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Primaria de la prueba de integridad de los armónicos esféricos fija de $L$

Esta pregunta se le preguntó cómo probar la integridad de los armónicos esféricos en el sentido de que $\{Y_{Lm}\}$ abarca el conjunto de cuadrado integrable funciones en la esfera. Estoy buscando una escuela primaria prueba de lo que creo que debería ser mucho más sencillo teorema. Supongamos que estamos interesados en el conjunto de todas las funciones en la esfera que tiene el mismo $L$, es decir, el conjunto de todos los valores complejos de funciones que son funciones propias de la Laplaciano con autovalor $-L(L+1)$. Estoy en busca de la más elemental posible prueba de que para este fijo $L$, la $\{Y_{Lm}\}$ variación $m$ es una base. Es decir, quiero un elemental prueba de que la multiplicidad es $2L+1$. Idealmente me gustaría estar en un estudiante de primer año de física de nivel, inteligible incluso para las personas que no han tenido álgebra lineal. (Por lo que el lenguaje en realidad iba a ser menos sofisticados que en mi declaración del problema anterior). Yo estaría muy feliz con una prueba restringida a $L=1$.

Lo más cercano que he sido capaz de llegar es un enfoque que es complicado, y no estoy seguro de que incluso la derecha. Primero podemos reducir el problema a un valor real de las funciones de la formación de las combinaciones lineales de $Y_{Lm}$$Y_{L,-m}$. A continuación podemos argumentar que si la hipótesis fuera falsa, no sería capaz de ser testigo de su fracaso con un estado de $W$ definitivo de $m$ (es decir, aquel cuya variación azimutal es $e^{im}$) que es independiente de $Y_{Lm}$. Ahora la forma de las combinaciones lineales de $W$ $Y_{Lm}$ de manera tal que la combinación lineal $X$ se desvanece en algún $\theta$. Esto se puede hacer en casi todos los $\theta$. Por último, ajustar la elección de $\theta$, de modo que para este valor de $\theta$, no sólo a $X$ pero $\partial X/\partial \theta$ se desvanece así. Ahora argumentan que por la unicidad de soluciones de 2º orden ecuaciones diferenciales, $X$ se desvanece de forma idéntica, lo cual es una contradicción. No estoy seguro de que la última parte incluso de obras, dado que la norma teoremas de singularidad no puede trabajar para un espacio con esta topología.

Hay una manera más fácil de ir sobre esto?

También pensé en física argumentos que involucran estado contando. Si el $L=1$ estado tiene multiplicidad 3, entonces el acoplamiento de dos spin-1 unidos da 9 estados, y esto tiene sentido porque te spin-0, spin-1, y spin-2 acoplamientos, para un total de 1+3+5=9 estados. Pero todo esto parece realmente que hacer es demostrar que si la multiplicidad de spin $L$$2L+1$, obtenemos la auto-consistencia --- no parece mostrar que $2L+1$ es necesario.

Tal vez hay algún tipo de niza argumento diciendo que si podemos pareja de dos estados de spin 1 para hacer de espín 0, entonces este spin 0 estado debe ser único?

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user445451 Puntos 199

Como ustedes saben, los armónicos esféricos$$Y_\ell^m(\theta, \phi) = \sqrt{{2\ell + 1(\ell + |m|)!}\over{4\pi (\ell + |m|)!}} \cdot P_\ell^m(\cos \theta)e^{im\phi}$$(here $\ell = 0, 1, 2, \ldots$ and $m = 0, \pm1, \pm2, \ldots, \pm\ell$) are orthonormal on the sphere$$\int_0^{2\pi} \int_0^\pi (Y_{\ell'}^{m'} (\theta, \phi))^* (Y_{\ell^{\prime\prime}}^{m^{\prime\prime}}(\theta, \phi)) \sin\theta\,d\theta\,d\phi = \delta^{m'm^{\prime\prime}}\delta_{\ell' \ell^{\prime\prime}}$$y están supuestas a ser completa.

https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/90373/8-07-fall-2005/contents/readings/completeness.pdf $$\sum_{\ell = 0}^\infty \sum_{m = -\ell}^\ell (Y_\ell^m(\theta, \phi))^* (Y_\ell^m(\theta', \phi')) = {1\over{\sin \theta}} \delta(\theta - \theta') \delta(\phi - \phi')$$Set $m = 0$ and get$$Y_\ell^0(\theta, \phi) = \sqrt{{2\ell + 1}\over{4\pi}} \cdot P_\ell(\cos\theta),$$$$2\pi \int_0^\pi (Y_{\ell'}^0(\theta, \phi))^* (Y_{\ell^{\prime\prime}}^0(\theta, \phi)) \sin\theta\,d\theta = \delta_{\ell'\ell^{\prime\prime}},$$or$${{2\ell + 1}\over2} \int_0^\pi P_{\ell'}(\cos\theta)P_{\ell^{\prime\prime}}(\cos\theta)\sin\theta\,d\theta = \delta_{\ell' \ell^{\prime\prime}},$$which by $x = \cos \theta$ becomes the orthogonality statement$${{2\ell + 1}\over2} \int_0^\pi P_{\ell'}(x)P_{\ell^{\prime\prime}}(x)\,dx = \delta_{\ell' \ell^{\prime\prime}}.$$The Wikipedia article on Legendre polynomials reports the completeness relation$$\sum_{\ell = 0}^\infty {{2\ell + 1}\over2} P_\ell(x) P_\ell(y) = \delta(x - y),$$que he de improviso ni idea de cómo probar.

https://en.wikipedia.org/wiki/Legendre_polynomials

Deduzco de lo que usted ha escrito que usted está bien enterado de la teoría de los armónicos esféricos es central para la teoría cuántica de momento angular. De la $3$-dimensiones de los análogos de la fundamental relación de conmutación$$[\textbf{x}, \textbf{p}] \equiv \textbf{xp} - \textbf{px} = i\hbar \textbf{I},$$it follows that that the operators$$\textbf{L}_x = \textbf{yp}_z - \textbf{zp}_y, \quad\textbf{L}_y = \textbf{zp}_x - \textbf{xp}_z, \quad\textbf{L}_z = \textbf{xp}_y - \textbf{yp}_x$$(inherited from the classical construction $\textbf{L}= \textbf{r} \times \textbf{p}$) fail to commute:$$[\textbf{L}_x, \textbf{L}_y] = i\hbar \textbf{L}_z, \quad [\textbf{L}_y, \textbf{L}_z] = i\hbar\textbf{L}_x, \quad [\textbf{L}_z, \textbf{L}_x] = i\hbar\textbf{L}_y.$$But from this it follows that $\textbf{L}^3 \equiv \textbf{L}_x^2 + \textbf{L}_y^2 + \textbf{L}_z^2$ does commute with each of those operators, so $\{\textbf{L}^2, \textbf{L}_z\}$ (one could replace $\textbf{L}_z$ with any real linear combination of $\{\textbf{L}_x \textbf{L}_y, \textbf{L}_z\}$; it is by standard convention that we select $\textbf{L}_z$) comprise a commuting set of operators, and it becomes possible to ask for simultaneous eigenvectors/functions of these operators, objects $f$ such that$$\textbf{L}^2f = \lambda f \text{ and }\textbf{L}_zf = \mu f.$$An algebraic argument-that makes use of the operators$$\textbf{J}_+ = \textbf{L}_x + i\textbf{L}_y, \quad \textbf{J}_- = \textbf{L}_x - i\textbf{L}_y$$and that is as pretty as it is elementary-leads quickly to the conclusion that necessarily$$\begin{align} \lambda = \hbar^2\ell(\ell + 1) & : \ell = 0, {1\over2}, 1, {3\over2}, 2, \ldots \\ \mu = \hbar m & : m = -\ell, -\ell + 1, \ldots, \ell - 1, \ell \end{align}$$and accounts for the $(2\ell + 1)$-fold degeneracy of the states with a given $\ell$. For details, see i.e. §4.3.1 in David Griffiths's "Introduction to Quantum Mechanics". Elaboration of the argument leads in the cases $\ell = 0, 1, 2,\ldots$ explicit constructions of the eigenfunctions $f_\ell^m(r, \theta, \phi)$, whence to the spherical harmonics. But those arguments fail when $\ell = {1\over2}, {3\over2}, {5\over2}, \ldots$; one is led to $(2\ell + 1)$-dimensiones de los vectores; los operadores asociados están representados no por los operadores diferenciales, pero por matrices; y uno es llevado a spinors y a la vuelta de las representaciones de la rotación del grupo.

Los gráficos vectoriales están disponibles también para todos los fijos valor integral de $\ell$. "Integridad" adquiere entonces el significado estándar de la teoría de finito-dimensional espacios vectoriales, como cuando se dice de una base $\{\textbf{e}_1, \textbf{e}_2, \ldots, \textbf{e}_{2\ell + 1}\}$ que es completa (abarca el espacio vectorial).

Mueve ahora más cerca de su problema, como yo lo entiendo: se dice de las funciones de $\{u_1(x), u_2(x), \ldots\}$ que son ortogonales en el intervalo de $[a, b]$$$\int_a^b u_i(x)u_j(x)\,dx = \delta_{ij}$$that they are complete if every well-behaved function $f(x)$ on $[a, b]$ can be developed$$f(x) = \sum_i f_i u_i(x) \text{ with }f_i = \int_a^b f(y)u_i(y)\,dy.$$Then$$\begin{align} f(x) & = \sum_i f_i u_i(x) \\ & = \sum_i \int_a^b f(y)u_i(y)u_i(x)\,dy \\ & = \int_a^b \left\{\sum_i u_i(x)u_i(y)\right\}f(y)\,dy : \text{all nice }f(x), \end{align}$$whence formally $\sum_i u_i(x)u_i(y) = \delta(x - y)$. If one or several of the elements of the set $\{u_i(x)\}$ are deleted then the remaining functions are complete only with respect to the space of functions $g(x)$ that are orthogonal to the deleted basis functions:$$\int_a^b g(y)u_{\text{deleted}}(y)\,dy = 0.$$You propose to delete all spherical harmonics except those with some prescribed value of $\ell$. You look, therefore, to the restricted class $\mathcal{G}$ of functions of the form$$g(\theta, \phi) = P_\ell(\cos\theta) \sum_{m = -\ell}^{m = +\ell} g_m e^{im\phi}.$$That the functions $e^{im\phi} : m = -\ell, \ldots, +\ell$ are orthogonal and complete in $\mathcal{G}$ es, yo la tome, evidente. Así que el problema, como yo lo entiendo, parece haberse evaporado. Tengo por esta razón que no se trató de trabajo a través de los detalles de los argumentos esbozado en sus párrafos finales.

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md2perpe Puntos 141

Los armónicos esféricos son $Y_l^m(\theta,\varphi) = C_{lm} P_l^m(\cos\theta) e^{im\varphi},$ donde $C_{lm}$ son algunas de las constantes de normalización y $l = 0, 1, 2, \ldots$ $m = -l, \ldots, +l.$

La integridad de $\mathcal B = \{ Y_l^m(\theta,\varphi) \}$ depende de la completenesses de $\mathcal B_\theta = \{ P_l^m(\cos\theta) \}$ $\mathcal B_\varphi = \{ e^{im\varphi} \}.$ Si $H_1, H_2$ son dos espacios de Hilbert con bases de $\mathcal B_1, \mathcal B_2$ $H_1 \otimes H_2$ base $\mathcal B_1 \otimes \mathcal B_2 = \{ b1 \otimes b_2 \mid b_1 \in \mathcal B_1, \, b_2 \in \mathcal B_2 \}$.

El completenesses de $\mathcal B_\theta$ $\mathcal B_\varphi$ seguir a partir de Sturm-Liouville teoría.

Aquí nos tiene sin embargo una pequeña complicación. El aspecto físico de las soluciones que requieren $|m| \leq l.$ por lo Tanto no usamos total $\mathcal B_\varphi$ para un determinado $l$ así que en realidad no utilizar una base completa en $\varphi$. Pero si tomamos el conjunto de la $\mathcal B_\varphi$, se tendría que establecer los coeficientes para $P_l^m$ $0$al $|m| > l$ física (limitado) de las soluciones.

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