Hamiltonsches Prinzip der stationären Wirkung nur aus der Unitarität in der Quantenmechanik ableiten?

In dieser Frage möchte ich eine Ableitung von Hamiltons Prinzip der stationären Wirkung geben, und meine Frage an die Community wäre, ob mein Argument fehlerhaft ist . Das System, das ich betrachten möchte, ist (der Einfachheit halber) ein Teilchen, das sich in einer Dimension bewegt, also kann ich an diesem Teilchen seine Position x beobachten. Für eine quantenmechanische Behandlung gehe ich davon aus, dass sich das System in einer Überlagerung vieler Zustände befinden wird, und daher ist der Weg zu gehen:

Annahme : Das Beobachtbare X wird durch einen Operator repräsentiert X ^ Einwirken auf einen geeigneten Hilbert-Raum über den komplexen Zahlen. Ein Zustand des Systems ist ein Vektor (dessen Norm ist 1 ) in diesem Hilbert-Raum und seine Zerlegung in Eigenzustände des Operators X ^ gibt die Wahrscheinlichkeiten für die Messung der Eigenwerte des Operators an.

Auch eine Vermutung? Da bin ich mir nicht sicher: Da wir die Wahrscheinlichkeit beibehalten wollen, benötigen wir die zeitliche Evolution des Operators X ^ einheitlich sein: X ^ ˙ = ich [ H ^ ( T ) , X ^ ] , mit einem noch zu bestimmenden Operator H ^ . Ich bin mir nicht sicher, ob dies eine Annahme ist oder nicht, da die Gesamtwahrscheinlichkeit erhalten bleiben muss. Da ich hiermit behaupte, dass Zustände in der Zeit stationär sind, während Operatoren Zeitentwicklung erfahren, bin ich im Heisenberg-Bild, Operatoren bewegen sich in der Zeit, Zustände nicht.

Definition einer anderen Observablen (die sich später als ähnliche Eigenschaften dessen herausstellen wird, was wir gewöhnlich „Impuls“ nennen): Gegeben die Observable X ^ ( T ) , wir definieren F ^ als Generator von Übersetzungen von X , was bedeutet, dass es zu jeder Zeit das halten sollte [ X ^ , F ^ ] = ich Und F ^ ˙ = ich [ H ^ ( T ) , F ^ ] .

Nach dieser Definition F erzeugt infinitesimale c-Zahl-Variationen von X : X ^ ' ( T ) = X ^ ( T ) + δ X ( T ) = X ^ ( T ) + ich [ F ^ ( T ) δ X ( T ) , X ^ ( T ) ] . Gleichzeitig, X ^ ( T ) wird der Generator von infinitesimalen c-Zahl-Variationen von sein F ^ . Wir können schreiben H ^ ( T ) = H ~ ^ ( X ^ , F ^ , T ) (Ohne noch eine explizite Formel anzugeben, könnte die Abhängigkeit überhaupt keine Abhängigkeit sein).

Nun nehme ich eine Variation der Menge an X ^ ˙ F ^ H ~ ^ ( X ^ , F ^ ) . Damit meine ich

δ L = ( X ^ + δ X ) ˙ ( F ^ + δ F ) H ~ ^ ( X ^ + δ X , F ^ + δ F ) ( X ^ ˙ F ^ H ~ ^ ( X ^ , F ^ ) )
Einige Berechnungen durchführen und verwenden H ~ ^ ( X ^ + δ X , F ^ ) H ~ ^ ( X ^ , F ^ ) = δ X F ^ ˙ (und das gleiche für F ), kommen wir zu:
δ L ^ ( T ) = δ X ˙ F ^ + δ X F ^ ˙ = D D T ( δ X F ^ )

Wählen δ X ( T 1 ) = δ X ( T 2 ) = 0 , kommen wir zu:

T 1 T 2 δ L ( T ) = δ X ( T 2 ) F ^ ( T 2 ) δ X ( T 1 ) P ^ ( T 1 ) = 0
Oder in seiner vollständigen Form geschrieben:
δ T 1 T 2 X ^ ˙ F ^ H ~ ^ ( X ^ , F ^ ) = 0
Wo δ bedeutet Variation der Operatoren X ^ Und F ^ durch c-Zahl Vielfache von 1 , und die Variation von X ^ soll zeitweise 0 sein T 1 Und T 2 . Das ist genau das Prinzip der stationären Aktion mit einer noch unbekannten Menge F innen.

Dann mit H ~ ^ F ^ = ich [ H ~ ^ , X ^ ] = X ^ ˙ , kann man eine Legendre-Transformation durchführen F X ˙ , und gelangt zum gleichen Prinzip, aber formuliert für eine Lagrange-Funktion, die von abhängt X , X ˙ , und (mögliche) höhere Ableitungen.
Ist eines dieser Argumente ungültig? Habe ich weitere Annahmen als die hier aufgeführten getroffen?

Es gibt kein „Quantenwirkungsprinzip“ im üblichen Sinne. Es kann jedoch durch Feynmans Pfadintegralformulierung der Quantenmechanik gezeigt werden, dass der Pfad der stationären Aktion die anderen möglichen Pfade dominiert.
Sie können die Schrödinger-Gleichung aus der Galileischen Gruppe + Unitarität (Ballentine Kap.3) ableiten, dann die Pfadintegralformulierung daraus ableiten und dann das Hamilton-Prinzip als ℏ→0 erhalten.

Antworten (1)

Für mich liegt der Fehler in der Definition Ihres Lagranges L ^ = X ^ ˙ P ^ H ~ ^ .

Nach Ihrer Definition L ^ ist ein Operator. Was genau meinst du mit Minimieren? [Zu diesem Zweck müssten Sie einen oder mehrere Quantenzustände einführen und zB den Erwartungswert minimieren.] Eine andere Möglichkeit, diesen Fehler zu sehen, besteht darin, zu fragen, was Sie mit zB meinen X ^ ˙ ? Auf dem Schrödinger-Bild X ^ (Und P ^ ) sind zeitunabhängige Operatoren, also wäre die Zeitableitung null. Auch hier kommt die Dynamik (und damit die zeitliche Ableitung) erst mit den Quantenzuständen ins Spiel ψ ( X , T ) .

Der Standardweg, um die Quantenmechanik mit dem Prinzip der kleinsten Wirkung zu verbinden, ist über das Pfadintegral von Feynman. Seine Ableitung erfordert in der Tat die einheitliche Zeitentwicklung plus die kanonischen Kommutierungsbeziehungen von X ^ Und P ^ , mit dem Unterschied, dass Sie die Wahrscheinlichkeitsamplitude für den Übergang eines bestimmten Anfangszustands berechnen | ich > in einen bestimmten Endzustand | F > . Sie erhalten das gewünschte Wirkungsintegral, allerdings in einem wellenförmigen Exponenten, dh exp [ ich S ] . Und hier liegt die Essenz der Quantenmechanik: Sie verbieten dem System nicht, Wege weg von der geringsten Aktion zu erkunden, sondern die wellenartige Natur von exp [ ich S ] unterdrückt diese Pfade durch destruktive Interferenz.

Denken Sie als Beispiel an das Standardproblem eines Teilchens in einem endlichen rechteckigen 1d-Well: Angenommen, das Teilchen hat Energie E kleiner als die Tiefe des Brunnens v 0 . Dann könnte das Partikel klassischerweise nicht herauskommen, daher sollte seine Flugbahn (gegeben durch das Prinzip der kleinsten Wirkung) unabhängig von der Tiefe des Brunnens gleich sein (solange E < v 0 Natürlich). Quantenmechanisch wissen wir jedoch, dass die Tiefe des Brunnens die Energieeigenzustände beeinflusst . Es muss also eine Möglichkeit für das Quantenteilchen geben, die klassisch verbotene Zone außerhalb des Brunnens zu erkunden, und dies ist in den Zuständen codiert, nicht in den Operatoren.

Das Aktionsprinzip erfordert X ^ ˙ P ^ H ^ stationär sein in Bezug auf Variationen von X ^ Und P ^ . In dieser Form kann dies auch für Operatoren gelten. X ^ ˙ . Und ich meine die zeitliche Ableitung des Operators, da ich hier im Heisenberg-Bild bin. Ich werde meinen vorherigen Beitrag bearbeiten, um dies klarer hervorzuheben.
Entschuldigung, ich habe Ihren Kommentar nicht gesehen, seit ich meine Antwort bearbeitet habe. Auch hier kommt man selbst im Heisenberg-Bild nicht allein mit Operatoren davon. Denken Sie an mein Beispiel des Quantenbrunnens: Im Heisenberg-Bild geht die Zeitabhängigkeit zu den Operatoren, aber Sie brauchen die Zustände [die nur die Lösung dessen sind, was gewöhnlich als zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung bezeichnet wird] Ansonsten alle Sie Get ist etwas Bohr Sommerfeld-ähnlicher Formalismus.
Ich glaube, ich habe noch etwas anderes entdeckt: Sie sagen, dass "einige Berechnungen anstellen und verwenden H ~ ^ ( X ^ + δ X , P ^ ) H ~ ^ ( X ^ , P ^ ) = δ X P ˙ ^ ...". Wie leiten Sie dies ab, ohne die klassische Hamilton-Gleichung zu verwenden? H X = P ˙ ? Denken Sie daran, dass die Hamilton-Gleichungen von den Euler-Lagrange-Gleichungen abgeleitet sind, die aus dem Prinzip der kleinsten Aktion folgen. Wenn Sie sie also hier verwenden, würde Ihr Argument zirkulär werden.
Was meinst du mit "Ich komme nicht allein mit Operatoren davon"? Ich verstehe den letzten Teil Ihrer Antwort nicht. Und ich kenne den Feynman Path Integral Formalism, aber darum geht es in meiner Frage nicht. Im Heisenberg-Bild gehorchen auch die Operatoren (als Operatoren!) dem Prinzip der stationären Wirkung, und ich möchte dies aus meinen Annahmen ableiten.
Zu Ihrer letzten Sorge: Ich habe definiert P ^ ( T ) wie es diese Gleichung erfüllt. (Ich habe es als den Operator definiert, für den die kanonische Kommutierungsrelation immer gilt, ich kann es leicht definieren, ebenso wie die Funktion, die dieser Gleichung gehorcht). Wir können jetzt darüber diskutieren, ob dies eine Definition oder eine Annahme ist, aber ich persönlich würde sagen, dass es eine Definition ist, weil ich durch die Definition keine weiteren Annahmen über die zeitliche Entwicklung von mache X ^ . Auch wenn ich davon ausgehe, wäre es kein Zirkelschluss. Es ist falsch zu sagen, dass die Hamilton-Gleichungen auf der Lagrange-Formulierung beruhen.
Hamiltons Gleichungen sind eine Neuformulierung des Lagrange-Formalismus, en.wikipedia.org/wiki/Hamiltonian_mechanics#As_a_reformulation_of_Lagrangian_mechanics. Sie können sie also nicht verwenden, wenn Sie beweisen wollen, dass das Prinzip der kleinsten Wirkung aus der Quantenmechanik folgt. Außerdem kann man nicht einfach "definieren" P ^ ( T ) so dass es Ihre Differentialgleichung erfüllt. Erinnern P ^ ( T ) ist bereits als die Heisenberg-Version zB des konventionellen Impulsoperators definiert, da Sie wollen, dass er die kanonischen Kommutierungsbeziehungen erfüllt. Man kann Dinge nicht zweimal definieren!
Natürlich kann man sagen: „Der Formalismus von Lagrange ist der Ausgangspunkt Ihrer Theorie“. Aber man kann auch sagen "Hamiltons Formalismus ist der Ausgangspunkt Ihrer Theorie". Sie können einen beliebigen Satz von Annahmen wählen, solange er die Ergebnisse reproduziert. Man kann also auch den Lagrange-Formalismus aus dem Hamilton-Formalismus ableiten. Und ich denke immer noch, dass ich eine beliebige Funktion mit beliebigen Eigenschaften definieren kann. Und ich kann es nennen P nachher. Und dann kann ich sehen, dass es auf magische Weise alle Eigenschaften hat, die ich vom Omentum erwarte.
Nein, der Quantenoperator hat diese Eigenschaften nicht „magisch“! Ich bezweifle ernsthaft, dass die Quantenoperatoren dem Prinzip der kleinsten Wirkung folgen würden. Für Schrödinger ops habe ich ausdrücklich gezeigt, dass dies nicht der Fall ist. Für Heisenberg-Operationen können Sie dies sehen, indem Sie die Tatsache anerkennen, dass die Heisenberg-Operationen für jeden Zustand in einem gegebenen Problem gleich sind , dh auch für Quantenzustände, die sehr weit von den klassischen Trajektorien entfernt sind. Wie ich schon sagte, fehlt Ihrem Gedankengang physikalisch der Quantenzustand. Mathematisch nehmen Sie Dinge "per Definition" an, die einfach nicht wahr sind.
Wenn Sie möchten, kann ich den Operator geben P einen anderen Namen und nenne es F. Es ändert nichts an der Mathematik. Und es ändert nichts am Endergebnis. Und Operatoren folgen einem stationären Wirkprinzip. Nachschlagen kann man es zum Beispiel in Dysons "Advanced Quantum Mechanics, 4.4.1 "The Field Equations", oder Manoukians "Quantum Field Theory I".(4.3.27), oder in "Schwingers Quantum Action Principle". Natürlich Schrödinger Ops nicht. Aber ich verstehe nicht, warum Heisenberg Ops das nicht tun sollte. Wenn Sie wollen, die Entwicklung von P ist eine zusätzliche Annahme. An der Begründung ändert das nichts.
Auch wenn ich keines dieser Bücher besitze, glaube ich zu verstehen, worauf Sie hinauswollen. Zwar gehorchen in der QFT die Feldoperatoren den klassischen Bewegungsgleichungen, die aus einem Prinzip der kleinsten Wirkung folgen. Die Feldoperatoren in QFT sind lineare Kombinationen der zugrunde liegenden harmonischen Oszillatoroperationen, ϕ ( X , T ) P A P e X P [ ich ( ω T P X ) ] + H . C . Sie wollen dies also auf die gewöhnliche Quantenmechanik "entverallgemeinern", indem Sie sagen, Sie arbeiten an einem einfachen harmonischen Oszillator und X ( T ) A ( T ) + A + ( T ) Und P ( T ) = T X ?
Ja. Obwohl ich nicht wusste, dass ich dafür den harmonischen Oszillator brauche. Wenn sich beispielsweise mein System nach dem Hamiltonian verhält (ich werde hier keine Hüte verwenden, ich meine immer noch Operatoren) H ( X , P ) = P 2 2 M + v ( X ) , dann werden die Heisenberg-Bewegungsgleichungen zu X ˙ = P M , Und P ˙ = v X . Diese erfüllen das Prinzip ebenfalls (als Operatoren).