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¿Viola realmente la causalidad la mecánica cuántica relativista?

El Hamiltoniano $$H=\sqrt{p^2+m^2}$$ define una mecánica cuántica de una partícula de la forma habitual. Llamemos a esta teoría RQM para abreviar. Peskin y Schroeder afirman que RQM viola la causalidad porque el propagador (mecánico cuántico) tiene soporte fuera del cono de luz (Sec. 2.1). No creo que pueda haber ningún problema de causalidad con RQM porque

  • a) La teoría cuántica de campos (QFT) de un campo libre de Klein-Gordon (KG) no tiene problemas

  • b) Los estados de una partícula de KG QFT libre obedecen a la ecuación de Schrodinger RQM.

Dicho de forma más sencilla, la QFT libre es válida, y la RQM aparece como un límite (restringiéndose a estados de una partícula). Entonces, ¿cómo es posible que haya un problema de causalidad con RQM?

¿Se equivocan Peskin y Schroeder? ¿O existe realmente un problema de causalidad en RQM? Si es esto último, alguien debería ser capaz de construir un experimento mental con una paradoja del abuelo o algún otro desastre. Por favor, ¡ilústrelo!

17voto

Todd White Puntos 4257

La diferencia real radica en la forma en que estos enfoques tratan las mediciones.

En la teoría de una sola partícula, su observable son las coordenadas de la partícula $x^i(t)$ . Medirlos en $t_1$ y $t_2$ puede conducir a una aparente propagación superlumínica.

En QFT, su observable es $\phi(x) = \phi(x^{i}, t)$ . (Ignoro el hecho de que se trata de distribuciones valoradas por operadores). Medir dos de ellas separadas por un intervalo similar al espacio no puede conducir a una propagación superlumínica, como muestran más tarde Peskin y Schroder cuando evalúan el conmutador de los campos. Aquí no hay paradojas del abuelo.

12voto

Stefano Puntos 763

OP tiene un punto. Por un lado, P&S en la p. 14 argumentan que en primer cuantificado RQM en el formalismo del operador el propagador es

$$\begin{align}&\langle {\bf x}_f,\tau_f \mid {\bf x}_i,\tau_i\rangle\cr &~=~ \int_{\mathbb{R}^3} \!\frac{\mathrm{d}^3{\bf p}}{(2\pi\hbar)^3} \exp\left[\frac{i}{\hbar}\left( {\bf p}\cdot \Delta {\bf x} - \Delta \tau \underbrace{\sqrt{{\bf p}^2+m^2}}_{\text{Hamiltonian}}\right)\right]. \end{align}\tag{A} $$

P&S escriben en la p. 14:

Esta integral puede evaluarse explícitamente en términos de funciones de Bessel. [...] la amplitud de propagación es pequeña pero distinta de cero fuera del cono de luz, y se viola la causalidad.

Ver también este Respuesta de Phys.SE. Sin embargo, la normalización de P&S del integrando (A) no es covariante de Lorentz, y por lo tanto no es adecuada para RQM. Un análisis covariante de Lorentz más cuidadoso del formalismo de la integral de trayectoria revela que el propagador RQM es $^1$

$$\begin{align}&\langle {\bf x}_f,\tau_f \mid {\bf x}_i,\tau_i\rangle\cr &~=~ \int_{\mathbb{R}^3} \!\frac{\mathrm{d}^3{\bf p}}{(2\pi\hbar)^3}\color{red}{ \frac{\hbar}{2\sqrt{{\bf p}^2+m^2}} }\exp\left[\frac{i}{\hbar}\left( {\bf p}\cdot \Delta {\bf x} - \Delta \tau \underbrace{\sqrt{{\bf p}^2+m^2}}_{\text{Hamiltonian}}\right)\right], \end{align}\tag{B} $$

cf. mi respuesta en Phys.SE aquí . Sorprendentemente, la cita anterior de P&S sigue siendo válida en lo esencial.

Por otro lado, P&S en la ec. (2.50) en la p. 27 encuentran exactamente el mismo propagador (B) en segundo cuantificado KG QFT . Así que OP tiene razón en que RQM aparece en el sector de una partícula de la QFT escalar libre.

P&S escriben en la p. 28:

Así que de nuevo encontramos que fuera del cono de luz, la amplitud del propagador es exponencialmente evanescente pero distinta de cero. Sin embargo, para discutir realmente la causalidad, deberíamos preguntarnos no si las partículas pueden propagarse a lo largo de intervalos similares al espacio, sino si una medida realizada en un punto puede afectar a la medida en otro punto cuya separación del primero es similar al espacio.

Y P&S luego demuestran que el conmutador $[\phi(x),\phi(y)]=0$ desaparece fuera del cono de luz, de modo que la QFT real de KG es causal.

Un problema para el RQM cuantizado en primer lugar (que OP parece conocer bien) es que no describe la creación y aniquilación de partículas per se.

También siguen siendo válidas las objeciones habituales al RQM cuantizado en primer lugar, como por ejemplo:

  • Las interacciones locales se acoplan a estados de energía tanto negativos como positivos, de modo que no se pueden descartar los estados de energía negativos.

  • Existen estados de energía negativa sin límites.

  • La densidad de probabilidad relativista $$ \rho ~=~\frac{i\hbar}{2mc^2}\left(\psi^{\ast} \partial_t \psi - \psi \partial_t \psi^{\ast}\right) \tag{C} $$ ¡puede ser negativo!

  • Ver también este post relacionado de Phys.SE.

Referencias:

  1. M.E. Peskin y D.V. Schroeder, Introducción a la QFT; p. 14 + p. 27.

--

$^1$ Ambos propagadores (A) y (B) satisfacen

$$ (\Box_f-m^2)\langle {\bf x}_f,\tau_f \mid {\bf x}_i,\tau_i\rangle~=~0, \qquad \Delta\tau~:=~\tau_f-\tau_i~>~0,\tag{D}$$

pero sólo los propagadores (A) satisfacen la normalización

$$\langle {\bf x}_f,\tau_f \mid {\bf x}_i,\tau_i\rangle ~\longrightarrow~\delta^3(\Delta {\bf x}) \quad \text{for} \quad \Delta\tau \to 0^+. \tag{E} $$

3voto

JoshuaTS Puntos 74

El operador que mide si una partícula se encuentra en una posición determinada $x$ es el operador de proyección $\mathcal{O}_x=|x\rangle\langle x|$ . Supongamos que tenemos otro operador de proyección $\mathcal{O}_y=|y\rangle \langle y|$ . En la imagen de Heisenberg, $\mathcal{O}_y(t)=U^\dagger(t)\mathcal{O}_yU(t)$ . Por lo tanto, $$[\mathcal{O}_x(t=0),\mathcal{O}_y(t)]=|x\rangle\langle x|U^\dagger|y\rangle \langle y|U-U^\dagger|y\rangle \langle y|U|x\rangle \langle x|.$$ Ahora $\langle y|U|x\rangle$ y su conjugado complejo $\langle x|U^\dagger|y\rangle$ son distintos de cero, como se muestra en Peskin y Schroeder, incluso con la integral covariante discutida en la respuesta de Qmechanic. Puesto que $|x\rangle\langle y|U$ y $U^\dagger|y\rangle\langle x|$ no son proporcionales entre sí, los dos términos no pueden anularse. Por lo tanto, el conmutador no es cero, y una medición realizada en $x$ puede afectar a una medición realizada fuera de $x$ cono de luz.

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