Квантовая механика в терминах операторов плотности как фундаментальный объект? [дубликат]

Итак, я прошел два курса по квантовой механике для старшекурсников, первый начался с волновой механики, а затем перешел к бра и кетам, второй курс более подробно касался бра, кетов, гильбертовых пространств и так далее (они ретушировали волновые механика ближе к концу). Но ближе к концу второго курса они также перешли к операторам/матрицам плотности.

Они были представлены как еще один уровень абстракции поверх более фундаментального гильбертова пространства, удобный инструмент при работе с классическими статистическими ансамблями чистых состояний.

Однако, читая учебник и другие источники, я видел, что это описано как более фундаментальное, чем чистые состояния, естественное описание подсистем более крупных запутанных систем и обладающее очень наводящим на размышления и привлекательным свойством, заключающимся в том, что существует однозначное соответствие. между состояниями и операторами, в отличие от формализма гильбертова пространства, где соответствие только до фазового множителя.

Итак, существует ли описание квантовой механики, которое берет операторы плотности в качестве основных объектов, подобно тому, как формализм бракетов начинается с лучей комплексного пространства? Если да, то на что это похоже, почему QM не преподается с точки зрения операторов плотности и где я могу найти ресурсы для его изучения? Кроме того, я часто слышал, что с ними неудобно работать, чем с бюстгальтерами и корсетами, почему?

Наконец, если мы представляем состояния операторами и рассматриваем чистые состояния как частные случаи операторов плотности, над чем они работают? Или это просто еще один случай представления абстрактных математических объектов в виде операторов для удобства, и нет смысла спрашивать, над чем они работают?

Я думаю, что мой вопрос немного отличается, поскольку я не просто спрашиваю о статусе операторов плотности как основных объектов, но и о конкретных описаниях того, как будет выглядеть такая формулировка.
Аналогичным образом вы могли бы описать классическую механику только с плотностью вероятности, а не с положением/импульсом точечной частицы. Но нет оснований предполагать, что самая большая система, о которой мы можем думать (т.е. Вселенная), не находится просто в чистом состоянии и не может быть описана с помощью волновой функции. Это, в основном, то, чем занимается квантовая механика, и эффективное описание с помощью матриц плотности: да, эффективное.

Ответы (1)

В квантовой механике фундаментальные объекты никогда не могут быть состояниями (такими как матрицы плотности). Фундаментальные объекты всегда наблюдаемы .

Это связано с некоммутативностью: в отличие от классических теорий вероятностей, где существует пространство событий (множество вместе с о -алгебра измеримых подмножеств, событий), также называемая вселенной (в смысле теории вероятностей), в некоммутативных теориях вероятностей, таких как квантовая механика, нет вероятностной вселенной, а скорее набор некоммутативных случайных величин (наблюдаемых), и теория строится исходя из этого набора (математически говоря, это C*-алгебра).

Поэтому любая разумная математическая формулировка квантово-механической системы как некоммутативной теории вероятностей должна брать за отправную точку C*-алгебру наблюдаемых системы. Соответствующие состояния (некоммутативные вероятности) и, в частности, нормальные состояния относительно данного представления алгебры (матрицы плотности) являются «производным объектом»: они получаются двойственностью на алгебре наблюдаемых.

Замечу также, что квантовую механику можно изучать очень абстрактно (и, на мой взгляд, показательно), изучая свойства C*-алгебр. На самом деле многие интересные и хорошо известные особенности квантовой механики, такие как тот факт, что наблюдаемые являются операторами, действующими в гильбертовых пространствах, различие между чистыми и смешанными состояниями, существование неэквивалентных представлений алгебры канонических коммутационных соотношений в КТП, и многие другие очень хорошо понятны и объяснены на языке (и с использованием абстрактных свойств) операторных алгебр.

Это действительно интересно, но, конечно же, мы можем просто рассматривать наше «состояние» как любое описание текущей реальности, которое дает наблюдаемые явления, которые мы видим? Что есть нечто, каким бы странным и вероятностным оно ни было, что мы можем интерпретировать как описание реальности, даже если это описание только того, какие значения примут наблюдаемые?
Кроме того, можете ли вы связать меня с ресурсами для изучения этой формулировки QM на ее собственных условиях?
Онтологическое значение наблюдаемых и состояний, а также концепция реальности в КМ всегда были очень деликатными темами и широко обсуждались. Мой ответ не претендует на онтологичность, а лишь на обсуждение математической формализации КМ. И формально QM следует сформулировать как некоммутативную теорию вероятностей, и последняя имеет набор наблюдаемых/случайных величин в качестве фундаментального строительного блока. Я бы не стал продвигать интерпретацию намного дальше этого.
Что касается алгебраической формулировки КМ, я думаю, что книги Хаага и Браттели-Робинсона , том 2 , могут быть хорошей отправной точкой.