ja, det er faktisk muligt for en måling af partikelens position at afsløre, at den er inde i barrieren, fordi bølgefunktionen der ikke er nul - eller mere præcist, fordi mængden

$$ \ int_ \ text {barriere} \ langle \ psi | x \ rangle \ langle x | \ psi \ rangle \ mathrm {d} ^ nx $$

som repræsenterer sandsynligheden for, at partiklen måles inden i barrieren, er nul. Husk, at en "måling" kan være enhver interaktion med en anden partikel, den behøver ikke udføres af en faktisk måleenhed. Så hvis partiklen interagerer med selve barrieren, tæller det. I så fald kan du have noget som partikeltunnellen halvvejs gennem barrieren og muligvis sidde fast i midten (men du kunne ikke se det, fordi din måleenhed ikke kan komme derinde).

Jeg har altid fundet denne slags idé overraskende. Bør vi ikke skelne mellem en registreret begivenhed i en detektor, hvis statistik kan kontrolleres i forhold til en QM-model, fra en ikke-registreret "interaktion med en anden partikel", som i princippet ikke kan kontrolleres? Hvis "interaktion med en anden partikel" forårsager (i en QM-forstand) registrerede begivenheder, kan vi kontrollere statistikker i forhold til hele modellen. Jeg er glad nok til at kalde disse noget som "målehændelser" og "indirekte målinger", men det ser ud til at være bedst at foretage * en vis * forskel. Indirekte målinger er ikke ligefrem eksperimentel fysik.
@Peter I en eksklusiv (eller næsten så) elastisk (eller kvasi-elastisk) måling kan vi rekonstruere målpartikelens energi og momentum i et klassisk forbudt område af faseområdet.
@dmckee Det er "næsten så", der er problemer. Sikker på, hvis du antager, at der er en eller få partikler Schrodinger-ligning, der beskriver den registrerede statistik over begivenheder, så nok data (men ikke for meget eller for nøjagtige) løser, hvad potentialet og staten skal have været, og til den præcision , hvad vi måtte lide at måle, selvom vi ikke kan eller ikke. Men det strækker sig ikke til detaljerne, når QFT er nødvendigt, og vi er nødt til at rumme f.eks. Uendelige tal (eller et kontinuum) af Feynman-diagrammer. Sådanne bekymringer er akavet, vi er forsigtige med at gå derhen.
Qmechanic
2011-06-18 03:05:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

For at være tæt på andet års undergrad fysik, overvej en ikke-relativistisk elektron med energi $ E $ , afgrænset til et dobbeltbrøndspotentiale $ V ({\ bf r}) $ med et klassisk forbudt tunnelområde med potentiel energi $ V_0 $ imellem, dvs. $ E<V_0 $ . (Lad os for enkelhedens skyld antage, at den fulde potentielle profil $ V ({\ bf r}) \ leq V_0 $ , dvs. $ V_0 $ er et globalt maksimum for profilen.)

An example of a double well
(kilde: orst.edu)

Figur 1: Et eksempel på en dobbelt brønd.

Når jeg læser spørgsmålet, bestrider Josh Chen ikke, at en elektron fremstillet i en brønd kan dukke op igen i den anden brønd. Spørgsmålet er i stedet, at da integralet af kvadratet af bølgefunktionen fungerer over det klassisk forbudte tunnelområde

$$ \ int _ {\ {{\ bf r } \ in \ mathbb {R} ^ 3 \ mid V ({\ bf r}) > E \}} d ^ {3} r \ | \ Psi ({\ bf r}, t) | ^ 2 ~ > ~ 0, $$

er strengt ikke-nul, betyder det faktisk eksperimentelt, at der er en ikke-negativ sandsynlighed for at finde elektronen inde i det klassisk forbudte tunnelområde som Born regel fortæller os, og hvordan vil man måle denne sandsynlighed, i det mindste i princippet?

Ja, Born-reglen holder også i denne situation. For at måle elektronens position bruger vi her en foton med bølgelængde $ \ lambda $ og af energi

$$ E _ {\ lambda} ~ = ~ hf ~ = ~ \ frac {hc} {\ lambda}. $$

Vi antager, at de involverede energier

$$ | E |, | V |, E _ {\ lambda} ~ \ ll ~ E_0 = m_0 c ^ 2 $$

er meget mindre end resten energi $ E_0 $ af elektronen, så vi kan behandle elektronen ved hjælp af ikke-relativistisk kvantemekanik.

Elektronens bølgefunktion $ \ Psi ({\ bf r}, t) $ forfalder eksponentielt i det klassisk forbudte tunneleregion med en karakteristisk tunnelindtrængningsdybde> >

$$ \ delta ~ \ sim ~ \ frac {h} {\ sqrt {2m_0 (VE)}} ~ = ~ \ frac {hc} {\ sqrt {2E_0 (VE)}}. $$

(Da vi ikke rigtig er interesserede i muligheden for, at elektronen kunne nå den anden brønd, lad os for nemheds skyld antage, at elektronindtrængningsdybden $ \ delta< \ Delta $ er mindre end separationen $ \ Delta $ af de to brønde, dvs. vi er effektivt studere en enkelt brønd.) At bruge foton som et 'mikroskop' for at hævde, at vi har detekteret elektronen inden for det klassisk forbudte tunnelområde, skal 'mikroskopet have en opløsning, der er bedre end elektronindtrængningsdybden. Med andre ord,

$$ \ lambda \ ll \ delta \ qquad \ Leftrightarrow \ qquad E _ {\ lambda} \ gg \ sqrt {E_0 (V_ {0 } -E)} $$ $$ \ Rightarrow \ qquad \ frac {E _ {\ lambda}} {E_0} \ gg \ sqrt {\ frac {V_ {0 } -E} {E_0}} > \ frac {V_ {0} -E} {E_0} \ qquad \ Rightarrow \ qquad E + E _ {\ lambda} \ gg V_ {0}, $$

dvs. fotonet kunne banke elektronen helt ud af brøndprofilen, så elektronen fortsætter med at være uendelig. I princippet kunne den indgående foton være rettet mod det klassisk forbudte tunnelområde, og vi kunne have forberedt detektorer i en $ 4 \ pi $ solid vinkel at fange og måle energi og momentum for alle udgående partikler (elektronen plus fotoner) og derefter beregne baglæns for at bestemme, at en spredningshændelse skal have fundet sted inden for det klassisk forbudte tunnelområde. Den manglende energi mellem indgående og udgående partikler vil være lig med den klassisk forbudte energi $ E-V_ {0} <0 $ .

Til på den anden side, hvis vi havde brugt bløde fotoner med energi $ E _ {\ lambda} <V_ {0} -E $ , bliver ovenstående uligheder vendt, og opløsningen vil være for dårlig til at afgøre, om elektronen er inden for eller uden for det klassisk forbudte tunnelområde, jf. usikkerhedsprincippet.

Peter Morgan
2011-06-17 18:13:56 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Hvis man kan observere individuelle begivenheder på den anden side af den potentielle barriere fra kilden, men kun når kilden er tændt, kan man sige, at noget skal have forårsaget begivenhederne. På den makroskopiske skala skal det have været kilden, fordi det først er, når kilden er tændt, at der er begivenheder. Man kan yderligere sige på den mikroskopiske skala, at uanset hvad det var, der forårsagede begivenhederne, skal være kommet gennem rummet mellem kilden og apparatet, hvor begivenhederne skete, kan det ikke bare have sprang kløften. I denne forstand kan vi sige, at detektering af en partikel på den anden side af barrieren viser, at en partikel skal have passeret gennem barrieren, så dette er en detektion af en partikel i barrieren. Vi ved dog, at tænkning i form af noget som klassiske partikler er problematisk, så det er bedst ikke at tænke på, at der er en partikel, der bevæger sig fra et sted til et andet.

Jeg kunne godt lide Anna v's svar nok til at opstemme det, men jeg påpeger, at det kun er ved en bestemt slags semiklassisk slutning, at vi kan sige, at en begivenhed på den anden side af laboratoriet (som vi siger skyldes med en spredt partikel) betyder, at der var en anden partikel, der forårsagede spredningen. I dette tilfælde, hvor der er en potentiel barriere, vil uanset hvilket materielt apparat der implementerer den potentielle barriere komme i vejen for at være i stand til at udføre et sådant spredningseksperiment på en hvilken som helst ren måde. Det ville kun være ved at trække baggrunden forårsaget af materialeapparatet, at vi kunne fortælle, at der var begivenheder, der var forårsaget af "partiklerne, der klassisk ikke kunne være der på grund af den potentielle barriere". Betydningen af ​​den potentielle barriere for fortolkningen af ​​de registrerede begivenheder med hensyn til partikler er, at der er mere baggrund. [Der er aldrig ingen baggrund at trække fra, men ofte kan baggrunden gøres lille nok til, at vi ikke behøver være meget opmærksomme på den. En almindelig manglende fortolkning, IMO, er at ignorere baggrunden i princippet.]

Her kommer vi til den statistiske karakter af QM. Fordi vi er nødt til at trække baggrunden fra, kan vi ikke sige, at nogen individuel begivenhed er forårsaget af en individuel partikel, der spreder en anden partikel. I den forstand tror jeg, at vi ikke kan sige, at vi kan "lokalisere [en individuel] partikel inde i barrieren" ved at sprede (eller ved andre interaktioner inde i barrieren), fordi enhver individuel begivenhed kan være forårsaget af baggrunden. Hvor der er mere baggrund, som det må være, når vi prøver at opdage inde i en potentiel brønd, er vi mindre i stand til at tilskrive individuelle begivenheder til identificerbare individuelle partikler.

Ikke desto mindre kan vi fastslå, at en given bølgefunktion er et meget effektivt værktøj til at forudsige, hvor mange detektionshændelser vi ville registrere, hvis vi sætter en given type detektionsapparat på et givet punkt, og hvis vi sikrer, at der er meget lidt baggrund. Derefter kan vi ekstrapolere for at sige, hvad vi ville observere, hvis vi placerer den type apparater et sted, hvor vi faktisk ikke kan placere det. Det er ikke "fysisk" i den forstand, at jeg tror, ​​du mener det, men det er matematisk rimeligt lige op til det punkt, at vi tænker på faktisk at implementere målingen, og det lader os forestille os, hvordan vi ville konstruere nye eksperimenter på en nyttig måde. Jeg tager dette som grundlaget for David Zaslavsky's svar (som er mere eller mindre OK, men jeg stemte ikke for det, fordi jeg synes, det ikke tilstrækkeligt adresserer dit spørgsmål).

IMO dog uden forklaring her, er det godt at begynde at tænke i form af, at kvantefeltet er mellemmand, når man modellerer et eksperiment i stedet for partikler, selv når du laver 2. års bachelorfysik.

Spredningseksperimenter udføres meget omhyggeligt i vakuum for at have så rene som mulige interaktioner. Eller i boblekamre, hvor sporene for indgangsspredning og output spredt kan observeres. Der er naturligvis effektiviteter for detektorudstyret, men disse modelleres og tages i betragtning. Når man måler strukturfunktioner, foretager man "et røntgenbillede" af nukleonmålet.
@Anna Højre, vi udfører eksperimenter i vakuum, når det er muligt, men hvis der er et potentiale såvel som det kvantefelt, som vi vil måle, er det ikke et vakuum. "taget i betragtning" betyder, at enhver * individuel * registreret begivenhed kan tilskrives baggrunden, ikke til de partikler, der er af største interesse for et bestemt eksperiment. Men på det statistiske niveau kan vi muligvis sige noget meget detaljeret og specifikt, f.eks. At 41,2% af spredningshændelserne kan tilskrives kvantefeltet af interesse. Strukturfunktioner er statistiske.
Vladimir Kalitvianski
2011-06-17 19:50:08 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Frédérics svar er det bedste. Selv skulle jeg skrive noget som at sprede lys i den forbudte region ved blandinger eller fotoreaktioner i den forbudte region. Bemærk, for at forårsage en fotoreaktion skal du have tilstrækkelig energi. I et kvasi-stationært tilfælde er energien $ E = \ hbar \ omega $. Så det er det samme som uden for barrieren. Der opstår ingen overtrædelse af energibesparelsen. Du observerer bare en partikel i et klassisk forbudt område, men kvantemekanisk er det ikke forbudt. Derfor er sandsynligheden ikke nul.

Frederico F de Souza Cruz
2018-05-21 06:32:13 UTC
view on stackexchange narkive permalink

En barriereregion kan betragtes som bare en anden middelværdi, og som Fredderic sagde, hvis bølgen interagerer på en eller anden måde med noget i denne retning, er det en empirisk manifestation af bølgen.Denne interaktion kan fortolkes som detektion af partikler eller som manifestation af tilstedeværelsen af kvantesystemet inde i regionen.uanset hvad du kalder det partikel eller ej.

Fortunato
2011-06-17 08:26:59 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Virkelighed, som jeg forstår det, er problemet, at når du nærmer dig partiklen på nogen måde for at måle den, vil den ikke være der, og mere mere bare at se på den vil ændre eksperimentets natur.



Denne spørgsmål og svar blev automatisk oversat fra det engelske sprog.Det originale indhold er tilgængeligt på stackexchange, som vi takker for den cc by-sa 3.0-licens, den distribueres under.
Loading...