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¿Por qué las transformaciones globales de fase conducen a la conservación de la carga?

Actualmente estoy escribiendo un informe sobre los fundamentos de la Invariancia Gauge cuántica y hay un concepto con el que estoy luchando.

Una de las primeras partes de mi discusión en el informe se refiere a la conservación de la carga en QM y quiero explicar brevemente cómo surge de la invariancia bajo una transformación de Fase Global $e^{i\theta}$ . Entiendo por qué tenemos invariancia, ya que $$|\langle\psi\lvert\psi\rangle|^2=|\langle{\psi}^{'}\lvert{\psi}^{'}\rangle|^2$$ donde $ \lvert{\psi}^{'}\rangle$ = $e^{i\theta}\lvert\psi\rangle$ donde $\lvert\psi\rangle$ es la función de onda para alguna partícula cargada, pero no entiendo por qué la conservación de la carga surgiría intuitivamente de esta invarianza.

He visto que esto se asemeja a cómo la naturaleza arbitraria de la escala de potencial lleva a la conservación de la carga mediante el argumento de que si la carga no se conservara, tampoco lo haría la energía, por lo que la carga debe conservarse. Pero no puedo entender cómo un cambio de fase se correspondería de alguna manera con el desplazamiento de nuestro potencial de forma arbitraria.

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Sora Puntos 113

El "cambio de fase" ordinario en QM hace no conducen a la conservación de la carga. Esto se debe simplemente a que todos los estados en QM tienen esta especie de fase arbitraria, ya sea cargada o no, ya sea que consideremos el campo electromagnético o no. Es simplemente una consecuencia de que los "estados" sean realmente rayos en el espacio de Hilbert, y no vectores simples.

La conservación de la carga surge de otra simetría: Si $Q$ es el operador de carga eléctrica, entonces los estados se transforman bajo las transformaciones inducidas por este operador por $\mathrm{e}^{\mathrm{i}Qt}$ que es una simple transformación de fase sólo para los estados propios de $Q$ es decir, estados con carga definida.

No se puede explicar adecuadamente la conservación de la carga en la QM ordinaria - allí simplemente hay que aceptar que existe un operador de carga $Q$ que conmuta con el Hamiltoniano, y por lo tanto se conserva en todos los sentidos significativos. Si se pasa a la QFT, entonces las versiones cuánticas del teorema de Noether, el Identidades Ward-Takahashi se aplican a la versión global del $\mathrm{U}(1)$ simetría y son la declaración correcta de la conservación de la carga. Nótese que es la global y no la simetría gauge, que lleva a la conservación tanto en el caso clásico como en el cuántico (cf. por ejemplo esta respuesta de Qmechanic ) - una simetría gauge pura no tiene un verdadero contenido físico, y no puede conducir a leyes de conservación.

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