Teorema lui Wigner este o teoremă, formulată și demonstrată pentru prima dată de fizicianul-matematician maghiar Eugene Paul Wigner la Gruppentheorie und ihre Anwendung auf die Quantenmechanik der Atomspektrum ( 1931 ), care stabilește că pentru fiecare transformare a simetriei din spațiul Hilbert de acolo este un operator unitar sau antiunitar, determinat numai până la un factor de fază.
Introducere
Invarianții joacă un rol foarte important în fizică , fiind acele cantități care, indiferent de sistemul de referință observat, rămân neschimbate. Odată cu apariția fizicii cuantice , importanța lor a crescut, de asemenea, în special în formularea unei teorii relativiste a câmpului cuantic. În acest context, unul dintre cele mai importante instrumente în studiul invarianților este teorema lui Wigner, un instrument de importanță fundamentală pentru întreaga dezvoltare a teoriei cuantice.
În special, Wigner a fost interesat de determinarea proprietăților transformărilor care păstrează probabilitatea de tranziție între două stări cuantice diferite. El, de fapt, postează {\ displaystyle {\ bar {\ phi}}} funcția de undă pentru al doilea observator, unde primul observă {\ displaystyle \ phi} , presupune că egalitatea
- {\ displaystyle | \ langle \ psi | \ phi \ rangle | = | \ langle {\ bar {\ psi}} | {\ bar {\ phi}} \ rangle |}
trebuie să se aplice tuturor funcțiilor {\ displaystyle \ psi} , {\ displaystyle \ phi} . În cele din urmă, fără a lua în considerare transformările care implică o inversare a timpului, constatăm că operatorul {\ displaystyle \ operatorname {O} _ {R}} , astfel încât {\ displaystyle {\ bar {\ phi}} = O_ {R} \ phi} , trebuie să fie unitar și, prin urmare, liniar . Ulterior s-a arătat că, având în vedere toate posibilitățile, operatorul poate fi și anti-unitar și, prin urmare, anti- liniar . Consecința acestui fapt este că ambele descrieri ale celor doi observatori sunt, din punct de vedere fizic, absolut echivalente. În practică, așa cum am menționat, unde primul observă {\ displaystyle \ phi} , al doilea va observa {\ displaystyle {\ bar {\ phi}}} , în timp ce operatorul {\ displaystyle \ operatorname {H}} din primul va fi, pentru al doilea {\ displaystyle \ operatorname {O} _ {R} \ operatorname {H} {\ operatorname {O} _ {R}} ^ {- 1}} .
Evident, toate acestea implică conceptul de transformare a simetriei , adică o transformare a coordonatelor unui anumit sistem fizic în coordonatele unui alt sistem de referință . Prin urmare, în cursul acestui articol vom defini mai întâi razele vectorilor și apoi vom da o definiție a transformării simetriei și, în final, o afirmație formală a teoremei lui Wigner.
Razele vectorilor
Este {\ displaystyle {\ mathcal {H}}} un spațiu Hilbert complex cu vectori {\ displaystyle \ psi} , {\ displaystyle \ varphi} , ... Produsul intern {\ displaystyle \ langle \ psi | \ varphi \ rangle} a doi vectori {\ displaystyle \ psi} , {\ displaystyle \ varphi} are simetrie hermitiană , adică
- {\ displaystyle \ langle \ psi | \ varphi \ rangle = {\ overline {\ langle \ varphi | \ psi \ rangle}}}
Prin raza , sau mai precis raza vectorilor , definim setul tuturor vectorilor formei {\ displaystyle \ tau | \ psi _ {0} \ rangle} , unde este {\ displaystyle | \ psi _ {0} \ rangle} este un vector fixat în {\ displaystyle {\ mathcal {H}}} Și {\ displaystyle \ tau} un scalar de modul 1 . De sine {\ displaystyle | \ psi _ {0} \ rangle} este un vector unitar, de asemenea, raza {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi _ {0}}} se va numi unitar.
- {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi _ {0}} = \ {| \ psi \ rangle \; {\ rm {tc}} \; | \ psi \ rangle = \ tau | \ psi _ {0} \ rangle, \; | \ tau | = 1 \}}
Deoarece există o corespondență 1-la-1 între stările cuantice și razele vectoriale, vom vorbi despre probabilitățile de tranziție , sau mai general despre probabilitățile dintre raze în loc de cea dintre stările cuantice.
Prin urmare, luând orice rază {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} , un vector {\ displaystyle | \ psi \ rangle} aparținând acestuia se va numi reprezentant al razei {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} . Probabilitatea de tranziție dintr-un stat {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} catre unul {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ varphi}} echivalentă cu {\ displaystyle | \ langle \ psi | \ varphi \ rangle | ^ {2}} , unde este {\ displaystyle | \ psi \ rangle} Și {\ displaystyle | \ varphi \ rangle} sunt reprezentanți ai respectiv {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} Și {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ varphi}} . Aceasta sugerează următoarea definiție pentru produsul a două raze:
- {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi} \ cdot {\ mathcal {R}} _ {\ varphi} = | \ langle \ psi | \ varphi \ rangle |, \ qquad {\ rm {con} } \; | \ psi \ rangle \ in {\ mathcal {R}} _ {\ psi}, \, | \ varphi \ rangle \ in {\ mathcal {R}} _ {\ varphi}}
care este independent de alegerea reprezentanților {\ displaystyle | \ psi \ rangle} Și {\ displaystyle | \ varphi \ rangle} : o rază {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} de fapt, este determinat exclusiv de unul dintre reprezentanții săi.
Mai mult, prin norma de rază definim:
- {\ displaystyle | {\ mathcal {R}} _ {\ psi} | = ({\ mathcal {R}} _ {\ psi} \ cdot {\ mathcal {R}} _ {\ psi}) ^ {\ frac {1} {2}} = \ || \ psi \ rangle \ |}
în timp ce definim distanța dintre raze , expresia:
- {\ displaystyle d ({\ mathcal {R}} _ {\ psi}, {\ mathcal {R}} _ {\ varphi}) = {\ sqrt {2 (1 - {\ mathcal {R}} _ {\ psi} \ cdot {\ mathcal {R}} _ {\ varphi})}}}
Proprietate
- Produsul razelor {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi} \ cdot {\ mathcal {R}} _ {\ varphi}} este continuă în ambii factori în raport cu metrica {\ displaystyle d ({\ mathcal {R}} _ {\ psi}, {\ mathcal {R}} _ {\ varphi})} .
- Pentru scalari reali negativi {\ displaystyle \ rho} :
- {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ rho \ psi} = \ {\ rho | \ psi \ rangle \}, \; {\ rm {with}} \; | \ psi \ rangle \ in {\ mathcal {R}} _ {\ psi}}
- În general fiecare rază {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} poate fi exprimat sub forma:
- {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi} = \ rho {\ mathcal {R}} _ {e}, \ qquad {\ rm {con}} \; | {\ mathcal {R}} _ {e} | = 1, \; \ rho \ geqslant 0}
- {\ displaystyle n + 1} raze {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi _ {1}}, \ ldots, {\ mathcal {R}} _ {\ psi _ {n}}, {\ mathcal {R}} _ {\ psi _ {n + 1}}} sunt independenți dacă primii {\ displaystyle n} raze {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi _ {1}}, \ ldots, {\ mathcal {R}} _ {\ psi _ {n}}} sunt independenți și dacă există o rază {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ varphi}} care este ortogonală cu cea dintâi {\ displaystyle n} și nu ortogonală la {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi _ {n + 1}}} .
Transformări de simetrie
Folosind conceptul de rază a vectorilor, pentru transformarea simetriei {\ displaystyle T} vom defini o corespondență între razele unitare {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {e_ {1}}} , {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {e_ {2}}} , ... al spațiului Hilbert {\ displaystyle {\ mathcal {H}}} iar razele unitare {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {e '_ {1}}} , {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {e '_ {2}}} , ... al spațiului Hilbert {\ displaystyle {\ mathcal {H}} '} astfel încât următoarele proprietăți să fie îndeplinite:
- {\ displaystyle T} este definit pentru fiecare unitate de rază {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {e}} în {\ displaystyle {\ mathcal {H}}} , cu {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {e '} = T {\ mathcal {R}} _ {e}} este o rază unitară de {\ displaystyle {\ mathcal {H}}} ;
- {\ displaystyle T} păstrează probabilitatea:
- {\ displaystyle | \ langle e_ {1} | e_ {2} \ rangle | ^ {2} = | \ langle e '_ {1} | e' _ {2} \ rangle | ^ {2}}
- care în notare pe raze poate fi scris mai simplu ca
- {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {e '_ {1}} \ cdot {\ mathcal {R}} _ {e' _ {2}} = {\ mathcal {R}} _ {e_ {1 }} \ cdot {\ mathcal {R}} _ {e_ {2}}}
Teorema lui Wigner: enunț
Pentru fiecare transformare de simetrie {\ displaystyle T: {\ mathcal {R}} \ rightarrow {\ mathcal {R}}} între razele unui spațiu Hilbert {\ displaystyle {\ mathcal {H}}} și astfel încât să păstrăm probabilitatea de tranziție , putem defini un operator {\ displaystyle U} pe spațiul Hilbert {\ displaystyle {\ mathcal {H}}} astfel încât, dacă {\ displaystyle | \ psi \ rangle \ in {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} , asa de {\ displaystyle U | \ psi \ rangle \ in {\ mathcal {R}} '_ {\ psi}} , cu {\ displaystyle {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} raza statului {\ displaystyle | \ psi \ rangle} , {\ displaystyle {\ mathcal {R}} '_ {\ psi} = T {\ mathcal {R}} _ {\ psi}} si cu {\ displaystyle U} unitar și liniar :
- {\ displaystyle \ langle U \ psi | U \ varphi \ rangle = \ langle \ psi | \ varphi \ rangle, \ qquad U | \ alpha \ psi + \ beta \ varphi \ rangle = \ alpha U | \ psi \ rangle + \ beta U | \ varphi \ rangle}
sau cu {\ displaystyle U} anti-unitar și anti liniar:
- {\ displaystyle \ langle U \ psi | U \ varphi \ rangle = \ langle \ varphi | \ psi \ rangle, \ qquad U | \ alpha \ psi + \ beta \ varphi \ rangle = \ alpha ^ {*} U | \ psi \ rangle + \ beta ^ {*} U | \ varphi \ rangle}
În plus {\ displaystyle U} se determină doar până la un factor de fază.
Una dintre cele mai importante implicații ale teoremei lui Wigner este deci cea dată de un grup de simetrie {\ displaystyle G} , reprezentările sale vor fi reprezentări proiective , adică aplicații care asociază fiecărui element al grupului o rază de operatori unitari, înțeleasă ca un set de operatori unitari care diferă între ei printr-un factor de fază.
Bibliografie
- EPWigner, Theory Theory and its Application to the Quantum Mechanics of Atomic Spectra , Academic Press Inc., New York, 1959
- U. Uhlhorn , Reprezentarea transformărilor de simetrie în mecanica cuantică , Arkiv f¨or Fysik, 23 , n.30 (1963), p. 307
- V.Bargmann , Nota teoremei lui Wigner privind operațiile de simetrie , Journal of Mathematical Physics, vol. 5 , nr.7 (1964), pagina 862
- S.Weinberg , Teoria cuantică a câmpurilor , vol. 1, Universitatea Cambridge Press, 1995
- Set de probleme 10 : teorema de reprezentare a simetriei lui Wigner (pdf), din cursul teoretic relativ relativist al câmpului cuantic al MIT
- Mouchet, Amaury. „O dovadă alternativă a teoremei lui Wigner asupra transformărilor cuantice bazate pe analiza elementară complexă”. Physics Letters A 377 (2013) 2709-2711. hal.archives-ouvertes.fr:hal-00807644