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¿Heisenberg de la incertidumbre en la evolución del tiempo de crecer siempre?

Recientemente ha habido algunas preguntas interesantes sobre el estándar de QM y, especialmente, en el principio de incertidumbre y disfruté de la revisión de estos conceptos básicos. Y me di cuenta de que tengo una pregunta interesante de mi propia. Supongo que la respuesta debe ser conocido, pero yo no era capaz de resolver el problema por mí mismo, así que espero que no es del todo trivial.

Así que, ¿qué sabemos sobre el error de la medición simultánea de la sección tiempo de evolución? Más precisamente, es siempre cierto que por $t \geq 0$ $$\left<x(t)^2\right>\left<p(t)^2\right> \geq \left<x(0)^2\right>\left<p(0)^2\right>$$ (aquí el argumento $(t)$ denota la expectativa en el estado de evolución de $\psi(t)$, o, equivalentemente, para que el operador en la imagen de Heisenberg).

Traté de obtener la general de los límites de la ecuación de Schrödinger y la descomposición en energía autoestados, etc. pero yo no veo ninguna manera de probar esto. Sé que esta afirmación es verdadera para un libre paquete de ondas Gaussiano. En este caso obtenemos la igualdad de hecho (debido a que el paquete queda Gaussiano y debido a que minimiza HUP). Creo que este es, de hecho, lo mejor que podemos conseguir y para otras distribuciones podríamos obtener de desigualdad estricta.

Así que, para resumir las preguntas

  1. Es la afirmación verdadera?
  2. Si es así, ¿cómo demostrarlo? Y es allí una manera intuitiva para ver que es verdad?

48voto

Stefano Puntos 763

La pregunta acerca de la dependencia del tiempo de la función

$$f(t) := \langle\psi(t)|(\Delta \hat{x})^2|\psi(t)\rangle \langle\psi(t)|(\Delta \hat{p})^2|\psi(t)\rangle,$$

donde

$$\Delta \hat{x} := \hat{x} - \langle\psi(t)|\hat{x}|\psi(t)\rangle, \qquad \Delta \hat{p} := \hat{p} - \langle\psi(t)|\sombrero{p}|\psi(t)\rangle, \qquad \langle\psi(t)|\psi(t)\rangle=1.$$

Vamos a utilizar la imagen de Schroedinger donde los operadores son constantes en el tiempo, mientras que las tfe y bras están evolucionando.

Edit: Estimulado por las palabras de Moshe R. y Ted Bunn agreguemos que (en virtud de la asunción (1) por debajo) de la ecuación de Schroedinger en sí es invariante bajo la inversión de tiempo del operador $\hat{T}$, que es un conjugado lineal del operador, de manera que

$$\hat{T} t = - t \hat{T}, \qquad \hat{T}\hat{x} = \hat{x}\hat{T}, \qquad \hat{T}\hat{p} = -\hat{p}\hat{T}, \qquad \hat{T}^2=1.$$

Aquí estamos limitarnos a Hamiltonianos $\hat{H}$, de modo que

$$[\hat{T},\hat{H}]=0.\qquad (1)$$

Por otra parte, si

$$|\psi(t)\rangle = \sum_n\psi_n(t) |n\rangle$$

es una solución de la ecuación de Schroedinger en una cierta base $|n\rangle$, entonces

$$\hat{T}|\psi(t)\rangle := \sum_n\psi^{*}_n(-t) |n\rangle$$

también será una solución a la ecuación de Schroedinger con un tiempo refleja la función $f(-t)$.

Por lo tanto, si $f(t)$ no es constante en el tiempo, entonces podemos suponer que (posiblemente después de un tiempo de reversión de la operación) que existen dos veces $t_1<t_2$ $f(t_1)>f(t_2)$. Esto estaría en contradicción con el enunciado de la pregunta original. Para finalizar el argumento, a continuación ofrecemos un ejemplo de un no-constante de la función $f(t)$.

Considere la posibilidad de un oscilador armónico simple Hamiltonianos con la energía de punto cero de $\frac{1}{2}\manejadores\omega$ resta para su posterior conveniencia.

$$\hat{H}:=\frac{\hat{p}^2}{2m}+\frac{1}{2}m\omega^{2}\hat{x}^2 -\frac{1}{2}\manejadores\omega=\manejadores\omega\hat{N},$$

donde $\hat{N}:=\hat{a}^{\daga}\hat{a}$ es el número de operador.

Vamos a poner las constantes $m=\manejadores=\omega=1$ a uno por la simplicidad. Luego de la aniquilación y creación de operadores

$$\hat{a}=\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{x} + i \hat{p}), \qquad \hat{a}^{\daga}=\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{x} - i \hat{p}), \qquad [\hat{a},\hat{a}^{\daga}]=1,$$

o, por el contrario,

$$\hat{x}=\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{a}^{\daga}+\hat{a}), \qquad \hat{p}=\frac{i}{\sqrt{2}}(\hat{a}^{\daga}-\hat{a}), \qquad [\hat{x},\hat{p}]=i,$$

$$\hat{x}^2=\hat{N}+\frac{1}{2}\left(1+\hat{a}^2+(\hat{a}^{\daga})^2\right) \qquad \hat{p}^2=\hat{N}+\frac{1}{2}\left(1-\hat{a}^2-(\hat{a}^{\daga})^2\right).$$

Considere el espacio de Fock $|n\rangle := \frac{1}{\sqrt{n!}}(\hat{a}^{\daga})^n |0\rangle$ tal que $\hat{a}|0\rangle = 0$. Considerar el estado inicial

$$|\psi(0)\rangle := \frac{1}{\sqrt{2}}\left(|0\rangle+|2\rangle\right) \qquad \langle \psi(0)| = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(\langle 0|+\langle 2|\right).$$

Entonces

$$|\psi(t)\rangle = e^{-i\hat{H}t}|\psi(0)\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(|0\rangle+e^{-2it}|2\rangle\right),$$

$$\langle \psi(t)| = \langle\psi(0)|e^{i\hat{H}t} = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(\langle 0|+\langle 2|e^{2it}\right),$$

$$\langle\psi(t)|\hat{x}|\psi(t)\rangle=0, \qquad \langle\psi(t)|\sombrero{p}|\psi(t)\rangle=0.$$

Por otra parte,

$$\langle\psi(t)|\hat{x}^2|\psi(t)\rangle=\frac{3}{2}+\frac{1}{\sqrt{2}}\cos(2t), \qquad \langle\psi(t)|\sombrero{p}^2|\psi(t)\rangle=\frac{3}{2}-\frac{1}{\sqrt{2}}\cos(2t),$$

debido a que $\hat{a}^2/2\rangle=\sqrt{2}|0\rangle$. Por lo tanto,

$$f(t) = \frac{9}{4} - \frac{1}{2}\cos^2(2t),$$

que no es constante en el tiempo, y hemos terminado. O, alternativamente, podemos completar el contra-ejemplo sin el uso de arriba inversión de tiempo argumento simplemente realizando una adecuada traducción en tiempo $t\t t_0$.

24voto

Matt Solnit Puntos 683

La ecuación de Schrödinger es simétrica. La respuesta es, por tanto, No.

De todos los comentarios, me siento como que tengo que ser simplificando o que falta algo, pero no puedo ver lo que.

6voto

No. He aquí un ejemplo simple donde se encoge:

Usted tiene una partícula que tiene un 50% de posibilidades de estar en la izquierda vamos a la derecha, y un 50% de posibilidades de ser en el derecho de ir a la izquierda. Esto tiene un macroscópica de error en la posición y el momentum. Si usted espera hasta que se pasa la mitad del camino, que tiene un 100% de probabilidad de estar en el medio. Esto tiene un microscópico de error en la posición. Habrá también ser sólo una microscópica de cambio en el momento. (No estoy del todo seguro de esto como de las posibilidades de golpear el uno al otro, pero si usted acaba de mirar a la derecha antes de que, o hacer de ellos se pierda un poco, todavía funciona.)

Como tal, el error en la posición disminuyó significativamente, pero el error en el momento quedó sobre el mismo.

3voto

Lehane Puntos 6776

Marek,

Pensar en términos de Armónica de Funciones y su Principio del Máximo (o Valor medio Teorema).

Por simplicidad (y, de hecho, sin pérdida de generalidad), vamos a pensar en términos de una partícula libre, es decir, $V(x,y,z) = 0$. Cuando el Potencial se desvanece, la ecuación de Schrödinger no es sino una de Laplace de una (o ecuación de Poisson, si usted quiere poner un término de origen). Y, en este caso, se puede aplicar el Valor medio Teorema (o el Principio del Máximo) y obtener un resultado perteneciente a su pregunta: en esta situación saturar la igualdad.

Ahora, si usted tiene un Potencial, usted puede pensar en términos de Laplace-Beltrami operador: todo lo que necesitas hacer es "absorber" el Potencial en la Cinética de plazo a través de un Jacobi Métrica: $\tilde{\mathrm{g}} = 2\, (E - V)\, \mathrm{g}$. (Nota: esto es sólo una de conformación de la transformación de la original métrica en su problema.) Y, una vez hecho esto, sólo puede activar el mismo loco que hicimos anteriormente, es decir, hemos reducido el problema a el mismo que el de arriba. ;-)

Espero que esto ayude un poco.

3voto

icelava Puntos 548

Un físico manera de ver esto es que el espacio de fase de volumen de un sistema se conserva. Hamiltoniana de la mecánica se conserva el volumen de un sistema en su superficie de energía H = E, que en la mecánica cuántica corresponde a la ecuación de Schrödinger. El espacio de fase de volumen en la superficie de energía del espacio de fase se compone de unidades de volumen $\manejadores^{2n}$ para el impulso y la posición de las variables más los $\manejadores$ de la energía $i\manejadores\partial\psi/\parcial t~=~H\psi$. A continuación, esta se conserva. Cualquier aumento en la incertidumbre de $\Delta p\Delta p~=~\manejadores/2$, sería entonces implica el crecimiento en el espacio de fase de volumen del sistema. Esto podría significar que hay algunos disipadores proceso, o de la dinámica cuántica es reemplazado por algún maestro ecuación con una térmico o ambiental, la pérdida de alguna forma. Para una pura unitario de la evolución sin embargo, el espacio de fase de volumen del sistema, o, equivalentemente, el $Tr\rho$ y $Tr\rho^2$ son constantes. Esto significa que la incertidumbre de la relación es una transformada de Fourier entre complementarias observables que preservar un área $\propto~\manejadores de dólares.

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