Matematička formulacija kvantne mehanike

Kvantna fizika

Uvod u kvantnu mehaniku Matematička formulacija kvantne mehanike Fundamentalni koncepti Komplementarnost · Dekoherencija · Sprezanje · Interferencija · Energetska razina · Nelokalnost · Kvantni broj · Stanje · Superpozicija · Simetrija · Tuneliranje · Neodređenost · Isključenje · Teorija transformacije · Valna funkcija (kolaps) · Ehrenfestov teorem · Mjerenje Eksperimenti Afsharov · Bellova nejednakost · Davisson–Germer · Dvostruka pukotina · Elitzur–Vaidman · EPR paradoks · Franck–Hertz · Mach–Zehnder · Popperov · Kvantni brisač (odgođeni izbor) · Schrödingerova mačka · Stern–Gerlach eksperiment · Wheelerov odgođeni izbor Jednadžbe Schrödingerova jednadžba · Paulijeva jednadžba · Klein-Gordonova jednadžba · Diracova jednadžba Napredne teorije Kvantna teorija polja · Kvantna elektrodinamika · Kvantna kromodinamika · Kvantna gravitacija · Feynmanov dijagram Interpretacije Ansambl Bayesova De Broglie–Bohmova (Pilotski val) Kopenhagenska Kvantna logika Mnogo-svjetova Objektivni kolaps GRW CSL DP Penroseova Pristup konzistentne povijesti Relacijska Skrivene varijable (Lokalne) Stohastička Svijest uzrokuje kolaps Transakcijska Znanstvenici Planck · Schrödinger · Heisenberg · Bohr · Pauli · Dirac · Bohm · Born · de Broglie · von Neumann · Einstein · Feynman · Everett · Drugi

Matematička formulacija kvantne mehanike bavi se matematičkim formalizmom koji omogućava rigorozni opis kvantne mehanike. Matematička arena na kojoj operiramo je separabilni Hilbertov prostor zajedno s $L^{2}$ normom, gdje je $L^{2}$ prostor kvadratno integrabilnih funkcija.

Matematički problemi u kvantnoj mehanici

U kvantnoj mehanici problemi nastaju kada je dimenzija Hilbertovog prostora beskonačna. U ovom dijelu pozabavit ćemo se sa tri primjera koja ukazuju na te probleme.

Primjer 1: Problem svojstvenih vrijednosti

Ukoliko želimo pronaći svojstvene vrijednosti operatora :${\hat {A}}$ rješavamo iduću jednadžbu:

${\hat {A}}\psi =a\psi$ 

gdje je $a$ svojstvena vrijednost danog operatora, a $\psi$ svojstveni vektor pridružen svojstvenoj vrijednosti. No, može se dogoditi da gornja jednadžba ima samo trivijalna rješenja u Hilbertovom prostoru. Na primjer, ukoliko je operator hamiltonijan za slobodnu česticu, rješavamo iduću jednadžbu: $-\Delta \psi (x)=E\psi (x)$

Nju možemo rješiti ukoliko je svojstveni vektor u obliku ravnog vala: $\psi (x)=e^{ikx}$ no, ova funkcija nije kvadratno integrabilna. Stoga je gornja jednadžba rješiva u Hilbertovom prostoru jedino za $\psi (x)=0$

Ovaj problem rješavamo na idući način: Prvo početnu jednadžbu zapišimo u idućem obliku: $({\hat {A}}-a{\hat {I}})psi=0$ Ukoliko izraz ${\hat {A}}-a{\hat {I}}$ nije invertibilan, kažemo da $a$ pripada spektru operatora ${\hat {A}}$ kojeg označavamo s $\sigma ({\hat {A}})$. U protivnom kažemo da $a$ pripada rezolventnom skupu $\rho ({\hat {A}})$.

Primjer 2: Norma operatora

Normu operatora $A$ definiramo:

$\|A\|=\{\sup {\frac {\|A\psi \|}{\|\psi \|}}:\psi \in H/\{0\}\}$  

gdje je H Hilbertov prostor. Ukoliko je norma operatora konačna, kažemo da je operator ograničen, a ako je $\|A\|=\infty$, tada kažemo da je operator neograničen. U tom slučaju operator ne možemo definirati na cijelnom Hilbertovom prostoru, već najčešće zahtjevamo da je domena operatora gusta u Hilberovom prostoru. Uzmimo za promjer operator položaja: ${\hat {x}}\psi (x)=x\psi (x)$

Neka je $\psi (x)=(1+|x|)^{-{\frac {2}{3}}}$ Vidimo da je $\psi (x)$ kvadratno integrabilna funkcija, no, kada na tu funkciju djelujemo operatorom položaja rezultirajuća funkcija više nije kvadratno integrabilna, što znači da nije definirana na Hilbertovom prostoru.

Primjer 3: Adjungirani i samoadjungirani operator

Ukoliko je dan ograničeni operator ${\hat {A}}$ definiran na Hilbertovom prostoru, adjungat operatora je dan s $\langle \phi ,{\hat {A}}^{*}\psi \rangle =\langle {\hat {A}}\phi ,\psi \rangle$ gdje je $\langle \centerdot ,\centerdot \rangle$ označava skalarni produkt. Ako je ${\hat {A}}^{*}={\hat {A}}$, tada kažemo da je operator ${\hat {A}}$ samoadjungirani operator. No, ukoliko operator neograničen, tada se može dogoditi da se domene operatora i adjungiranog operatora ne podudaraju. Ovaj slučaj bit će pojašnjen u idućim poglavljima.