Nástin formální stavby kvantové mechaniky

Podobné dokumenty
Paradoxy kvantové mechaniky

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

Vlnově částicová dualita

6 PŘEDNÁŠKA 6: Stav kvantového systému, úplná množina pozorovatelných. Operátor momentu hybnosti a kvadrátu momentu hybnosti.

Název: Konstrukce vektoru rychlosti

1 Lineární prostory a podprostory

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Lineární algebra : Úvod a opakování

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

0.1 Úvod do lineární algebry

Matematika I, část I. Rovnici (1) nazýváme vektorovou rovnicí roviny ABC. Rovina ABC prochází bodem A a říkáme, že má zaměření u, v. X=A+r.u+s.

Poznámka. V některých literaturách se pro označení vektoru také používá symbolu u.

Základní pojmy teorie množin Vektorové prostory

Matematika. Kamila Hasilová. Matematika 1/34

Lineární algebra : Lineární prostor

označme j = (0, 1) a nazvěme tuto dvojici imaginární jednotkou. Potom libovolnou (x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0) + (0, 1)(y, 0) = x + jy,

Kapitola 11: Vektory a matice:

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

6.1 Vektorový prostor

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

Úvod do lineární algebry

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

8 Matice a determinanty

0.1 Úvod do lineární algebry

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

Základy matematiky pro FEK

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2015

Úvod do kvantového počítání

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Vybrané kapitoly z matematiky

6. Vektorový počet Studijní text. 6. Vektorový počet

Operátory obecně (viz QMCA s. 88) je matematický předpis který, pokud je aplikován na funkci, převádí ji na

Aplikovaná numerická matematika

Bakalářská matematika I

1. OBSAH, METODY A VÝZNAM FYZIKY -

6.1.2 Operace s komplexními čísly

1 Řešení soustav lineárních rovnic

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na disciplíny společného základu (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.

(ne)závislost. α 1 x 1 + α 2 x α n x n. x + ( 1) x Vektoru y = ( 1) y říkáme opačný vektor k vektoru y. x x = 1. x = x = 0.

Chyby měření 210DPSM

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od jara 2016

Učební plán 4. letého studia předmětu matematiky. Učební plán 6. letého studia předmětu matematiky

VEKTORY. Obrázek 1: Jediný vektor. Souřadnice vektoru jsou jeho průměty do souřadných os x a y u dvojrozměrného vektoru, AB = B A

Matematika I, část I Vzájemná poloha lineárních útvarů v E 3

Lineární algebra - I. část (vektory, matice a jejich využití)

Matematika B101MA1, B101MA2

Základy matematiky pro FEK

Aritmetické vektory. Martina Šimůnková. Katedra aplikované matematiky. 16. března 2008

Algoritmus pro hledání vlastních čísel kvaternionových matic

DIGITÁLNÍ ARCHIV VZDĚLÁVACÍCH MATERIÁLŮ

Základy matematiky pro FEK

V: Pro nulový prvek o lineárního prostoru L platí vlastnosti:

Soustavy lineárních rovnic

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

Teorie pravěpodobnosti 1

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) Základy lineárního programování VMAT, IMT 1 / 25

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

1 Determinanty a inverzní matice

0.1 Úvod do matematické analýzy

ALGEBRA. Téma 4: Grupy, okruhy a pole

Regresní analýza. Ekonometrie. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FVL UO Brno kancelář 69a, tel

Operace s maticemi

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od jara 2017

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

Polynomy. Mgr. Veronika Švandová a Mgr. Zdeněk Kříž, Ph. D. 1.1 Teorie Zavedení polynomů Operace s polynomy...

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

VEKTOROVÝ PROSTOR. Vektorový prostor V n je množina všech n-složkových vektorů spolu s operacemi sčítání, odčítání vektorů a reálný násobek vektoru.

Matematika (KMI/PMATE)

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

Aplikovaná matematika I

H = 1 ( ) 1 1. dostaneme bázi označovanou často znaménky plus a minus:

Teorie náhodných matic aneb tak trochu jiná statistika

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Lineární algebra : Polynomy

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od jara 2014

6.2.8 Vlnová funkce. ψ nemá (zatím?) žádný fyzikální smysl, fyzikální smysl má funkce. Předpoklady:

Matice. Předpokládejme, že A = (a ij ) je matice typu m n: diagonálou jsou rovny nule.

Matematická analýza pro informatiky I.

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Derivace funkcí více proměnných

Aplikovaná numerická matematika

[1] x (y z) = (x y) z... (asociativní zákon), x y = y x... (komutativní zákon).

Náhodný vektor a jeho charakteristiky

Matematické metody kvantové mechaniky

Komplexní analýza. Fourierovy řady. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Matematika I (KMI/PMATE)

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

6 Lineární geometrie. 6.1 Lineární variety

14. přednáška. Přímka

Maturitní otázky z předmětu MATEMATIKA

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

MATEMATIKA 5. TŘÍDA. C) Tabulky, grafy, diagramy 1 - Tabulky, doplnění řady čísel podle závislosti 2 - Grafy, jízní řády 3 - Magické čtverce

Komplexní čísla, Kombinatorika, pravděpodobnost a statistika, Posloupnosti a řady

Transkript:

Nástin formální stavby kvantové mechaniky Karel Smolek Ústav technické a experimentální fyziky, ČVUT

Komplexní čísla Pro každé reálné číslo platí, že jeho druhá mocnina je nezáporné číslo. Např. 3 2 = 3 3 = 9, (-3) 2 = (-3) (-3) = 9. Inverzní operace k druhé mocnině, tedy odmocnina, má smysl pouze pro nezáporná čísla. Např. 9 = 3, (-9) nemá smysl, protože neexistuje reálné číslo, jehož druhá mocnina je rovna -9. Z praktických důvodů se v matematice zavedl objekt, tzv. imaginární jednotka i, jehož druhá mocnina se definuje jako -. Platí tedy, že (-) = i. Pro imaginární jednotku i se definuje operace násobení reálným číslem. Výsledek je číslo ryze imaginární, např. 3i, -5i, 6.72i. Komplexní číslo se definuje jako uspořádaná dvojice čísla reálného a ryze imaginárního, zapisuje se jako a+bi. Na množině komplexních čísel se definuje operace sčítání, odčítání a násobení po složkách, tedy: 2/6

Komplexní čísla - pokračování Dělení komplexních čísel: Absolutní hodnota (velikost) komplexního čísla: 3/6

Vektorový prostor Množina prvků, na které je zavedena operace sčítání a násobení prvku číslem (v případě reálných čísel mluvíme o reálném vektorovém prostoru, v případě komplexních čísel o komplexním vektorovém prostoru). Prvky takové množiny nazýváme vektory. Součet dvou vektorů je opět vektor. Číselný násobek vektoru je opět vektor. Příklad: uspořádané dvojice reálných čísel (α,β). Operace sčítání dvou vektorů: Operace násobení vektoru číslem: Grafická reprezentace: prvky v rovině. Vektor z je lineární kombinací vektorů x a y, pokud existují čísla α, β taková, že Dimenze vektorového prostoru je rovna minimálnímu počtu vektorů takových, že všechny ostatní vektory lze vyjádřit jako jejich lineární kombinaci. Existují vektorové prostory s konečnou i nekonečnou dimenzí. Výše uvedený vektorový prostor je příklad prostoru s dimenzí 2. 4/6

Vektorový prostor - pokračování Příklad: množina všech reálných funkcí jedné reálné proměnné s následující operací sčítání a násobení reálným číslem: Uvedený vektorový prostor má nekonečnou dimenzi. 5/6

Popis stavu v klasické mechanice V klasické mechanice je stav objektu charakterizován znalostí všech (vzájemně nezávislých) fyzikálních veličin popisujících vlastnosti zkoumaného objektu. Např. stav bodové plně popisují 3 souřadnice x,y,z polohy a 3 složky rychlosti v x,v y,v z. Každá šestice reálných čísel x,y,z,v x,v y,v z představuje stav bodové. Množina všech stavů představuje konečněrozměrný vektorový prostor. Prostor stavů bodové má dimenzí 6. v x,v y,v z 6/6

Stav v kvantové mechanice V kvantové mechanice je stav objektu plně charakterizován jeho přípravou, tedy návodem na uspořádání a použití přístrojů, součástek a laboratorních zařízení použitých v experimentu se zkoumaným objektem. Mějme zařízení, ze kterého po spuštění vylétne. Pokud zařízení za stejných podmínek spustíme ještě jednou, říkáme, že, která vylétla, je ve stejném stavu jako předchozí. obě jsou ve stejném stavu Často se stav objektu v kvantové fyzice značí speciální závorkou, do které se umístí označení stavu: 7/6

Stav a proces měření v kvantové fyzice Mějme zkoumanou částici v připraveném stavu. Předpokládejme, že provedeme na této částici tzv. opakovatelné měření nějaké veličiny, např. energie není přístrojem pohlcena, přístroj nám ukáže nějakou hodnotu, např. E. Pokud zkoumané částici, která po měření vylétla z přístroje, postavíme do cesty ještě jeden stejný přístroj na měření energie, dostaneme opět stejnou hodnotu energie E. Stejnou hodnotu energie dostaneme v jakémkoli dalším případném měření energie. Ne každé měření je opakovatelné. V principu lze pro danou měřenou vlastnost zkonstruovat měřicí přístroj realizující opakovatelné měření. V dalším textu se budeme zabývat pouze opakovatelnými měřeními. E E E Říkáme, že po výletu z prvního měřicího přístroje je ve stavu s energií E, takový stav označíme. 8/6

Stav a proces měření v kvantové fyzice Po provedení měření energie (naměřili jsme hodnotu E) je objekt ve stavu s energií E. Ale v jakém stavu byl objekt před měřením? Předpokládejme, že vyrobíme několik částic podle stejného receptu, tedy ve stejném stavu. Na těchto částicích provedeme opakovatelné měření nějaké fyzikální veličiny, např. energie. Při vhodné volbě přípravy částic se nám může stát, že pokaždé změříme jinou hodnotu energie. Vícenásobným zopakováním experimentu zjistíme, že naměřené energie nejsou libovolné, ale nabývají pouze některých hodnot (např. pouze dvou E a E 2 ). E E 2 E 2 E 2 E E 9/6

Popis stavu v kvantové mechanice Matematicky je stav kvantového objektu reprezentován prvkem komplexního vektorového prostoru s konečnou či nekonečnou dimenzí. Všechny nenulové komplexní násobky zvoleného vektoru představují týž stav objektu. Stavový prostor bodové na přímce má nekonečnou dimenzi (prostor všech komplexních vlnových funkcí jedné reálné proměnné). Lineární kombinace dvou stavů je opět stav, s využitím předchozího způsobu značení můžeme psát. Koeficienty a a b jsou obecně komplexní čísla. Pokud a představuje dva stavy s energií E a E 2, lineární kombinace těchto stavů představuje reálný stav, který lze vyrobit. /6

Měření prováděné na lineární kombinaci stavů Připravíme částici ve stavu energie. Celý pokus mnohokrát zopakujeme. a provedeme opakovatelné měření Měřicí přístroj nám bude ukazovat rozdílné hodnoty energie. Náhodně se budou střídat hodnoty E a E 2. E E 2 Poměr počtu pokusů s výsledkem E a E 2 bude. /6

Vývoj stavu v kvantové mechanice - shrnutí Pokud objekt neinteraguje s okolním světem (neprobíhá měření), vývoj jeho stavu je spojitý a řídí se Schrödingerovou rovnicí: Pro bodovou částici v poli s potenciálem V: Pokud se objekt nachází ve stavu s určitou hodnotou měřené veličiny, po provedení opakovatelného měření se stav objektu nezmění. Mějme objekt, který se nenachází ve stavu s určitou hodnotou měřené veličiny, ale v lineární superpozici takových stavů. Po provedení opakovatelného měření se stav systému náhodně překlopí do některého ze stavu s určitou hodnotou měřené veličiny. Tomuto procesu říkáme kolaps vlnové funkce. Schrödinger při jednom rozhovoru s Bohrem prý řekl: Jestliže budeme muset jít dál s těmi prokletými kvantovými skoky, pak lituji, že jsem se do toho kdy míchal. Bohr prý odpověděl: Ale my ostatní jsme vám za to velmi vděčni, protože vaše práce udělala pro zdokonalení této teorie mnoho. 2/6

.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8 2 3 4 5 6 -.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8 2 3 4 5 6 -.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8 2 3 4 5 6 -.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8 Stav fotonu za polopropustným zrcadlem Označme stav fotonu, který letí nahoru a stav fotonu, který letí doprava. Předpokládejme, že odražené světlo na polopropustném zrcadle je vůči prošlému světlu fázově zpožděno o čtvrtinu vlnové délky. Stav fotonu, který je zpožděn o čtvrtinu vlnové délky lze vyjádřit jako i násobek původního stavu. D detektor pohlcující plocha 2 polopropustné zrcadlo 2 pohlcující plocha polopropustné zrcadlo D detektor - 2 3 4 5 6 zdroj fotonů zdroj fotonů 3/6

Stav fotonu za polopropustným zrcadlem D detektor polopropustné zrcadlo 2 zdroj fotonů D 2 detektor 2 5% 5% D D 2 Zápis současně. vyjadřuje tu vlastnost, že se foton nachází v obou ramenech 4/6

.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8-2 3 4 5 6.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8.8.6.4.2 -.4 -.6 -.8 Machův-Zehnderův interferometr - opakování 2 3 4 D 2 5 4 D - 2 3 4 5 6 + = - 2 3 4 5 6 detektor - 2 3 4 5 6 Detektor D zaznamená plnou intenzitu (konstruktivní interference obou paprsků). D obyč. zrcadlo 3 4 polopropustné zrcadlo D2 detektor + = - 2 3 4 5 6-2 3 4 5 6 polopropustné zrcadlo 2 zdroj světla 5 obyč. zrcadlo 2 3 4 D2 2 5 4 D2 Detektor D2 nezaznamená žádné světlo (destruktivní interference obou paprsků). 5/6

Stav fotonu v M.-Z. interferometru Označme stav fotonu, který letí nahoru a stav fotonu, který letí doprava. Stav fotonu, který je zpožděn o čtvrtinu vlnové délky lze vyjádřit jako i násobek původního stavu. detektor 2 D 3, 5 obyč. zrcadlo 3 4 polopropustné zrcadlo D2 detektor 4 Stav fotonu za polopropustným zrcadlem 4 je vyjádřen pouze pomocí stavu. Foton tedy zaregistruje pouze detektor D. polopropustné zrcadlo 2 zdroj fotonů 5 obyč. zrcadlo 6/6