O przestrzeniach wektorowych nieskończenie wymiarowych – jak działa mechanika kwantowa

Funkcja falowa stanowi wektor w nieskończenie wymiarowej przestrzeni Hilberta – mówią książki o mechanice kwantowej. Ale że o co chodzi?

Ostrzegam, będzie trudno. Mechanika kwantowa jest dziwną i skomplikowaną nauką. Książki popularnonaukowe zazwyczaj pomijają kwestie matematyczne na zasadzie “i tak nie zrozumiecie”. Teksty naukowe obfitują za to w dziwaczne znaczki, których nikt poza matematykami i fizykami nie rozumie.

Lukę tę wypełnia “Mechanika Kwantowa. Teoretyczne Minimum” sławnego fizyka Leonarda Susskinda i Arta Friedemana. Tłumaczenie zaczynają oni od spinu.

Nie wiemy, czym jest spin (i się nie dowiemy), ale wyobraźmy sobie instrument pomiarowy, który go mierzy. Ustawiamy go w osi pionowej, powiedzmy z, i odczytujemy wynik +1 (w górę) bądź –1 (w dół). Mierzymy kilka razy, wychodzi to samo. Następnie zmieniamy oś o 90°, przeprowadzamy pomiar w kierunku poziomym x i wychodzi znów +1 (prawo) albo –1 (lewo). Jeśli w pierwszym pomiarze otrzymaliśmy +1, w drugim –1, to może nasz spin jest wektorem skierowanym ukośnie w prawo i do góry? Zmierzmy go jeszcze raz w osi z. Wyjdzie +1, prawda? Tak, w połowie przypadków. W drugich 50% będzie skierowany w dół. Możemy projektować doświadczenie rozmaicie, kręcić przyrządem w górę, w dół, do przodu, tyłu i na boki (a nawet w kierunek, gdzie mieszkają smoki), ale wynik każdego nowego pomiaru jest nieprzewidywalny, choć możliwe wyniki pojawiają się ze stałym, dobrze określonym prawdopodobieństwem.

Tak absurdalne wyniki tłumaczyć może tylko wyjątkowo absurdalna teoria i nie mniej dziwaczna matematyka. Żeby ją wytłumaczyć, zastanówmy się, co wiemy o wektorach.

Opiera się na nich cała fizyka. Wektorami są prędkość, siła, przyspieszenie. To takie jakby strzałki danej długości skierowane w pewnym kierunku. A teraz pomyślmy, co można zrobić z taką strzałką.

Na pewno wektory można dodać, rysując nową strzałkę na końcu w poprzedniej. Możemy dodać wektor zerowy, który nic nie zmienia, do każdego wektora można dodać wektor przeciwny (strzałkę w drugą stronę – otrzymamy wektor zerowy), ostateczny wynik dodawania kilku wektorów nie zależy od ich grupowania ich w nawiasy, a nawet kolejności. (Kto zna matematykę na poziomie troszkę wyższym niż matura, rozpozna tu aksjomaty grupy przemiennej).

Dalej można pomnożyć wektor przez skalar, czyli liczbę (najlepiej rzeczywistą bądź z innego nieskończonego zbioru liczb umożliwiającego dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie, czyli z ciała), co opisują aksjomaty mnożenia, także przez 1 (nic nie zmienia) i dwie regułki przemienności mnożenia względem dodawania, czy to liczb, czy wektorów. Takie połączenie grupy z ciałem nazywamy przestrzenią wektorową.

Każda taka przestrzeń ma pewną bazę wektorów jednostkowych, z których składamy inne (nie muszą one być do siebie prostopadłe, ale to znacznie upraszcza liczenie). Już w szkole przypisujemy wektorom współrzędne. Jak otrzymać wektor (3,5)? Wektor jednostkowy w kierunku x mnożymy przez 3, wektor jednostkowy w kierunku y i mnożymy przez 5 i dodajemy je do siebie (czyli rysujemy kolejny na końcu poprzedniego). Każdy wektor przestrzeni wektorowej można rozłożyć na sumę pomnożonych przez pewne skalary wektorów bazy.

A czy wektory można mnożyć przez siebie? Tak, niestety na przynajmniej 3 sposoby. Rozważymy tu tylko najprostszy (co nie znaczy: prosty): iloczyn skalarny.

Pamiętamy ze szkoły, że praca to iloczyn siły i drogi, na której ona działa (przemieszczenia). I siła, i przemieszczenie są wektorami. To ważne: pracę wywołuje tylko siła działająca wzdłuż przemieszczenia. To właśnie iloczyn skalarny wektorów. W razie dwóch wektorów równoległych mnożymy ich długości przez siebie, w przypadku prostopadłych iloczyn wynosi 0, w przypadku wszystkich innych wektorów rozkładamy je na wektory równoległe i prostopadłe. Dzięki trygonometrii jest to równoważne pomnożeniu przez siebie ich współrzędnych wzdłuż każdej osi (x z x, y z y itd.) i dodanie ich do siebie (można to w miarę łatwo wyprowadzić, a jeśli komu się nie chce, pozostaje mu wierzyć mi na słowo). Zauważmy jeszcze, że tak zdefiniowany iloczyn skalarny wektora z nim samym (x2+y2) jest kwadratem jego długości.

Iloczyn skalarny: mnożymy długość pierwszego wektora (b) przez długość rzutu drugiego wektora (czyli długość cienia a padający na b)

To teraz pożegnajmy szkolną matematykę (nie obiecywałem, że będzie łatwo). Generalnie za wektor uważać można cokolwiek, co spełnia podane wyżej aksjomaty przestrzeni wektorowej, niezależnie, czym właściwie jest.

Przestrzeń wektorową wyposażoną w iloczyn skalarny nazywamy przestrzenią unitarną. Przestrzeń Hilberta ma jeszcze jedną zabawkę więcej (z której – miejmy dla siebie litość – nie będziemy tu korzystać).

Stan badanego układu w mechanice kwantowej uważa się za pewien wektor (w tym drugim, nie w szkolnym znaczeniu). W przypadku spinu przestrzeń wektorowa jest dwuwymiarowa z dwoma prostopadłymi (fizycy mówią ortogonalnymi) wektorami bazowymi odpowiadającymi możliwym wynikom pomiaru (spin w górę, spin w dół), które możemy nazwać – z braku lepszego pomysłu – górnym i dolnym. Stan układu wyraża się wektorem otrzymywanym z pomnożenia obu tych wektorów bazowych przez pewne współczynniki (fizycy mówią amplitudy) i dodaniu (jak w szkolnej matematyce).

Współczynniki te próbowano wyrażać liczbami rzeczywistymi, ale rachunki nie szły. Okazało się, że trzeba użyć szerszego ciała liczb zespolonych, tworzonego z ciała liczb rzeczywistych rozszerzonego o jedną liczbę i taką, że jej kwadrat wynosi –1 (przypomnijmy: ciało oznacza, że możemy ją dodawać, odejmować, mnożyć i dzielić przez liczby rzeczywiste). Wbrew pozorom to znacznie upraszcza rachunki. Trzeba tu trochę zmodyfikować iloczyn skalarny. Dla liczby zespolonej x+yi moduł, czyli odległość od zera, wyraża się wzorem x2 + y2, co otrzymamy mnożąc tą liczbę przez x–yi (czyli przez jej sprzężenie zespolone). Fizycy mają zwyczaju zapisywać ten w miarę prosty wzór dziwną konstrukcją zwaną bracket (po angielsku nawias), określając lewą stronę zapisu bra, a prawą ket (fizycy nie lubią uczyć się nazw na pamięć).

Po prawej stronie tego hieroglifu mamy wektor wyrażający pierwotny stan pierwotny. Proces pomiaru danej wartości odpowiada pełnemu operatorów, czyli tabelce z liczbami, które trzeba przemnożyć przez współrzędne danego wektora. Przykładowo wektor górny musi mieć współrzędne (1,0), a procesowi pomiaru spinów w kierunku z odpowiada tabelka 2 na 2 z kolejnych wartościach 1, 0, 0, –1 (fizycy mówią tu o macierzach Pauliego).

Jeżeli chcemy (musimy?) policzyć prawdopodobieństwo otrzymania danego stanu, odpowiadający mu wektor wpisujemy w lewą stronę, czyli bra, następnie piszemy zmodyfikowany przez operator wektor stanu ket i liczymy sobie iloczyn wektorowy. (Na przykład wektor w prawo ma współrzędne (1/√2,1/√2). (Jeżeli ktoś powziął postanowienie poświąteczne zarobić się na śmierć, może przypomnieć sobie lub sprawdzić w Internecie mnożenie macierzy i policzyć sobie sam, wszystkim pozostałym proponuję ponownie uwierzyć na słowo). W ten sposób otrzymujemy prawdopodobieństwo danego wyniku.

Sytuacja komplikuje się, jeśli chcemy określić nie spin, którego wynik przyjmuje dwie możliwości, ale położenie czy prędkość cząstki, które mogą przyjmować nieskończenie wiele różnych wartości.

Dwa możliwe wyniki wartości spinu oznaczają dwa wektory bazowe. Analogicznie nieskończenie wiele wyników położenia oznacza nieskończenie wiele wektorów bazowych rozpinających przestrzeń Hilberta. Każdemu z nich, odpowiadającemu pewnej liczbie rzeczywistej, przypisujemy pewną wartość (wspórzędną wektora w tym kierunku). Te właśnie wartości opisuje sławna funkcja falowa.

Prawdopodobieństwo liczymy na tej samej zasadzie. Sprzężony wektor bra, operator działający na wektor ket. Z tym, że sumę skończonej liczby wartości zmieniamy na sumę z nieskończonej ich liczby, czyli całkę funkcji falowej.

W tym wypadku jednak mówienie o funkcjach, a nie o wektorach, brzmi znacznie bardziej intuicyjnie (o ile cokolwiek w mechanice kwantowej może być w ogóle zgodne z intuicją). Chociaż nie trzeba wybitnej wiedzy matematycznej, by sprawdzić, że rozpatrywane funkcje spełniają aksjomaty przestrzeni wektorowych.

Może się to wydawać dziwne, ale działa. Dowodem tego działania jest telefon czy komputer, na którym Państwo to czytacie. W mechanice kwantowej naprawdę nie ma żadnej magii. Jest głównie ciężka matematyka.

Marcin Nowak

Bibliografia

  • Leonard Susskind, Art Friedeman: Mechanika Kwantowa. Teoretyczne minimum. Co musisz wiedzieć, żeby zacząć zajmować się fizyką. Prószyński i S-ka. Warszawa 2014 / 2016
Reklama