Teorema lui Wigner

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

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 funcția de undă pentru al doilea observator, unde primul observă , presupune că egalitatea

trebuie să se aplice tuturor funcțiilor , . În cele din urmă, fără a lua în considerare transformările care implică o inversare a timpului, constatăm că operatorul , astfel încât , 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 , al doilea va observa , în timp ce operatorul din primul va fi, pentru al doilea .

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 un spațiu Hilbert complex cu vectori , , ... Produsul intern a doi vectori , are simetrie hermitiană , adică

Prin raza , sau mai precis raza vectorilor , definim setul tuturor vectorilor formei , unde este este un vector fixat în Și un scalar de modul 1 . De sine este un vector unitar, de asemenea, raza se va numi unitar.

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 , un vector aparținând acestuia se va numi reprezentant al razei . Probabilitatea de tranziție dintr-un stat catre unul echivalentă cu , unde este Și sunt reprezentanți ai respectiv Și . Aceasta sugerează următoarea definiție pentru produsul a două raze:

care este independent de alegerea reprezentanților Și : o rază de fapt, este determinat exclusiv de unul dintre reprezentanții săi.

Mai mult, prin norma de rază definim:

în timp ce definim distanța dintre raze , expresia:

Proprietate

  • Produsul razelor este continuă în ambii factori în raport cu metrica .
  • Pentru scalari reali negativi :
  • În general fiecare rază poate fi exprimat sub forma:
  • raze sunt independenți dacă primii raze sunt independenți și dacă există o rază care este ortogonală cu cea dintâi și nu ortogonală la .

Transformări de simetrie

Folosind conceptul de rază a vectorilor, pentru transformarea simetriei vom defini o corespondență între razele unitare , , ... al spațiului Hilbert iar razele unitare , , ... al spațiului Hilbert astfel încât următoarele proprietăți să fie îndeplinite:

  • este definit pentru fiecare unitate de rază în , cu este o rază unitară de ;
  • păstrează probabilitatea:
care în notare pe raze poate fi scris mai simplu ca

Teorema lui Wigner: enunț

Pentru fiecare transformare de simetrie între razele unui spațiu Hilbert și astfel încât să păstrăm probabilitatea de tranziție , putem defini un operator pe spațiul Hilbert astfel încât, dacă , asa de , cu raza statului , si cu unitar și liniar :

sau cu anti-unitar și anti liniar:

În plus 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 , 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
Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica