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¿Operadores no limitados definidos sólo en un subdominio denso del espacio de Hilbert en QM?

Soy relativamente nuevo en la mecánica cuántica. En un conjunto de apuntes que estoy utilizando, se describe un aspecto de algunos operadores correspondientes a observables. Los apuntes dicen lo siguiente:

"Los observables correspondientes a operadores no limitados no están definidos en el conjunto de $\mathcal{H}$ pero sólo en subdominios densos de $\mathcal{H}$ que no son invariantes bajo la acción de los observables. Esta no varianza hace que los valores de expectativa, las incertidumbres y las relaciones de conmutación no estén bien definidas en el conjunto de $\mathcal{H}$ ."

Hay algunas cosas que no sigo. ¿Por qué sería una propiedad de los "operadores no limitados" que no está definida en el conjunto de $\mathcal{H}$ ? ¿Cómo se explica la invariabilidad? ¿Y cómo influye la no invariancia en los valores de expectativa, en las incertidumbres y en las relaciones de conmutación como se ha dicho?

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Sandeep Puntos 111

Algunos operadores autoadjuntos relevantes en QM, como los proyectores ortogonales, están realmente acotados, pero son muy pocos en QM. La acotación equivale al hecho de que el rango de valores del observable, es decir, el espectro $\sigma(A)$ del operador asociado $A$ está acotado en vista de la identidad del radio espectral, $$||A||= \sup\{|\lambda| \:|\: \lambda \in \sigma(A)\}\:.$$ Sin embargo, la mayoría de los observables alcanzan valores arbitrariamente grandes (pensemos en los observables de posición o de momento).

A su vez, la definición de operador adjunto y el teorema del grafo cerrado demuestran que la acotación de un operador autoadjunto $A :D(A) \to \cal H$ equivale a $D(A)=\cal H$ . Esto explica por qué la mayoría de los observables en QM están representados por operadores autoadjuntos cuyo dominio -siempre denso, pues de lo contrario el adjunto no está definido- no coincide con todo el espacio de Hilbert.

En cuanto a la invariabilidad del dominio, es decir, la propiedad $$A(D(A))\subset D(A)$$ el texto está un poco equivocado, ya que el valor de expectativa $<A>_\psi$ no se ve afectada por la no invariabilidad del dominio. Satisface, para un estado puro definido por el vector unitario $\psi$ , $$<A>_\psi = \langle \psi|A \psi \rangle\:.\tag{0}$$ Usted ve que $\psi \in D(A)$ es suficiente para garantizar la validez de esa identidad.

Con respecto a incertidumbres $\Delta A_\psi$ El texto citado puede ser correcto ya que satisfacen $$\Delta A_\psi^2 = \langle \psi|A^2 \psi \rangle - \langle \psi|A \psi \rangle^2\tag{1}$$ y se ve que la primera terma de la derecha necesita que $A(A\psi)$ estar bien definido, es decir $A\psi \in D(A)$ para $\psi \in D(A)$ . En cambio, la invariabilidad del dominio sí importa.

Por último, en cuanto a relaciones de conmutación ya que implican la composición de operadores $AB$ y $BA$ , correspondiente a invarianza cruzada propiedades deben mantenerse: $$A(D(B)) \subset D(A)\quad \mbox{and}\quad A(D(A)) \subset D(B)\:.$$

Conviene hacer algunos comentarios finales. Estrictamente hablando, (0) no es el definición de valor de expectativa de $A$ y (1) no es el definición de incertidumbre de $A$ en el estado puro definido por el vector unitario $\psi$ También si son propiedades importantes. Las verdaderas definiciones, respectivamente, son $$<A>_\psi := \int_{\sigma(A)} \lambda d\langle\psi|P^{(A)}(\lambda)\psi\rangle\tag{2}$$ y $$\Delta A_\psi^2 := \int_{\sigma(A)} (\lambda- <A>_\psi)^2 d\langle\psi|P^{(A)}(\lambda)\psi\rangle\tag{3}$$ donde he introducido la medida espectral de $A$ , $P^{(A)}$ . El lado derecho de (3) está bien definido siempre que $$\int_{\sigma(A)} \lambda^2 d\langle\psi|P^{(A)}(\lambda)\psi\rangle < +\infty\tag{4}$$ y esta es otra forma de escribir $\psi \in D(A)$ . Por lo tanto, incluso en este caso, la invariabilidad de $D(A)$ no es necesario. Obviamente (1) es válido a partir de (3) cuando $\psi \in D(A^2)$ y es falso en general aunque se mantiene en una forma más débil $$\Delta A_\psi^2 = \langle A\psi|A \psi \rangle - \langle \psi|A \psi \rangle^2\tag{1'}\:.$$ Asimismo, $<A>_\psi$ está bien definido si $\psi \in D(\sqrt{|A|})$ que es una condición más débil que $\psi \in D(A)$ .

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Gracias por su respuesta. ¿Estoy en lo cierto al afirmar que la acotación no se refiere a la definición habitual de acotación de un operador lineal sino a lo que usted describe como si el espectro es un subconjunto acotado de los números reales?

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No, es exactamente lo mismo.

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Estoy utilizando la identidad conocida $||A||= \sup\{|\lambda| \:|\: \lambda \in \sigma(A)\}$ donde ambos lados pueden ser (simultáneamente) $+\infty$ y en este caso $A$ no está acotado.

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synergetic Puntos 1531

El dominio de las funciones de Hermite es invariante bajo la acción del hamiltoniano del oscilador armónico y los operadores de posición y momento.

Es cierto que para los operadores no limitados, "los valores de expectativa, las incertidumbres y las relaciones de conmutación no bien definidas en el conjunto de $H$ ", pero esto no se debe a la falta de invariabilidad.

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