1.
Почему волновая функция сложна? Я собрал некоторые объяснения непрофессионала, но они неполные и неудовлетворительные. Однако в книге Мерцбахера на первых нескольких страницах он объясняет, что мне нужна некоторая помощь: что длина волны де Бройля и длина упругой волны не проявляют сходных свойств при преобразовании Галилея. Он в основном говорит, что оба они эквивалентны при калибровочном преобразовании, а также отдельно по преобразованиям Лоренца. Это сопровождалось наблюдением, что ψ не поддается наблюдению, поэтому нет «причины, по которой это реально». Может ли кто-нибудь дать мне интуитивную прелюдию, что такое калибровочное преобразование и почему оно дает тот же результат, что и преобразование Лоренца в нерелятивистской среде? И, в конце концов, как в этой «грандиозной схеме» становится очевидной сложная природа волновой функции… таким образом, чтобы такой тупой манекен как я мог понять.
2.
Волновая функция может рассматриваться как скалярное поле (имеет скалярное значение в каждой точке ( т , т ) дано ψ : R 3 × R → C а также как луч в гильбертовом пространстве (вектор). Как эти две точки зрения одинаковы (возможно, это что-то элементарное, что я упускаю, или меня смущают определения и терминология, если это так, я отчаянно нуждаюсь в помощи;)
3.
Один из способов, о котором я подумал над вышеупомянутым вопросом, состоит в том, что волновая функция может быть эквивалентно записана в ψ : R 3 × R → R 2 Т.е. поскольку волновая функция является сложной, уравнение Шредингера в принципе можно было бы записать эквивалентно в виде связанных дифференциальных уравнений в двух вещественных функциях, которые удовлетворяют условиям Коши-Римана. т.е. если
Более физически, чем многие другие ответы здесь (многие из которых составляют «формализм квантовой механики имеет комплексные числа, поэтому квантовая механика должна иметь комплексные числа), вы можете объяснить сложную природу волновой функции, написав ее в качестве Ψ ( х ) = | Ψ ( х ) | е i ϕ ( x ) , где я ϕ сложный фазовый фактор. Оказывается, что этот фазовый фактор не может быть измерен напрямую, но имеет много измеримых последствий, таких как эксперимент с двумя щелями и эффект Ааронова-Бома .
Почему комплексные числа необходимы для объяснения этих вещей? Потому что вам нужно представление, которое не вызывает нефизических временных и пространственных зависимостей в величине | Ψ ( х ) | 2 (как умножение на реальные фазы), и что учитывает эффекты помех, подобные тем, которые приведены выше. Наиболее естественный способ сделать это - умножить амплитуду волны на сложную фазу.
Альтернативное обсуждение Скоттом Ааронсоном: http://www.scottaaronson.com/democritus/lec9.html
Из постулата интерпретации вероятности мы заключаем, что оператор эволюции времени U ^ ( т ) должен быть унитарным , чтобы общая вероятность всегда была равна 1. Обратите внимание, что волновая функция не обязательно является сложной.
С веб-сайта: «Почему Бог пошел с комплексными числами, а не с действительными числами? Ответ: Ну, если вы хотите, чтобы каждая унитарная операция имела квадратный корень, то вам нужно перейти к комплексным числам ...» U ^ ( т ) должно быть сложным, если мы все еще хотим непрерывного преобразования. Это подразумевает сложную волновую функцию.
Следовательно, оператор должен быть: U ^ ( т ) = е я К ^ T для эрмита К ^ для того, чтобы сохранить норму волновой функции.
Этот летний вопрос неожиданно возник, когда я вошел в систему, и он интересный. Так что я думаю, что все в порядке, просто добавив «дополнительный ответ» уровня интуиции к превосходным и гораздо более полным ответам, предоставленным давно.
Ваш вопрос ядра, кажется, таков: «Почему комплекс волновых функций?»
Мой намеренно неформальный ответ таков:
Потому что при экспериментальном наблюдении квантовое поведение частицы намного больше напоминает поведение вращающейся веревки (например, пропускаемой веревки), чем веревки, которая движется только вверх и вниз.
Если каждая точка в веревке выделяет окружность по мере ее движения, то очень естественный и экономичный способ представить каждую точку вдоль длины веревки - это сложная величина. Конечно, вам не обязательно делать это таким образом. На самом деле, использование полярных координат, вероятно, было бы немного проще.
Тем не менее, изюминкой комплексных чисел является то, что они предоставляют простой и эффективный в вычислительном отношении способ представления именно такой полярной системы координат. Вы можете получить в подробностях математические детали того, почему, но достаточно сказать, что, когда ранние физики начали использовать комплексные числа только для этой цели, их преимущества продолжались, даже когда проблемы стали намного сложнее. В квантовой механике их преимущества стали настолько огромными, что комплексные числа стали восприниматься практически как «реальность» того, как представлять такую математику.
Это концептуальное слияние сложных величин с реальной физикой может немного подорвать вашу интуицию. Например, если вы посмотрите на движущуюся скиповую веревку, то не будет различий между «реальной» и «мнимой» осями в фактических поворотах каждой точки в веревке. То же самое верно для квантовых представлений: учитывается фаза и амплитуда, а другие различия между осями фазовой плоскости являются результатом того, как вы используете эти фазы в более сложных математических конструкциях.
Итак, если бы квантовые волновые функции вели себя только как веревки, движущиеся вверх и вниз вдоль одной оси, мы бы использовали реальные функции для их представления. Но они этого не делают. Поскольку вместо этого они больше похожи на эти пропущенные веревки, гораздо проще представить каждую точку вдоль веревки двумя значениями, одним «реальным» и одним «мнимым» (и ни одним из них в реальном пространстве XYZ) для его значения.
Наконец, почему я утверждаю, что одиночная квантовая частица имеет волновую функцию, которая похожа на функцию скакалки в движении? Классическим примером является проблема « частица в коробке» , когда одна частица подпрыгивает вперед и назад между двумя концами оси X блока. Такая частица образует одну, две, три или более областей (или антиузлов), в которых частица с большей вероятностью может быть найдена.
Если вы заимствуете Y и Z (перпендикулярно длине прямоугольника), чтобы представить действительные и мнимые амплитуды волновой функции частицы в каждой точке вдоль X , интересно посмотреть, что вы получите. Он выглядит в точности как скакалка в действии, в которой области, где наиболее вероятно найти электрон, соответствуют один к одному одной, двум, трем или более петлям движущейся скакалки. (Необычные скип-роперы знают все о большем числе циклов.)
На этом аналогия не заканчивается. Объем, окруженный всеми петлями, нормированный на 1, точно говорит вам, каковы шансы нахождения электрона вдоль любого сечения вдоль прямоугольника по оси X. Туннелирование представлено электроном, появляющимся с обеих сторон неподвижных узлов веревки, причем эти узлы являются областями, где нет шансов найти электрон. Непрерывность веревки от точки к точке отражает грубую аппроксимацию дифференциальных уравнений, которые придают высокие энергетические затраты острым изгибам веревки. Абсолютная скорость вращения веревки представляет собой общую массу-энергию электрона или, по крайней мере, может использоваться таким образом.
Наконец, и немного сложнее, вы можете разбить эти простые петли на другие волновые компоненты, используя преобразование Фурье. Любой простой взгляд также можно рассматривать как две спиральные волны (например, взмах шланга, чтобы освободить его), идущие в противоположных направлениях. Эти два компонента представляют идею, что однопетлевая волновая функция на самом деле включает в себя спиральные представления одного и того же электрона, идущие в противоположных направлениях, в одно и то же время. «В то же время» очень характерно для квантовой функции в целом, поскольку такие функции всегда содержат несколько «версий» местоположения и движений отдельной частицы, которую они представляют. Это действительно то, чем на самом деле является волновая функция: суммирование простых волн, представляющих каждую вероятную локацию и импульсную ситуацию, в которой может находиться частица.
Полная квантовая механика намного сложнее, чем это, конечно. Вы должны работать в трех пространственных измерениях, с одной стороны, и вам приходится иметь дело с составными вероятностями взаимодействия многих частиц. Это заставляет вас использовать более абстрактные понятия, такие как гильбертовы пространства .
Но что касается вопроса «почему сложный, а не реальный?», То простой пример сходства квантовых функций с вращающимися веревками остается в силе: все эти более сложные случаи являются сложными, поскольку в своей основе каждая точка в них ведет себя как будто он вращается в абстрактном пространстве, так что он синхронизируется с точками в соседних точках пространства.
Среди прочего, ОП перепечатал страницу учебника, спрашивая, что «это все о». Я думаю, что невозможно ответить на такие вопросы, потому что в чем заключается проблема ОП, то она совершенно не определена, и люди, которые предлагают свои ответы, могут писать свои собственные учебники, но безрезультатно.
Волновая функция в квантовой механике должна быть сложной, потому что операторы удовлетворяют таким вещам, как
Кроме того, уравнение Шредингера
http://motls.blogspot.com/2010/08/why-complex-numbers-are-fundamental-in.html
Почему комплексные числа являются фундаментальными в физике
Что касается второго вопроса, в физическом жаргоне, мы решили подчеркнуть, что волновая функция не является скалярным полем. Волновая функция вообще не является наблюдаемой, в то время как поле есть. Классически поля развиваются детерминистически и могут быть измерены одним измерением, но волновая функция не может быть измерена. Квантовые поля являются операторами, а волновая функция - нет. Более того, математическое сходство волновой функции со скалярным полем в 3 + 1 измерениях имеет место только для описания одной бесспиновой частицы, но не для более сложных систем.
Что касается последнего вопроса, то бесполезно разбивать комплексные числа на действительные и мнимые части именно потому, что «комплексное число» - это одно число, а не два числа. В частности, если мы умножим волновую функцию на сложную фазу ехр ( я ϕ ) , что возможно только в том случае, если мы допустим, чтобы волновые функции были сложными, и мы использовали умножение комплексных чисел, физика вообще не меняется. Весь смысл комплексных чисел в том, что мы имеем дело с ними как с одной сущностью.
Если волновая функция была действительной, выполнение преобразования Фурье во времени приведет к парам собственных состояний с положительной и отрицательной энергией. Отрицательные энергии без нижних границ несовместимы со стабильностью. Таким образом, сложные волновые функции необходимы для устойчивости.
Нет, волновая функция не является полем. Это похоже только на одну частицу, но для N частиц это функция в 3N + 1 мерном пространстве конфигурации.
РЕДАКТИРОВАТЬ добавить:
Мой ответ ориентирован на GA, и после комментариев я почувствовал необходимость сказать несколько слов о красоте геометрической алгебры:
На 2-й странице лекции медали Эрстеда (ссылка ниже):
(3) GA Сокращает «grad, div, curl и все такое» до одной производной вектора, которая, помимо прочего, объединяет стандартный набор из четырех уравнений Максвелла в одно уравнение и предоставляет новые методы для его решения.
Алгебра геометрии (GA) включает в себя единую структуру для всего этого:
Синтетическая геометрия, координатная геометрия, комплексные переменные, кватернионы, векторный анализ, матричная алгебра, спиноры, тензоры, дифференциальные формы. Это один язык для всей физики.
Вероятно, Шредингер, Дирак, Паули и т. Д. Использовали бы GA, если бы он существовал в то время.
К вопросу: ПОЧЕМУ волновая функция является комплексной? Этот ответ не полезен: потому что волновая функция сложна (или имеет i ). Надо попробовать что-то другое, не написанное в вашей книге.
В рефератах я выделил доказательства того, что в газетах говорится о ПОЧЕМУ . Если кто-то умоляет рыбу, я постараюсь дать удочку.
Я старый ИТ-аналитик, который был бы безработным, если бы я не развивался. Физика тоже развивается.
конец РЕДАКТИРОВАТЬ
Недавно я нашел геометрическую алгебру , Грассмана, Клиффорда и Дэвида Хестенеса.
Я не буду подробно описывать тему ОП, потому что каждому из нас нужно идти по пути, находить новые идеи и уделять время чтению. Я приведу только некоторые пути с частью тезисов:
Обзор геометрической алгебры в физике
Лекция Медаль Эрстеда 2002 года: реформирование математического языка физики (хорошее начало)
В этой лекции Хестенес выступает за реформу способа преподавания математики физикам. Он утверждает, что использование геометрической алгебры облегчит понимание основ физики, поскольку математический язык будет более четким и единообразным.
Охота на Снарков в квантовой механике
Абстрактный. Давние дебаты по поводу интерпретации квантовой механики были сосредоточены на значении волновой функции Шредингера ψ для электрона. Вообще говоря, есть две основные противостоящие школы. С одной стороны, копенгагенская школа (возглавляемая Бором, Гейзенбергом и Паули) считает, что ψ дает полное описание состояния одного электрона; следовательно, вероятностная интерпретация ψψ * выражает неприводимую неопределенность в поведении электронов, которая является внутренней по своей природе. С другой стороны, реалистическая школа (возглавляемая Эйнштейном, де Бройлем, Бомом и Джейнсом) считает, что ψ представляет собой статистический ансамбль возможных электронных состояний; следовательно, это неполное описание состояния одного электрона. Я утверждаю, что участники дискуссии упустили из виду важные факты об электроне, раскрытые теорией Дирака. В частности, анализ электронного цитербевегунга (впервые замеченный Шредингером) открывает окно для субструктуры частиц в квантовой механике, которая объясняет физическую значимость комплексного фазового фактора в ψ . Это привело к созданию тестируемой модели субструктуры частиц с неожиданным подтверждением недавних экспериментальных данных. Если объяснение будет подтверждено дальнейшими исследованиями, оно разрешит спор в пользу реалистической школы. Я даю подробности. Опасности в исследованиях основ квантовой механики были предвидены Льюисом Кэрроллом в «Охоте на Снарка»!
КИНЕМАТИЧЕСКОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ВОЛНОВОЙ ФУНКЦИИ
Абстрактный. Переформулировка теории Дирака показывает, что i¯h имеет геометрическое значение, связывающее его со спином электронов . Это обеспечивает основу для когерентной физической интерпретации теорий Дирака и Шодингера, в которых комплексный фазовый фактор exp (−iϕ / ¯h) в волновой функции описывает электрон zitterbewegung, локализованное круговое движение, генерирующее спин электрона и магнитный момент. , Взаимодействия Циттербевегунга также генерируют резонансы, которые могут объяснить квантование, дифракцию и принцип Паули.
Универсальный Геометрический Исчисление курс, и следуйте:
III. Последствия для квантовой механики
Кинематическое происхождение сложных волновых функций
Алгебра Клиффорда и интерпретация квантовой механики
Zitterbewegung Интерпретация квантовой механики
Квантовая механика из самовоздействия
Zitterbewegung в радиационных процессах
О вероятности развязки от кинематики в квантовой механике
Zitterbewegung Моделирование
Пространственно-временная структура слабых и электромагнитных взаимодействий
чтобы сохранить больше ссылок вместе:
Геометрическая алгебра и ее применение в математической физике (Крис Тезис)
(то, что привело меня к этому удивительному пути, было работой Джой Кристиана « Отказ от теоремы Белла »)
«Бон Вояж», «Хорошее путешествие», «Боа Виагем»
Этот вопрос задавался с Дирака
На самом деле ответ Дирака можно получить за 100 долларов от JSTOR в статье Дирака, как мне кажется, в 1935 году?
Недавний ответ Джеймса Уилера - это то, что метрика Киллинга с нулевой сигнатурой новой, действительной, 8-мерной калибровки конформной группы объясняет сложный характер квантовой механики
Справка: почему квантовая механика сложна, Джеймс Т. Уилер ArXiv: hep-th9708088
Из принципа неопределенности Гейзенберга, если мы много знаем о импульсе частицы, мы можем очень мало знать о ее положении. Это говорит о том, что наша математика должна иметь квантовое состояние, которое соответствует плоской волне ψ ( х ) с точно известным импульсом, но совершенно неизвестной позиции.
Естественное определение вероятности нахождения частицы в положении Икс является | ψ ( х ) | 2 , Это определение имеет смысл как для реальной волновой функции, так и для воображаемой волновой функции.
Если у плоской волны нет информации о положении, это означает, что | ψ ( х ) | не зависит от положения и поэтому является постоянным. Поэтому мы должны иметь ψ сложный; иначе не было бы никакого способа хранить информацию «что такое импульс частицы».
Таким образом, на мой взгляд, сложная природа волновых функций возникает из-за взаимодействия между необходимостью (1) вероятностной интерпретации, (2) принципом неопределенности Гейзенберга и (3) плоскими волнами.
Хороший вопрос, который также задал Эренфест (1932): «Einige die Quantenmechanik betreffende Erkundigungsfragen» . Ответ был дан Паули (1933): «Einige die Quantenmechanik betreffenden Erkundigungsfragen» . К сожалению, я не знаю о переводе на английский язык этих двух публикаций. Однако немного другую форму ответа можно найти и в книге Паули «Общие принципы квантовой механики», с.16 . В этой книге Паули пишет
одной действительной функции недостаточно для построения из волновых функций вида (3.1) неотрицательной вероятностной функции, которая постоянна во времени при интегрировании по всему пространству.
Я постараюсь обобщить его аргументы здесь:
Волновой пакет для описания отдельной частицы (в основном идея Деброли) может быть записан в общем виде
Поскольку с физической точки зрения волновая функция должна быть сложной, чтобы объяснить эксперимент с двумя щелями , о чем также упоминается в книге «Фейнмановские лекции по физике-III» , я предлагаю вам пересмотреть главы 1 и 3 , где объясняется как ψ должен рассматриваться как вероятностный характер в соответствии с характером вмешательства, потому что «что-то» должно вести себя как волна во время пересечения через «каждую» щель. Кроме того, Бом заявляет, что путь частицы (электрон, фотон и т. Д.) Можно считать классическим, поэтому в качестве следствия вы можете посмотреть этот, поскольку он следует правилам, уже известным в макросе ... в этом смысле вы can see next reference or this one to consider the covariance of the laws of mechanics.
В ЭТОМ ПОЗДНО ОТВЕТЕ (январь 2018 г.) немного расширяется прямолинейный ответ Карла Браннена и (IMO) недооценка ответа (показывающего немного выше, во время публикации), который напомнил мне еще один простой и убедительный аргумент о том, почему волна функция должна быть сложной , изложенной много лет назад в Dicke & Wittke « Введение в квантовую механику » (1960; с. 23-24).
Учитывая их обзор в главе 1 о том, почему квантово-механическая волна подвержена двойственности волна-частица / соотношению Де Бройля, они поступают следующим образом:
Для волны-частицы с резко определенным импульсом:
λ = ч / р (и , таким образом, через А х .Δ р > = ч / 4π, совершенно неопределенное - по существу , равномерное - положение)
… Распределение вероятности | ψ | ^ 2 плоской волны должно быть однородным по положению, которое не может быть удовлетворено реальной плоской волной
ψ = грех (kx - ωt + α)
... но будет удовлетворен (обобщающая в произвольное положение) по
ψ = A exp [i ( kx - ωt)], где вектор распространения k = p / (h / 2π).
Dicke & Wittke затем обсуждают, как комплексная волновая функция учитывает эффекты помех (авторские права и безопасно доступны через https://archive.org/details/IntroductionToQuantumMechanics ).
[NB Уход за поиском названия книги / pdf - многие интернет-источники, в отличие от приведенного выше, небезопасны]
Волновая функция ψ ( х ) проекция вектора состояния физической системы | ψ⟩ на Икс ^ eigenket | х ⟩ собственного значения Икс а именно | г | ⟩ = ∫ d х ψ ( х ) | х ⟩ ,Вы не должны путать скалярное значение ф ( х ) = ⟨ х | ψ⟩ с вектором | ψ⟩ который живет в гильбертовом пространстве.
Первое предложение вашего первого вопроса в технических терминах: почему это гильбертово пространство над полем? С а не, скажем, р ?Если вы нажмете Ctrl + F на «Действительные и сложные числа» здесь , вы получите подробное обсуждение нескольких мотивов того, почему квантовая механика должна выглядеть именно так. Одним из преимуществ сложной волновой функции является то, что она имеет амплитуду и фазу, но только первая влияет на плотность вероятности. | ψ | 2 и последний дает нам квантовую интерференцию из-за тригонометрических тождеств, таких как | 1 + опыт я θ | = 2 | соз θ 2 | ,Однако (чтобы продолжить ваш Q1), преобразование Галилея должно включать фазовый сдвиг, поэтому уравнение Шредингера будет инвариантным; смотрите здесь и здесь для получения дополнительной информации. Калибровочное преобразование, такое как галилеево, - это просто способ преобразования координат или полей (которые сходятся в одном и том же в лагранжевой теории поля), которые оставляют действие и его уравнения движения неизменными. (Кстати, нужно быть осторожным, чтобы не перепутать слова трансформация и трансформация.)
Ваш Q2 также зависит от не путать ψ с | ψ⟩ , Луч - это набор значений ехр я θ | ψ⟩ с θ ∈ R , но переключаясь с одного значения θ в другой уходит ψ инвариант, потому что ⟨Х | умножается на ( exp я θ ) * = exp - i θ ,
Что касается Q3, более полезно работать с модулем и фазой комплекса ψ а не его действительной и мнимой части, потому что при унитарных преобразованиях первое является инвариантным, как и различия во втором.
Поскольку и амплитуда, и длина волны не могут быть точно определены одновременно, я думаю, что это означает, что существует некоторая недостающая информация, с которой все еще приходится обращаться непрерывно. Эта информация удобно хранится в мнимой части комплексного числа.
Питер Морган
Бен Кроуэлл
Тимей
Линкольн
Valerio