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¿Es siempre único el estado de reposo en QM? ¿Por qué?

He visto unas cuantas referencias que dicen que en la mecánica cuántica de grados de libertad finitos, siempre hay un estado básico único (es decir, no degenerado), o en otras palabras, que sólo hay un estado (hasta la fase) del hamiltoniano con el mínimo valor propio.

Mis preguntas:

  1. ¿Es cierto?

  2. ¿En qué condiciones es cierto?

  3. Puedo construir fácilmente un operador hermitiano, en un espacio de dimensión finita, que tenga dos vectores propios mínimos. Por ejemplo, si $ \left\{ {\left| a \right\rangle ,\left| b \right\rangle ,\left| c \right\rangle } \right\} $ es una base ortonormal de un espacio de Hilbert tridimensional, defina un hamiltoniano $$H = 1 \cdot \left| a \right\rangle \left\langle a \right| + 1 \cdot \left| b \right\rangle \left\langle b \right| + 2 \cdot \left| c \right\rangle \left\langle c \right|.$$ Entonces $\left| a \right\rangle $ y $\left| b \right\rangle $ son dos estados básicos. Si la respuesta a la P1 fuera "sí", ¿cómo es eso consistente con este hamiltoniano?

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JamesCW Puntos 217

Creo que es cierto mientras no exista un operador unitario no trivial $U$ que conmuta con el Hamiltoniano ( $[H,U] = 0$ ) en el subespacio de los estados básicos. Si existe un operador de este tipo, entonces para un estado terreno $|\phi_0\rangle$ con energía $E_0$ tenemos $$HU|\phi_0\rangle = UH|\phi_0\rangle = E_0\left(U|\phi_0\rangle\right)$$ y así $U|\phi_0\rangle$ también tiene la menor energía posible $E_0$ y, por tanto, también es un estado de reposo. Nótese que el enunciado de no trivialidad de $U$ es importante. Tiene que ser no trivial en el subespacio de los estados básicos, es decir $U|\phi_0\rangle \neq e^{i\theta}|\phi_0\rangle$ para cualquier fase $\theta$ , de lo contrario no hay degeneración. (La unitaridad es necesaria para que $U|\phi_0\rangle$ es un estado con norma 1)


Más sucintamente, si existe un operador unitario $U$ tal que $[H,U]=0$ y $U|\phi_0\rangle\neq e^{i\theta}|\phi_0\rangle$ para cualquier fase $\theta$ entonces tenemos una degeneración en el estado básico.


En el ejemplo que has puesto vemos que el elementos de la matriz en la base dada $\{|a\rangle,|b\rangle,|c\rangle\}$ es $$H = \begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&2\end{pmatrix}$$ de donde vemos que existe un operador unitario, con elementos de la matriz $$U = \begin{pmatrix}0&1&0\\1&0&0\\0&0&1\end{pmatrix}$$ que conmuta con $H$ y no es trivial en el espacio de estado básico.


Prueba de que la inexistencia de $U$ implica un estado básico no degenerado:

Supongamos que $\nexists U$ s.t. $\{[H,U]=0 \mbox{and} U|\phi_0\rangle \neq e^{i\theta}|\phi_0\rangle\}$

Ahora, para cada estado $|a\rangle$ y $|b\rangle$ , $\exists U_{ab}$ que es unitario que nos lleva de $|a\rangle\rightarrow|b\rangle$ . Nos interesa el operador que nos lleva de $|\phi_0\rangle$ a cualquier $|a\rangle$ en nuestro espacio de Hilbert (que obviamente incluye todos los posibles estados básicos), que denotamos por $U_{a0}$ . Esto significa que cualquier estado $|a\rangle$ puede escribirse como $|a\rangle = U_{a0}|\phi_0\rangle$ . Por nuestra suposición de partida $U_{a0}$ o bien satisface $$(1)~~ [H,U_{a0}]\neq 0,~~\mbox{or}~~(2)~U_{a0}|\phi_0\rangle = e^{i\theta}|\phi_0\rangle$$ Si (1), entonces tenemos $$H|a\rangle = H U_{a0}|\phi_0\rangle \neq U_{a0}H|\phi_0\rangle = E_0|a\rangle~\implies~H|a\rangle \neq E_0|a\rangle$$ y así $|a\rangle \neq |\phi_0\rangle$ no es un estado de tierra.

Si (2), entonces $|a\rangle = e^{i\theta}|\phi_0\rangle$ y así $|a\rangle$ y $|\phi_0\rangle$ representan el mismo estado.

Así, la inexistencia de $U$ implica la inexistencia de un segundo estado básico y, por tanto, la no-degeneración.

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Simon Sanderson Puntos 486

No estoy seguro de esto, pero si usas ese operador unitario para generar otro estado de tierra, entonces (si no hay un potencial infinito entre los estados de tierra) puedes encontrar alguna amplitud para el túnel entre los dos estados y, por lo tanto, el estado de tierra es alguna combinación lineal de los dos con una de las combinaciones siendo más baja que la original (y la otra más alta que la original). Para la gente que quiera una explicación real, ver el capítulo 21 de Shankar Principles of QM, la sección sobre el formalismo del tiempo imaginario.

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