Макрообъект с точностью до микрочастиц

[Formalizator]

Может ли молекула 1,2-дифторэтилена находиться в состоянии суперпозиции цис- и транс-изомеров?

[madschumacher]

Можете считать, да. Но при этом вы можете получить геометрии и цис и транс конформеров по отдельности.

[Formalizator]

А каким образом экспериментально детектировать такие суперпозиционые состояния (суперпозицию разных изомеров)?

[madschumacher]

Formalizator в сообщении #1207903 писал(а):

суперпозицию разных изомеров

Да очень просто -- во вращательных спектрах, в колебательных спектрах, в ЯМР, в электронографии (и других дифракционных методах).
В случае 1,2-дифторэтилена переходы между изомерами происходят оооочень долго, поэтому там вклад "суперпозиции" будет пренебрежимо мал (вращение вокруг двойной связи, как-никак).
Т.е., если молекула имеет цис-геометрию, то вклад тран-геометрии очень мал. И наоборот.
Но подобный переход между структурами становится существенным в случае конформеров (граница между изомерами и конформерами условна, и проходит как раз по объекту данного вопроса -- возможности перехода между различными "структурами" за экспериментально наблюдаемое время).
Т.е. если взять 1,2-дифторэтан, то Вы всегда будете видеть в спектрах, вращательных, например, результаты туннелирования одной конформации в другую.

[Formalizator]

Часто встречается утверждение, что поглощение электромагнитного излучения частоты $\nu$ сопровождается квантовым переходом молекулы из стационарного состояния с энергией $E$ в стационарное состояние с энергией $E + h\nu$.

Но молекула может находиться не только в стационарном состоянии, но и в суперпозиции стационарных состояний. Кроме того, уравнение Шрёдингера нерелятивистской квантовой механики не предсказывает никаких квантовых переходов, а предсказывает, что стационарное состояние не меняется со временем:

$$|\Psi(t)\rangle = \exp \left( -\frac{i E t}{\hbar} \right) |\Psi(0)\rangle$$

(умножение вектора состояния на коэффициент не меняет состояние).

Что же такое "квантовый переход" (при поглощении или испускании электромагнитного излучения молекулой), каким образом он соотносится с шрёдингеровской эволюцией квантового состояния и с возможностью существования нестационарных состояний?

Думается, лучше рассматривать квантовое состояние и его эволюцию в соответствии с уравнением Шрёдингера не для молекулы, а для системы "молекула и электромагнитное поле".

[madschumacher]

Formalizator в сообщении #1209731 писал(а):

Кроме того, уравнение Шрёдингера нерелятивистской квантовой механики не предсказывает никаких квантовых переходов, а предсказывает, что стационарное состояние не меняется со временем

Добавьте в Гамильтониан электромагнитное поле (причём не важно, классическое поле, или в виде фотонов), и переходы у Вас появятся. При этом, задача может перестать быть стационарной.
Причём Вы сами об этом говорите:

Formalizator в сообщении #1209731 писал(а):

Думается, лучше рассматривать квантовое состояние и его эволюцию в соответствии с уравнением Шрёдингера не для молекулы, а для системы "молекула и электромагнитное поле".

Вот Вам думается, а люди так уже почти 100 лет так успешно делают, так что это можно было и в книжке прочитать.

Formalizator в сообщении #1209731 писал(а):

Что же такое "квантовый переход" (при поглощении или испускании электромагнитного излучения молекулой)

При поглощении это:
$| \text{молекула в состоянии .
Испускание:
$ | \text{молекула в состоянии .
При условии, что энергия фотона $E=h\nu$, в качестве домашки найдите разницу энергий состояний "A" и "B".

(нудёж)

конечно, резкого перехода при решении уравнения Шрёдингера нет, меняются (по времени) коэффициенты $c_1$ и $c_2$ перед этими состояниями:
$| \text{

Мало того, исходя из этого описания вычисляются интенсивности соответствующих переходов. Вы, например, могли слышать о том, что флуоресценция -- это разрешённый переход, а фосфоресценция -- запрещённый. Вот это и означает, что вероятность протекания первого процесса -- большая, а второго -- маленькая.

[amon]

Formalizator в сообщении #1209731 писал(а):

Думается, лучше рассматривать квантовое состояние и его эволюцию в соответствии с уравнением Шрёдингера не для молекулы, а для системы "молекула и электромагнитное поле".

А всерьёз это так и считают. Только решать приходится уже не уравнение Шредингера, а квантово-полевые уравнения. Однако, в большинстве случаев можно ограничится квазиклассикой, когда поле считается классическим, а молекула - квантовой системой.

[Munin]

Просто "стационарные состояния" на самом деле не стационарные. Схема такая:
1. Рассматривают квантовую систему саму по себе ("невозмущённую"), и рассчитывают её стационарные состояния.
2. Добавляют квантованное электромагнитное поле, взаимодействие с которым слабо - "возмущение". При этом, стационарные состояния перестают быть таковыми, а все в конечном счёте сваливаются в основное (ground state). Кроме того, энергия этих состояний расплывается, возникает взаимодействие с фотонами ("квантовые переходы") и всё такое. Но всё это уже очень сложно, и обычно излагается не всем студентам, в продвинутых курсах и в других учебниках.
В основном учебники КМ ограничены п. 1. В Мессиа, например, 2 упоминается мельком в последней главе. В большинстве курсов п. 2 выносится в отдельный предмет - КЭД. Который читают меньшиству слушателей КМ. Отсюда куча нестыковок и мифов.

[Formalizator]

В определённый момент времени определённая макроскопическая область макрообъекта (в определённой системе отсчёта) характеризуется определённым значением 4-вектора энергии-импульса (с пренебрежимо малой погрешностью). А если взять область размером порядка нанометра (внутри куска стекла, например), что можно сказать о её 4-векторе энергии-импульса? А если размер области порядка 10 пикометров?

[Munin]

Надо переходить к полевому и квантовому описанию. Тогда 4-вектор энергии-импульса для области всё равно есть, но как квантовая величина - с неопределённостью.

[Muha_]

Munin в сообщении #1209752 писал(а):

Кроме того, энергия этих состояний расплывается, возникает взаимодействие с фотонами ("квантовые переходы") и всё такое. Но всё это уже очень сложно, и обычно излагается не всем студентам, в продвинутых курсах и в других учебниках.
В основном учебники КМ ограничены п. 1. В Мессиа, например, 2 упоминается мельком в последней главе. В большинстве курсов п. 2 выносится в отдельный предмет - КЭД. Который читают меньшиству слушателей КМ.

Для меня, как для человека далекого от мира физики, это неожиданно. Студенты каких специальностей имеются ввиду? Значит 5-и лет изучения физики в институте может быть недостаточно для того чтобы получить полное понимание того, как происходит переход с одного уровня на другой?

[realeugene]

Muha_ в сообщении #1217951 писал(а):

Значит 5-и лет изучения физики в институте может быть недостаточно для того чтобы получить полное понимание того, как происходит переход с одного уровня на другой?

Да, недостаточно. В курсе общей физики изучают только некоторые свойства подобных переходов. Теоретическое описание этих эффектов слишком сложное для нетеорфизиков. А учитывая то, что то, что обычно в быту называют "переходом с одного уровня на другой", есть коллапс волновой функции системы, боюсь, что в настоящее время полного понимания, как он происходит, нет вообще ни у кого в мире. Сами же теорфизики обычно пользуются принципом "Shut up and calculate", отделяя философию на тему "понимания как происходит" от своей профессиональной работы. Для них корректный результат расчёта вероятностей и есть понимание.

[Munin]

Надо просто понимать, что физика - штука очень широкая, и КЭД/КТП со всеми подробностями считается не базовым знанием, а только специализацией. (Добавьте, что это достаточно мозголомная штука.) Их знают специалисты в элементарных частицах (т. наз. "физика высоких энергий", физика атомного ядра), квантовые оптики, плюс достаточно глубокие специалисты в физике конденсированного состояния. А есть и много других направлений подготовки физиков, например, аэродинамика.

realeugene в сообщении #1217957 писал(а):

А учитывая то, что то, что обычно в быту называют "переходом с одного уровня на другой", есть коллапс волновой функции системы

Это не так. Переход унитарен, коллапс - другое, отдельное событие.

-- 22.05.2017 13:51:47 --

realeugene в сообщении #1217957 писал(а):

Сами же теорфизики обычно пользуются принципом "Shut up and calculate", отделяя философию на тему "понимания как происходит" от своей профессиональной работы. Для них корректный результат расчёта вероятностей и есть понимание.

Об этом больше всего любят упоминать те люди, которые сами считать не умеют, но при этом кичатся, что у них, мол, есть какое-то "понимание" (на практике выясняется, что нет, что они понимают хуже, чем те, кто считают).

[realeugene]

Munin в сообщении #1217976 писал(а):

Переход унитарен, коллапс - другое, отдельное событие.

Так я поэтому и написал "обычно в быту называют". Поймали фотон - "ага, произошёл переход".

-- 22.05.2017, 14:24 --

Munin в сообщении #1217976 писал(а):

на практике выясняется, что нет, что они понимают хуже, чем те, кто считают

Безусловно, и это не удивительно. Я думаю, что "пониманием" вообще можно называть только умение правильно интуитивно предсказывать явления. В физике, особенно, в квантовой, такое умение можно наработать только самостоятельно считая задачи.

[Munin]

realeugene в сообщении #1217979 писал(а):

Поймали фотон - "ага, произошёл переход".

Это не "называют событие". Из того, что поймали фотон, делают вывод, что произошёл переход.