Física universitária — 3.º ano · Bachelor Year 3
8O formalismo da mecânica quântica
Pegue três filtros polarizadores. Dois deles, cruzados a , bloqueiam a luz por completo; deslize o terceiro entre eles a e a luz passa — acrescentar um obstáculo abre o caminho. Nenhuma imagem de filtros como peneiras sobrevive a esse experimento; o que sobrevive é a álgebra linear: a polarização de um fóton é um vetor, cada filtro a mede ao longo de um eixo e a projeta, e as probabilidades são componentes ao quadrado. Este capítulo instala essa álgebra como o verdadeiro fundamento da mecânica quântica. As funções de onda dos capítulos anteriores eram uma vestimenta concreta de um corpo mais abstrato: os estados são vetores num espaço de Hilbert, os observáveis são operadores hermitianos, os valores medidos são autovalores, as probabilidades são produtos escalares ao quadrado, e a evolução é gerada pela hamiltoniana. Cinco postulados, todos já em ação em tudo o que calculamos — e, uma vez enunciados com clareza, poderosos o bastante para tratar sistemas que nenhuma onda sobre uma reta descreve: a polarização do fóton, o spin do elétron e os neutrinos cuja identidade oscila ao atravessar a Terra.
8.1 Os estados são vetores
Definição 8.1 (Espaço de estados, kets e produtos escalares)
Os estados de um sistema quântico formam um espaço vetorial complexo com produto interno — um espaço de Hilbert (a matemática é desenvolvida no volume de matemática do terceiro ano). Um estado é um vetor, escrito como um ket , normalizado: . O produto interno de dois estados é o número complexo , antilinear na primeira posição, com . Numa base ortonormal ,
A função de onda dos capítulos anteriores é a família das componentes de ao longo da posição: ; nada se perde, e sistemas de espaço de estados finito — inimagináveis como ondas — tornam-se descritíveis.
Exemplo 8.2 (A polarização do fóton: um mundo bidimensional)
Um fóton que segue pelo eixo carrega um estado de polarização num espaço de Hilbert bidimensional, com base (horizontal) e (vertical). A luz polarizada num ângulo é a superposição
e a polarização circular é a combinação complexa : o fato de os coeficientes serem complexos não é enfeite, é física. Todo sistema quântico de dois níveis — o spin, a molécula de amônia, um qubit supercondutor — é este mesmo espaço vetorial em outra roupagem.
8.2 Os observáveis são operadores
Definição 8.3 (Observáveis)
Um observável é um operador linear sobre que é hermitiano: para todos os estados (em linguagem matricial, ). Seus autovetores e autovalores, , carregam a física: os são os valores que se podem medir. Casos familiares: a posição (: multiplicação por ), o momento (), a energia () — e, em duas dimensões, qualquer matriz hermitiana .
Teorema 8.4 (Por que hermitiano)
Um operador hermitiano tem autovalores reais, e autovetores de autovalores distintos são ortogonais; nos espaços deste livro, seus autovetores formam uma base ortonormal de (o teorema espectral, demonstrado em dimensão finita no volume de matemática do segundo ano; para os operadores ilimitados , e , o enunciado completo pertence à teoria espectral do terceiro ano e é admitido). Os valores medidos têm de ser reais, e resultados distinguíveis têm de ser ortogonais: a hermiticidade é exatamente a condição para que um operador possa representar uma medida.
Demonstração parcial. : é real. Para e : , logo . ∎
Exemplo 8.5 (Um observável de dois níveis)
No espaço de polarização, na base , considere
hermitiana; autovalores ; autovetores — as polarizações a . Medir significa perguntar “diagonal ou antidiagonal?”, e a base de autovetores é o par de respostas dessas perguntas. Cada polarizador a do experimento de abertura é esta matriz feita de vidro.
8.3 Os postulados
Teorema 8.6 (As regras da mecânica quântica)
(P1) O estado de um sistema é um ket normalizado em seu espaço de Hilbert. (P2) Toda grandeza mensurável é um operador hermitiano . (P3) Os únicos resultados possíveis de medir são seus autovalores. (P4) Num estado , o resultado ocorre com probabilidade (a regra de Born; para um autovalor degenerado, some as componentes ao quadrado sobre o autoespaço dele). A média de muitas repetições é . (P5) Imediatamente após uma medida que deu , o estado é a projeção (normalizada) de sobre o autoespaço de — o colapso: a medida é uma interação que deixa o sistema no estado correspondente à sua própria resposta. (P6) Entre medidas, o estado evolui de modo unitário segundo a equação de Schrödinger .
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
Exemplo 8.7 (Os três polarizadores, calculados)
Luz vertical encontra um analisador cruzado a : — extinção. Insira um polarizador a : o estado o atravessa com probabilidade e colapsa em (P5); esse estado atravessa então o analisador horizontal com probabilidade . Transmissão líquida em vez de zero: o filtro do meio não “abre um buraco” — ele realiza uma medida, e o colapso reprepara o fóton. Nenhuma peneira clássica faz isso; uma projeção não faz outra coisa.
Observação 8.8 (O que o colapso não permite)
O colapso é instantâneo no formalismo, e as correlações quânticas entre partículas distantes são reais e medidas — mas nenhuma mensagem viaja sobre elas: os resultados num detector, lidos isoladamente, são indistinguíveis de lançamentos de moeda, faça-se o que se fizer longe dali. A aleatoriedade quântica também é irredutível: a regra de Born dá probabilidades mesmo quando o estado é conhecido por completo — não há mais nada a saber. Os dois enunciados são teoremas do formalismo, testados com alta precisão; o desconforto com eles é respeitável e moveu um século de experimentos, todos os quais a mecânica quântica venceu.
8.4 Comutadores e incerteza
Definição 8.9 (Comutador; observáveis compatíveis)
O comutador de dois operadores é . O exemplo fundador, a partir de :
Dois observáveis são compatíveis quando : eles admitem então uma base comum de autovetores e podem ser conhecidos simultaneamente; medir um não perturba um estado bem definido no outro. Um conjunto de observáveis que comutam e cuja base comum de autovetores é única (um CCOC) é o que significa “rotular completamente um estado” — os rótulos da caixa eram exatamente isso.
Teorema 8.10 (A relação de incerteza, no caso geral)
Em qualquer estado, os desvios padrão de dois observáveis obedecem a
Para e : — a relação de Heisenberg, agora um teorema de álgebra linear, e não uma heurística. A incompatibilidade é quantitativa: o tamanho do comutador fixa o piso da nitidez conjunta.
Demonstração parcial. Sejam e . A desigualdade de Cauchy–Schwarz do volume de matemática do terceiro ano dá ; a parte imaginária desse produto é , e . ∎
Observação 8.11 (A sombra clássica)
Divida por e faça : os comutadores se tornam os colchetes de Poisson do Capítulo 2, com ecoando , e os colchetes de momento angular ali calculados voltarão como comutadores, inalterados, no Capítulo 10. A regra de Dirac — colchete clássico vezes — é como o esqueleto da mecânica sobreviveu à revolução.
8.5 Evolução e conservação
Proposição 8.12 (Evolução das médias; grandezas conservadas)
Para um observável sem dependência explícita do tempo,
Um observável que comuta com a hamiltoniana se conserva — suas probabilidades, e não apenas sua média, ficam congeladas; de novo as simetrias entregam leis de conservação, agora sob a forma de comutação. Os estados estacionários são os autovetores de , que evoluem apenas pela fase ; uma superposição de dois níveis bate na frequência de Bohr , como os poços do volume do segundo ano já mostravam.
Demonstração. Derive e insira P6 e sua conjugada:
∎
Método 8.13 (Mecânica quântica matricial)
Para qualquer problema de número finito de níveis: (1) escolha uma base adequada à pergunta (os eixos do analisador, os autoestados de energia); (2) escreva os estados como vetores coluna e os observáveis como matrizes hermitianas; (3) diagonalize o que é medido — os autovalores são os resultados, e as componentes ao quadrado, as probabilidades; (4) faça os autoestados de energia evoluírem pelas fases e reexprima-os na base da medida; (5) depois de uma medida, recomece do estado projetado. Todo o Problema 8.1 é esta receita aplicada a um universo de dois níveis.
8.6 Exercícios
Exercício 8.1 ★
Numa base ortonormal , sejam e . (a) Verifique as normalizações. (b) Calcule e . (c) A probabilidade de encontrar no estado . (d) Construa o estado ortogonal a (a menos de fase).
Solução
Solução de Exercício 8.1.
(a) e . (b) ; : conjugados. (c) . (d) Resolva : .
Exercício 8.2 ★
Quais destas matrizes são hermitianas e, para as que são, quais são os autovalores e os autovetores normalizados?
Solução
Solução de Exercício 8.2.
A primeira: hermitiana; com . A segunda: hermitiana; com . A terceira: não hermitiana (a transposta conjugada difere). A quarta: hermitiana; dá e , com autovetores e .
Exercício 8.3 ★
Luz polarizada num ângulo encontra um analisador num ângulo . (a) Escreva os dois estados na base e calcule a probabilidade de transmissão. (b) Recupere a lei de Malus. (c) Para um fluxo de fótons, qual é a variância do número transmitido? (d) Luz circular sobre um analisador linear em ângulo qualquer: transmissão? Explique a independência da resposta em relação ao ângulo.
Solução
Solução de Exercício 8.3.
(a) : probabilidade . (b) Intensidade número de fótons: Malus. (c) Cada fóton é uma tentativa independente: variância — o próprio ruído certifica os fótons. (d) para todo : a luz circular não elege eixo transversal algum.
Exercício 8.4 ★
(a) Demonstre que agindo sobre uma função de teste. (b) Calcule e . (c) Mostre que . (d) Deduza e interprete: que operação clássica imita?
Solução
Solução de Exercício 8.4.
(a) . (b) ; . (c) Some e subtraia . (d) Indução com (c): — age como , a sombra quântica do colchete de Poisson com .
Exercício 8.5 ★★
Medidas sucessivas. Um fóton começa como . (a) Ele encontra polarizadores a e depois a (horizontal): calcule a probabilidade de sobreviver aos dois, com o colapso intermediário explicitado. (b) Substitua o polarizador do meio por dois, a e : transmissão? (c) Com polarizadores intermediários em passos de : mostre que a probabilidade de sobrevivência é e avalie-a para . (d) O limite gira a polarização sem perda alguma: comente (essa rotação “de Zenão quântico” é usada em qubits reais).
Solução
Solução de Exercício 8.5.
(a) , colapso, depois : total . (b) Tomando-os na ordem , (três passos de ): . (c) Cada passo de passa com : sobrevivência , e para . (d) Quando a sobrevivência tende a : muitas medidas suaves conduzem o estado por sem perda alguma — a medida usada como volante.
Exercício 8.6 ★★
No espaço de dois níveis, e . (a) Calcule : são compatíveis? (b) O estado é : dê a estatística dos resultados de medir e depois a de medir depois de uma medida de ter dado . (c) Meça primeiro (resultado ), depois , depois de novo: com que probabilidade o final contradiz o primeiro? (d) O que um comutador nulo teria implicado para (c)?
Solução
Solução de Exercício 8.6.
(a) : incompatíveis. (b) sobre : com certeza, sem necessidade de colapso; dá então com probabilidade cada. (c) Depois de , o estado é ; o colapsa em ou (cada um com ); de qualquer modo, o final dá com probabilidade : contradição com probabilidade . (d) Observáveis que comutam compartilham autoestados: a medida do meio não perturbaria, e a repetição concordaria com certeza.
Exercício 8.7 ★★
(a) Para o estado gaussiano do Exercício 7.1 restrito a uma dimensão, calcule e (use o par de Fourier ou integre) e verifique a igualdade na relação de Heisenberg. (b) Que estados saturam o teorema geral de incerteza (enuncie a condição a partir do caso de igualdade em Cauchy–Schwarz)? (c) Um elétron confinado a : qual a escala mínima de energia cinética? (d) O mesmo para uma bolinha de gude () localizada num mícron: conclua.
Solução
Solução de Exercício 8.7.
(a) e (a transformada de Fourier de uma gaussiana de largura tem largura em ): produto exatamente . (b) Igualdade em Cauchy–Schwarz: com razão puramente imaginária — para essa equação diferencial só tem soluções gaussianas. (c) : — os átomos são máquinas de elétron-volt porque são caixas de ångström. (d) : nada, nunca.
Exercício 8.8 ★★
(a) A partir da Proposição 8.12, recupere o par de Ehrenfest para e com . (b) Mostre que a paridade () é hermitiana, tem quadrado igual à identidade e tem autovalores . (c) Mostre que para um potencial simétrico e conclua que os níveis não degenerados têm paridade definida. (d) Que fato observado sobre os níveis de um poço duplo simétrico isso explica (lembre o dubleto da amônia do volume do segundo ano)?
Solução
Solução de Exercício 8.8.
(a) e dão e . (b) Uma mudança de variável no produto interno mostra a hermiticidade; obriga os autovalores a . (c) torna cego à paridade; um autoestado não degenerado tem então de ser também autoestado de : par ou ímpar. (d) O dubleto quase degenerado do poço duplo simétrico: um estado par e um ímpar — o par de inversão da amônia, separado por tunelamento, que irradia a .
Exercício 8.9 ★★
Um CCOC em ação. Na caixa quadrada bidimensional, o nível é gerado por e . (a) Mostre que a energia sozinha não rotula os estados. (b) Seja a troca : mostre que é hermitiano, comuta com e encontre seus autoestados dentro do nível. (c) Verifique que o par rotula univocamente cada estado desse nível. (d) Dê a moral geral: a degenerescência significa que o conjunto de rótulos ainda não estava completo, e a simetria fornece o rótulo que falta.
Solução
Solução de Exercício 8.9.
(a) Os dois estados compartilham : anunciar a energia deixa duas possibilidades. (b) troca os rótulos: é hermitiano, tem quadrado igual à identidade e comuta com o simétrico; dentro do nível, seus autoestados são , com autovalores . (c) e : rótulos únicos. (d) Uma degenerescência é um endereço incompleto; a simetria que a causa também fornece o dígito que falta.
Exercício 8.10 ★★★
Incerteza energia–tempo, honestamente. Para um observável qualquer, defina o tempo de evolução — o tempo que a média leva para se deslocar de um desvio padrão. (a) A partir do Teorema 8.10 e da Proposição 8.12, demonstre que . (b) Por que isso não é uma incerteza entre dois observáveis (o que é o tempo, no formalismo)? (c) Aplique-a a um estado atômico excitado de vida média : largura de linha. (d) Aplique-a ao seu relógio de pulso: quão bem definida pode ser a energia de um sistema em que algo muda visivelmente a cada segundo?
Solução
Solução de Exercício 8.10.
(a) ; divida. (b) O tempo é um parâmetro da teoria, não um operador: a relação limita quão depressa algo mensurável pode evoluir, dada a dispersão de energia. (c) : uma largura de linha natural de alguns megahertz. (d) Uma mudança visível por segundo exige apenas — para energias macroscópicas, vínculo nenhum: os relógios podem tiquetaquear.
Exercício 8.11 ★★★
Demonstração do teorema de incerteza. Com como no texto: (a) justifique usando a hermiticidade; (b) aplique Cauchy–Schwarz e separe em partes hermitiana e anti-hermitiana, identificando-as com as médias do anticomutador e do comutador; (c) conclua e diga quando vale a igualdade; (d) mostre que, para , nenhum estado pode ser autovetor de qualquer um dos observáveis mantendo finitos os dois desvios — e reconcilie isso com as ondas planas.
Solução
Solução de Exercício 8.11.
(a) pela hermiticidade de . (b) : o primeiro termo é real (parte hermitiana), o segundo é puramente imaginário. (c) dá o teorema; a igualdade exige vetores proporcionais e média nula do anticomutador. (d) Um autoestado de tem , o que força : impossível para estados normalizáveis. As ondas planas só “conseguem” isso por serem idealizações não normalizáveis, fora do espaço de Hilbert.
Exercício 8.12 ★★★
A panela vigiada. Um sistema de dois níveis começa em e sua hamiltoniana impõe uma oscilação do tipo Rabi: após um tempo , o estado é (tome isso como dado). (a) Sem medida alguma, quando a transferência para é completa? (b) Meça “em que estado?” nos instantes com : mostre que a probabilidade de encontrar o sistema ainda em em todas as verificações é . (c) Avalie-a para e mostre que ela tende a : a observação frequente congela a evolução (o efeito Zenão quântico, observado com íons aprisionados em 1990). (d) Explique numa frase que postulado faz o congelamento.
Solução
Solução de Exercício 8.12.
(a) Em , isto é, . (b) A cada verificação o estado girou de ; ele é encontrado em com e colapsa de volta a ; as verificações são independentes, daí o produto. (c) , , , : vigiada de perto o bastante, a panela nunca ferve. (d) O postulado da projeção (P5): cada observação devolve a evolução à linha de partida.
8.7 Problema: Neutrinos que trocam de traje em pleno voo
Problema 8.1
Problema de fim de semana — oscilações de dois níveis através da Terra
Os neutrinos nascem em reações nucleares como estados de sabor — neutrino do elétron ou neutrino do múon — mas se propagam como autoestados de energia (de massa) . As duas bases não coincidem: estão giradas por um ângulo de mistura ,
A descoberta de que os neutrinos, por isso, oscilam entre sabores em pleno voo — e portanto têm massa — rendeu o Prêmio Nobel de 2015. Este problema deduz o efeito sem nada além deste capítulo. Um neutrino ultrarrelativístico de momento e massa tem energia .
Parte I — Montando o formalismo.
- Verifique que, sendo ortonormal, também o é.
- Por que a base de propagação tem de ser a base de autoestados de energia, qualquer que seja a base em que o neutrino nasceu? (Que postulado governa o voo livre?)
- Um neutrino do múon nasce em . Escreva na base de massa.
- Escreva , com cada componente de massa carregando sua fase .
- Mostre que uma fase global é irrelevante e fatore : só a fase relativa dirige a física.
- Exprima em função de e de , para neutrinos ultrarrelativísticos.
Parte II — A fórmula da oscilação.
- Calcule a amplitude .
Mostre que a probabilidade de aparecimento é
(Use .)
- Verifique os dois limites de sanidade: e . O que, portanto, qualquer oscilação observada prova?
Com , mostre que
e defina o comprimento de oscilação .
- Mostre que a probabilidade de sobrevivência é : onde a unitariedade foi usada?
- Por que a oscilação mede apenas , nunca as massas em si?
Parte III — Ler os experimentos. Neutrinos atmosféricos do múon () chovem sobre um detector, vindos de cima () e de baixo, atravessando a Terra (). O Super-Kamiokande (1998) achou o fluxo de baixo reduzido à metade e o fluxo de cima intacto.
- Usando , mostre a forma prática .
- Se a oscilação deve estar bem desenvolvida em , mas ser desprezível a para , delimite grosseiramente .
- O valor medido é : calcule o comprimento de oscilação a e confira-o contra as duas linhas de base.
- A supressão de baixo é próxima de , e não de : mostre que fazer a média de sobre muitos comprimentos de oscilação (e sobre as energias) dá , e deduza que a mistura atmosférica é quase máxima ().
- O que dá para a massa mais pesada sozinha, se a mais leve for desprezível — e compare com a massa do elétron: quão estranhamente leves são os neutrinos?
- Os antineutrinos de reator têm . Usando a mesma fórmula do , mostre que uma linha de base de um a dois quilômetros está sintonizada com a separação de (o experimento Daya Bay), enquanto (KamLAND) está sintonizada com a separação “solar” menor, — verifique as duas numericamente.
Parte IV — O que isso significa.
- O Sol emite ; durante décadas os detectores contaram apenas um terço do previsto. Explique o “problema dos neutrinos solares” e sua resolução, em uma frase cada.
- Por que as oscilações forçaram a conclusão de que os neutrinos têm massa, contra a contabilidade original do Modelo Padrão?
- Um sistema quântico que mantém coerência de fase ao longo de quilômetros: o que isso diz sobre quão fracamente os neutrinos interagem, e por que o detector precisa ser enorme?
- O sabor é um observável: por que o operador dele não comuta com a hamiltoniana livre, e que lei de conservação, portanto, não está disponível para o sabor (enquanto a energia e o momento continuam conservados)?
- A natureza tem três sabores e três massas: por que, ainda assim, o tratamento de dois níveis descreve tão bem cada experimento? (Considere a hierarquia dos dois e qual deles cada linha de base resolve.)
- No formalismo deste capítulo, nomeie exatamente que ingredientes produziram a oscilação: que descompasso de bases, que postulado, que fase.
- Resuma o resultado central: um ângulo de rotação perto de e uma separação fazem desaparecer um neutrino do múon de GeV com comprimento de oscilação — álgebra linear de dois níveis, confirmada através do corpo da Terra.
Solução
Solução de Problema 8.1.
1. Uma rotação leva um par ortonormal a um par ortonormal: . 2. P6: o voo livre é gerado por , cujos autoestados evoluem autonomamente por fases — qualquer que tenha sido a base escolhida pela produção. 3. . 4. . 5. As fases globais somem de todo : guarde . 6. . 7. . 8. . 9. Sem mistura, ou sem separação de massas: nenhuma oscilação. Toda oscilação observada prova e — os neutrinos pesam. 10. Substitua ; faz o argumento valer . 11. As duas probabilidades de sabor são componentes ao quadrado numa base ortonormal de um estado normalizado: somam — a unitariedade da evolução preservou a norma. 12. Só a fase relativa é observável, e ela contém : as massas absolutas se cancelam. 13. nas unidades enunciadas: por . 14. Bem desenvolvida embaixo: , isto é, ; desprezível em cima: , isto é, : algo em torno de –. 15. a : os ficam intactos e os são treze comprimentos completos — exatamente o padrão observado. 16. Ao longo de muitos comprimentos e de uma faixa de energias, : supressão ; a metade medida força , — a natureza escolheu a mistura máxima. 17. : dez milhões de vezes mais leve que o elétron — a matéria mais leve conhecida, e ninguém ainda sabe por quê. 18. Daya Bay: — da ordem de um, sintonizado; KamLAND: — da ordem de um para a separação solar: cada linha de base é um interferômetro ajustado a um . 19. O problema: só um terço dos previstos do Sol chegava. A solução: os dois terços que faltavam chegam com outros sabores, nos quais os se converteram por rotação (o SNO contou o total e inocentou o Sol). 20. A oscilação exige : ao menos um neutrino é massivo — a primeira física de laboratório além do Modelo Padrão original. 21. Coerência de fase ao longo de metros significa que praticamente nada interagiu no caminho: seções de choque tão pequenas que se precisam de quilotoneladas de água para pescar um punhado — daí as cinquenta mil toneladas do Super-Kamiokande. 22. Os operadores de sabor são diagonais na base de sabor, que não é a base de energia: — o sabor simplesmente não é grandeza conservada no voo livre, ao passo que a energia e o momento são. 23. As duas separações diferem por um fator trinta: para um dado , uma oscilação está ativa e a outra ou congelada ou completamente promediada — cada experimento vê um sistema efetivo de dois níveis. 24. Base de produção base de propagação (a rotação ); P6 fornece as duas fases; a regra de Born transforma a fase relativa numa probabilidade. 25. e dão a um neutrino do múon de GeV um comprimento de oscilação perto de : álgebra linear de dois níveis, verificada através do planeta, e um Prêmio Nobel pelo desaparecimento de metade de um fluxo.