Pregunta:
¿Alguien puede proporcionar una intuición física, no matemática, para la fase en una función de onda cuántica?
QuantumFumbler
2020-07-22 03:04:12 UTC
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He leído todos los hilos de StackExchange (y Quora y reddit ...) que puedo encontrar sobre una intuición física para la fase en la función de onda cuántica, y aún sigo Just. No lo hagas. Obtener. Eso. (Sí, he visto este hilo, ¡no ayudó!)

Como punto de partida, he estado viendo esta magnífica visualización de la función de onda cuántica. Según este video, para una partícula en un pozo cuadrado infinito, la "fase" rotará en el plano complejo. Está bien ... ¿qué significa eso físicamente ? Centrémonos solo en la función de onda del estado fundamental. Si no está "girando" en el espacio real (¿verdad?), ¿Qué está cambiando exactamente para hacer que la fase "gire"? Si pudiera "ver" la función de onda con mis ojos, ¿qué vería?

Entiendo el argumento matemático de que la fase no importa: el exponencial complejo se cancela cuando calcula la distribución de probabilidad, etc.

Tal vez mi confusión se deba a un malentendido de qué fase es incluso en la mecánica cuántica. Cuando visualizo la fase, pienso en una onda sinusoidal y cuánto se ha desplazado hacia la izquierda o hacia la derecha (en relación con algún origen). Pero cuando veo esa visualización de la función de onda del estado fundamental, nada se desliza hacia la izquierda o hacia la derecha, la onda no va a ninguna parte. Entonces, ¿qué información codifica la fase aquí? Claramente me falta algo ...

Como antecedente, soy bastante nuevo en física cuántica. Siempre quise entenderlo más allá de las descripciones habituales de "ciencia pop", así que he estado siguiendo las conferencias del MIT OpenCourseware sobre física cuántica. La naturaleza física de esta fase realmente me hace tropezar y todavía no he encontrado ninguna explicación que vaya más allá de "bueno, funciona en matemáticas". ¿O eso es todo: solo un conveniente truco de contabilidad matemática que los físicos guardan porque coincide con las observaciones?

https://physics.stackexchange.com/q/177588/23615 ¿Esto ayuda un poco?
¿Ha leído el librito QED de Feynman?¿O ha observado representaciones de fase como color?
Los comentaristas, tengan en cuenta que los comentarios deben usarse para sugerir mejoras y solicitar aclaraciones sobre la pregunta, no para responder.
Hola @Pieter.Ha pasado un tiempo desde que leí QED, pero recuerdo la discusión sobre los 'pequeños relojes'.Solo me cuesta imaginar lo que son esos pequeños relojes.He visto la fase como visualizaciones de color.Son muy interesantes de ver, pero no entiendo qué está cambiando físicamente en la función de onda, si eso tiene sentido.
@QuantumFumbler puede encontrar lecturas interesantes del 'efecto Aharonov-Bohm' y el 'principio de invariancia de calibre local'.Aunque pueden ser un poco avanzados para usted en esta etapa, supongo que ilustran cómo, aunque la fase de una función de onda no tiene un significado físico, la * fase relativa * sí lo tiene.
Trece respuestas:
tparker
2020-07-22 05:34:13 UTC
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La razón por la que la fase general de una función de onda es difícil de entender es que realmente no es real, en el sentido de que es solo un artefacto de una elección particular de formalismo cuántico y no no aparecen, ni siquiera de forma puramente matemática, en otros formalismos.

En particular, en los formalismos de matriz de densidad y espacio proyectivo de la mecánica cuántica (que son para algunos propósitos más útiles que el formalismo de vector de estado), no tiene la libertad de multiplique el estado general por un factor de fase no observable. En estos formalismos, los estados $ | \ psi \ rangle $ y $ e ^ {i \ theta} | \ psi \ rangle $ están representados literalmente por el mismo objeto matemático exacto (un operador de proyección de rango uno o un rayo proyectivo, respectivamente). Y los estados propios de energía no recogen una fase no observable bajo la evolución del tiempo, sino que permanecen completamente sin cambios.

La razón por la que tiene dificultades para imaginarse la fase general de un estado cuántico es que realmente no hay nada que imaginar.

Entonces, ¿la fase es solo una herramienta que funciona para una forma particular de describir matemáticamente QM?Tendré que echar un vistazo a esos formalismos que mencionas.Quizás ver QM descrito de diferentes maneras me ayudará a entender esto ...
La física usa las matemáticas para describir el mundo físico.En la física newtoniana, las matemáticas establecen una conexión intuitiva con el mundo físico, por lo que parece obvio qué significan la posición, la velocidad y la aceleración.Sin embargo, las matemáticas son una herramienta.Avanzando en la historia, la física acumula matemáticas más abstractas para la descripción.En la física moderna, desde 1900 hasta hoy, las matemáticas son más evidentemente una herramienta.La mecánica cuántica emplea funciones en un espacio complejo para codificar información, a partir de la cual calculamos cantidades físicas.También puede utilizar matrices, etc. para codificar la información.
AilivqqxnmCMT Correcto.
Todo QM es solo un montón de matemáticas que empíricamente parecen describir el mundo.Hay muchas citas que describen esto.Es mejor simplemente sonreír y asentir ... Nadie tiene intuición sobre QM.
Esto me parece un punto de vista muy extraño.Ciertamente entendemos que los subsistemas pueden tener fases relativas.Y a menos que nuestro sistema sea todo el universo, ciertamente entendemos que nuestro sistema podría considerarse un subsistema de un sistema más grande.Por lo tanto, debemos entender que podría tener una fase en su totalidad en relación con algún otro subsistema de un sistema mayor.El hecho de que podamos hacer un juego de manos para alejar la fase global imaginando que nuestro sistema es todo su universo simplemente oscurece estos hechos en lugar de iluminar alguna verdad oculta.
@Xerxes Realmente no entiendo a qué te refieres.Los físicos suelen utilizar el término "subsistema" para referirse a un factor tensorial del espacio completo de Hilbert.Bajo este uso, los subsistemas * no pueden * tener fases relativas.Un sistema espacial * no * tiene ninguna fase "relativa al resto del universo".¿Está utilizando la palabra "subsistema" para referirse a términos individuales dentro de una superposición?Ese es, respetuosamente, un punto de vista mucho más extraño que el mío.
Andrew
2020-07-22 04:55:01 UTC
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Visualización de la fase

Existen diferentes trucos para visualizar la fase. El que insinúa en su respuesta equivale a tomar la parte real (o imaginaria) de la función de onda. Por ejemplo, $ {\ rm Re} [e ^ {i (kx + \ phi_0)}] = \ cos (kx + \ phi_0) $ , que es un sinusoide. La fase determina la ubicación y la distancia entre las crestas y los valles. Otro truco es utilizar el color: si busca en Google "color plano complejo" encontrará muchas imágenes y explicaciones de esta forma de ver esto. Otra visualización más es imaginar una pequeña esfera de reloj en cada punto del espacio, y la posición del minutero en el reloj sigue la fase de la función de onda. Tenga en cuenta que todas estas son simplemente representaciones diferentes y no son "lo que realmente es la fase"; Es útil saber comprender varias formas diferentes de visualizar la fase y utilizar la que sea más conveniente o reveladora en una instancia particular.

Note agregado, gracias al comentario de jgerber : Hay algunas visiones muy agradables aquí: vqm.uni-graz.at

Consecuencia de la fase: interferencia

El hecho de que las amplitudes de probabilidad complejas, en lugar de las probabilidades de valor real, agreguen la mecánica cuántica conduce a efectos de interferencia. Aquí podemos pensar en el clásico experimento de doble rendija.

Clásicamente, la probabilidad de que la partícula pase por una rendija simplemente se suma a la probabilidad de que la partícula pase por la otra rendija. Dado que las probabilidades son positivas, no hay puntos con probabilidad cero en la pantalla que capture las partículas.

Por otro lado, en mecánica cuántica, hay puntos en la pantalla donde la amplitud de probabilidad de pasar por la rendija 1 es $ a $ , y la amplitud de probabilidad para pasar por la rendija 2 difiere en una fase, $ e ^ {i \ pi} a = -a $ , por lo que la suma de las amplitudes de probabilidad es cero y hay probabilidad cero de encontrar la partícula en esta ubicación. En otras ubicaciones de la pantalla, la fase relativa será +1, y las amplitudes de probabilidad se sumarán de manera constructiva, lo que generará una probabilidad "grande" de encontrar la partícula en estas ubicaciones. En general, la fase relativa de la amplitud de probabilidad al pasar por las dos rendijas es lo que determina la forma del patrón de interferencia.

Las variaciones de la fase codifican la información física

En general, la fase de la función de onda $ \ Psi $ aparece en la definición de la "probabilidad actual", $ \ vec {j} \ propto i (\ Psi ^ \ star \ nabla \ Psi - \ Psi \ nabla \ Psi ^ \ star) $ . Un estado que es puramente real tiene una corriente de probabilidad de fuga, que es fácil de ver en la definición. Por lo tanto, tener una fase distinta de cero permite que el estado tenga una corriente distinta de cero y, por lo tanto, permite que el estado cambie.

Podemos darle a esto un significado más directo en algunos casos especiales, donde la fase de la función de onda (o más exactamente la derivada de la fase con respecto a algún parámetro) codifica una cantidad observable. (Esto está relacionado con la idea de las variables de ángulo de acción en la mecánica clásica).

Esto es exactamente cierto cuando aparecen problemas de valor propio para la función de onda $ \ Psi $ de la siguiente forma \ begin {ecuación} yo \ frac {\ parcial \ Psi} {\ parcial z} = \ lambda \ Psi \ end {ecuación} donde $ z $ es algún parámetro y $ \ lambda $ es un valor propio asociado. Tenga en cuenta que si escribimos $ \ Psi = A e ^ {i \ phi} $ , donde $ A $ span > es una constante, entonces la ecuación anterior se puede escribir \ begin {ecuación} - \ frac {\ parcial \ phi} {\ parcial z} = \ lambda \ end {ecuación} Si $ i \ partial / \ partial z $ es un operador y $ \ lambda $ es posible resultado medible de $ \ lambda $ , entonces la ecuación anterior dice que la variación de la fase con respecto a $ z $ nos da el valor observable $ \ lambda $ .

Hay muchos ejemplos de tipos de ecuaciones:

  • Si $ z $ es position , entonces $ \ lambda $ es el impulso ; para estados de onda plana, la derivada de la fase con respecto a la posición es el momento.
  • Si $ z $ es momentum , entonces $ \ lambda $ es la posición .
  • Si $ z $ es hora , entonces $ \ lambda $ es la energía .
  • Si $ z $ es el ángulo azimutal (ángulo en el $ xy $ plano) entonces $ \ lambda $ es el componente del momento angular paralelo al $ z $ eje .

Además, este tipo de ecuación se muestra de forma aproximada en la aproximación WKB. Entonces, hay un tipo similar de relación entre, digamos, la derivada de la fase con respecto a la posición, y el impulso se mantendrá aproximadamente.

Habiendo dicho eso, no se exceda;la interpretación es un poco más difusa para los estados que son superposiciones de autoestados, y no todos los observables tienen la forma $ i \ partial / \ partial z $ .Sin embargo, es útil tener en cuenta esta semilla de intuición cuando se consideran observables más complicados, que tienen funciones propias más complicadas que una onda plana.

TL; DR

  • Hay muchos trucos para visualizar números complejos; aprenda varios.
  • Una fase distinta de cero significa que la función de onda es compleja, que:
    • permite que ocurran fenómenos de interferencia,
    • significa que la corriente de probabilidad no es cero y, por lo tanto, significa que la función de onda puede cambiar con el tiempo.
  • Cuanto "más ondulante" es el estado con respecto a la posición, más impulso tiene.El "contoneo" está codificado en la fase.Existen relaciones similares de "ondulación" entre la energía y el tiempo, y el ángulo y el momento angular.
Los lectores pueden disfrutar de las visualizaciones que se encuentran aquí: https://vqm.uni-graz.at/ y en los libros a los que se hace referencia allí.Estos utilizan el método de mapa de colores para visualizar números complejos, que es, con mucho, mi favorito.Como se señaló en el OP y la buena respuesta de @Andrew,, la visualización no significa que tenga intuición física, pero puede ayudar mucho.Para las funciones de onda espaciales reales de una sola partícula, la fase le dice algo sobre el flujo de la función de onda a través del espacio y para múltiples partículas, la fase está relacionada con los fenómenos de interferencia.
Absolutamente, tener una buena visualización es muy importante.El mensaje principal que quería transmitir es que cualquier visualización es una representación y hay múltiples representaciones posibles, por lo que es mejor aprender muchas de ellas que tratar una como "la verdad".Como a veces se eliminan los comentarios, agregué un enlace al sitio que recomendó a mi respuesta (atribuyéndolo por señalarlo).
Gracias por el enlace a esas visualizaciones, @jgerber.Lamentablemente, las películas no funcionan en ninguno de mis navegadores ni en ninguno de mis dispositivos.Pero encontré este applet que sospecho que tiene visualizaciones similares: https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/bound-states/latest/bound-states.html?simulation=bound-states.Estoy concentrado en tratar de entender solo el estado fundamental en un pozo cuadrado.La fase sigue cambiando de color con el tiempo, mientras que la magnitud en cada ubicación permanece constante.En lo que estoy atrapado es: ¿qué está cambiando físicamente en la ola?No se 'mueve', no gira en el espacio real ...
@Andrew, gracias por la completa respuesta.Me tomará algunas lecturas asimilarlo.Pero, ¿estoy leyendo bien que la fase en una función de onda cuántica no es nada físico sino solo una forma conveniente de codificar información?
@QuantumFumbler "La fase ... es solo una forma conveniente de codificar información". Podría hacer el mismo tipo de observación sobre * cualquier * formulación matemática de la física.Todas nuestras teorías son (típicamente aproximadas) representaciones de alguna realidad subyacente.Sin embargo, * dentro del marco matemático de la mecánica cuántica *, la fase codifica una cantidad * enorme * de información (interferencia, observables ...), y es realmente lo que hace que la mecánica cuántica funcione.
Creo que tal vez una trampa aquí es tratar de conectar la fase de la función de onda directamente a algo con lo que esté más familiarizado por su intuición al tratar con objetos macroscópicos.En última instancia, creo que esto es un error.Nuestros cerebros no han evolucionado para tener las intuiciones adecuadas, lo que no es sorprendente dado que no nos ocupamos de los fenómenos cuánticos todos los días.Creo que básicamente lo mejor que podemos hacer es aceptar que existe esta extraña cantidad llamada fase de la función de onda, que codifica muchas cosas que queremos saber sobre el estado de un sistema.
Filip Milovanović
2020-07-24 00:20:32 UTC
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Si bien el "diablo está en los detalles", como dicen, el concepto en sí es mucho más simple de lo que piensas. Hay dos ideas relacionadas a considerar: una es la fase ( $ \ theta $ - solo un número real), y la otra es un factor de fase ( $ e ^ {i \ theta} $ - un número complejo). Ahora, sé que pediste "intuición física, no matemática", pero lo que creo que quisiste decir es que buscas algo que es más tangible que las ecuaciones abstractas, y no algo necesariamente físico. Así que aquí va.

La fase $ \ theta $ , en un sentido muy general, es realmente solo un ángulo (o, al menos, esa es una forma de pensar en ello, y una que funciona bien con la visualización que ha publicado). Esto no es exactamente lo mismo que la fase general de una función de onda, pero llegaremos allí.

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En la imagen de arriba, ves un punto que gira alrededor del círculo unitario. Aquí, el ángulo $ \ theta $ , también conocido como la fase , aumenta en lo que, por convención, es la dirección positiva. La proyección del punto en cada eje traza la función coseno / seno. Esto también funciona al revés, si combinas las funciones coseno y seno para describir la posición de un punto en el espacio 2D de esta manera particular, obtienes un punto que gira alrededor de un círculo, y esa es básicamente la fórmula de Euler ( $ e ^ {i \ theta} = \ cos \ theta + i \ sin \ theta $ ).

Aparte:

Un número complejo, superficialmente, no es diferente a un vector 2D. En términos generales, lo que distingue a los números complejos son sus propiedades. (cómo se "comportan", es decir, los tipos de operaciones posibles con ellos, lo que hacen, etc.) Por cierto, "real" e "imaginario" son solo etiquetas, como x & y, y no tienen ningún significado especial con respecto a la realidad de cosas.

Si multiplica un número complejo por un escalar, puede, bueno, escalar a cualquier tamaño. En otras palabras, estableciendo la fase (el ángulo, también conocido como el argumento) en algún valor fijo, y al escalar, puede obtener cualquier número complejo cualquiera (versión exponencial de la forma polar: $ z = Ae ^ {i \ theta} $ , con $ A $ siendo la magnitud (el factor de escala)).

Lo más interesante es lo que sucede en la multiplicación compleja; más específicamente, cuando multiplica por otro número complejo que es de unidad longitud (es decir, por uno que se encuentra en el círculo unitario), que tiene el ángulo (argumento) $ \ theta $ . Tal multiplicación da como resultado una rotación de el primer número complejo por $ \ theta $ .

En la visualización que ha publicado, hay esencialmente una "cadena" de números complejos colocados a lo largo de una línea, que describen una función de onda en el espacio 1D. Es decir, el "espacio base" es 1D, pero a cada punto hay un número complejo adjunto.

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(Tenga en cuenta que hay un número infinito de estas flechas, pero como es difícil de representar, se muestra una selección de flechas representativas).

En este punto, hay dos tipos de fases de las que podemos hablar: la fase de cada número complejo individual y la fase general de la función de onda. En cuanto a los números complejos en sí, en este caso todos están en fase (tienen el mismo ángulo). La fase de la función de onda es simplemente la "rotación" general de toda la función de onda alrededor del eje central; aquí está en una fase diferente:

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"Centrémonos solo en la función de onda del estado fundamental. Si no" gira "en el espacio real (¿no?), ¿qué está cambiando exactamente para hacer que la fase" gire "? Si pudiera" ver "la función de onda con mis ojos, ¿qué vería? "

No gira en el espacio real. En cambio, puede pensarlo así: cada punto en el espacio tiene un valor complejo que se le atribuye. Has visto este tipo de cosas antes. Por ejemplo, con la temperatura, cada punto del espacio tiene un solo número real adjunto, que describe la temperatura en ese punto; y estos valores cambian con el tiempo. Con un campo gravitacional, cada punto en el espacio tiene un vector adjunto. Este es el mismo concepto básico, excepto que se trata de números complejos, y la forma en que evolucionan en el tiempo en todo ese espacio es "como una onda" en algún sentido (formal e informal). Para "ver" la función de onda en el espacio 3D "con sus propios ojos", tendría que tener la capacidad sensorial para detectar / juzgar / estimar de forma independiente el tamaño de los dos componentes del número complejo en cada punto del espacio 3D. Imagina que en cada punto hay un pequeño trozo de papel con el plano complejo representado y una pequeña flecha dibujada. O, quizás, una pequeña pantalla digital que muestra una cuadrícula en 2D con un número complejo dibujado en ella, que se puede actualizar en tiempo real. La visualización a la que se vinculó se limita al espacio físico 1D y esencialmente utiliza las otras dos dimensiones para representar el plano complejo en cada punto. Está rotando al hacer que todas estas flechas (números complejos) roten sincronizadas; imagina que las pequeñas pantallas se actualizan sincronizadas. Para una situación más complicada, habría una relación más complicada entre las flechas; p. ej., las pantallas podrían actualizarse con algún patrón ondulado.

Aquí tienes otra captura de pantalla del video que publicaste. La función de onda azul es la superposición de las otras dos; eso solo significa que las flechas roja y verde se suman (casi como vectores) en cada punto, para formar las flechas azules. Supongo que ya entiendes esto, pero solo para mayor claridad, el estado cuántico son solo las funciones de onda azules (no hay tres conjuntos de flechas girando, los otros dos solo se muestran como los "bloques de construcción" del azul uno).

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Cuando el narrador dice "cuando los fasores están en fase", solo quiere decir que las flechas de los dos componentes independientes tienen, en alguna región, aproximadamente el mismo ángulo y apuntan en la misma dirección, por lo que suman un flecha grande apuntando en esa misma dirección.

Pero, la función de onda en sí misma no le da la probabilidad, su cuadrado sí. Y eso es lo que nos interesa físicamente. Está representado en el video por la superficie verde sólida (es la probabilidad asociada con la función de onda azul (superpuesta)):

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La probabilidad en sí misma en cualquier punto es solo un número real; esta superficie verde en 3D es solo una ayuda de visualización. La probabilidad es realmente la distancia entre la superficie y el eje central (es decir, el radio de la sección transversal en un punto dado, por eso es axialmente simétrico).

Ahora, como saben, lo que pasa con la fase general (de la función de onda) es que no afecta la probabilidad. Si congelas el tiempo y rotas todo, la distribución de probabilidad (la forma de esta superficie verde sólida) no cambia en absoluto (es decir, las relaciones relativas permanecen fijas, simplemente estás girando el eje, como si todo fuera pegado a un palo que haces girar entre tus dedos). Por eso la fase absoluta no tiene sentido. En cierto sentido, es solo un artefacto del formalismo matemático particular utilizado.

Aparte:
A veces, una descripción matemática de algo puede ser útil y puede tener propiedades deseables, pero aún puede brindarle más de lo que necesitar. Por ejemplo, puede utilizar el formalismo matemático de vectores para describir direcciones en el espacio - son flechas, después todas. Sin embargo, muchos vectores describen la misma dirección, p. Ej. $ (1, 0, 0) $ y $ (5, 0, 0) $ , y cualquier $ s (1, 0, 0) $ span >, siendo $ s $ la escala factor. Entonces podría decir que $ s $ no hace una diferencia para la noción de una dirección. Pero si necesita hacer cosas como la suma de vectores (para combinar direcciones por alguna razón), debe tener cuidado con $ s $ o puede obtener resultados incorrectos, es lo que los ingenieros de software llamarían una "abstracción con fugas".

El "movimiento" de ida y vuelta de la distribución de probabilidad ocurre porque la relación relativa de las funciones de onda constituyentes (rojo y verde) cambia con el tiempo (porque están rotando a diferentes velocidades), por lo que la forma general de la superposición (azul ) la función de onda cambia y, a su vez, también lo hace su cuadrado. En otras palabras, se debe a que las fases generales de las funciones de onda roja y verde cambian de forma independiente, a diferentes velocidades, por lo que la forma de la distribución de probabilidad depende de la diferencia en las fases generales de las dos.

"Tal vez mi confusión se deba a un malentendido de qué fase es incluso en la mecánica cuántica. Cuando visualizo la fase, pienso en una onda sinusoidal y cuánto se ha desplazado hacia la izquierda o hacia la derecha (en relación con algún origen). "

Yo diría que ese es el meollo del problema; la fase no es cuánto se desplaza hacia la izquierda o hacia la derecha, aunque a menudo puede verse así. La fase es la rotación general en el sentido discutido anteriormente. Si ignora la evolución del tiempo (tiempo de parada), puede describir la fase (general) eligiendo un valor de la función de onda en algún punto para que sirva como referencia. Si luego cambia la fase, puede obtener la diferencia de fase comparando el desplazamiento angular del fasor en el mismo punto. Esto funciona bien cuando tiene una función de onda "ondulada". De esa manera, puede hablar sobre la fase con respecto a alguna orientación de referencia.

Aquí hay una situación más complicada; esta es la versión cuántica de la onda plana, y realmente no se puede notar la diferencia entre un cambio de fase general (rotación de la forma general) y la propagación de onda con solo mirarla:

enter image description here

La razón es que su fórmula matemática es la siguiente (el signo menos es una cuestión de convención y no es importante):

$$ \ Psi (r, t) = Ae ^ {i (f (\ vec {r}) - g (t))} $$

con, $ f (\ vec {r}) $ que le da la fase "local" del fasor en el punto $ \ vec r $ (su orientación en $ t = 0 $ ) y $ g (t ) $ que proporciona una compensación basada en el tiempo a partir de eso (ambas son funciones de valor real). El $ - g (t) $ esencialmente funciona compensando las fases de cada fasor individual de un valor "inicial" dado por $ f (\ vec {r}) $ para $ \ vec {r} $ (un punto particular en el espacio).

Sé que esto puede resultar confuso, pero, de nuevo, una forma de pensarlo es que el cambio de fase general es lo que sucede si congela el tiempo y gira la función de onda general alrededor de su eje y luego "reanuda la reproducción". Es una cosa matemática, una peculiaridad del formalismo matemático, en lugar de algo de importancia física. De forma aislada, una función de onda con una fase diferente no es técnicamente (matemáticamente) la misma función, pero es el mismo estado físico el que le da la misma distribución de probabilidad; hay una redundancia en la descripción matemática.

Aparte: la versión más estándar de la fórmula anterior es
$$ \ Psi (r, t) = Ae ^ {i (\ vec {k} \ vec {r} - \ omega t)} $$

Finalmente, permítanme terminar volviendo a la idea de un factor de fase.Un cambio en la fase general en el caso anterior se puede describir así: simplemente rote todo en algún ángulo $ \ alpha $ :

$$ Ae ^ {i (f (\ vec {r}) - g (t) + \ alpha)} $$

Ahora, debido a las propiedades de exponenciación, esto es lo mismo que

$$ e ^ {i \ alpha} Ae ^ {i (f (\ vec {r}) - g (t))} $$

En otras palabras, rotar todo por $ \ alpha $ es lo mismo que multiplicar por un número complejo de longitud unitaria $ e ^ {i \ alpha} $ (llamado factor de fase).Es solo otra forma de escribir cosas, una que explota las propiedades de la multiplicación compleja.

Esta es una explicación realmente maravillosa y paciente, gracias.Mucha comida para pensar aquí.Nunca me di cuenta de que una rotación de fase acaba pareciendo una propagación de la onda, por ejemplo.Tengo la sensación de que estaré leyendo esto un par de veces más ...
Nikodem
2020-07-22 05:19:01 UTC
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Me encantan las imágenes del libro de Feynman "QED: La extraña teoría de la luz y la materia".Allí, la fase de una función de onda que viaja a través del espacio se representa como un reloj con una manecilla en movimiento: cuando la manecilla da una vuelta completa, corresponde a $ 2 \ pi $ dela fase compleja.

Esto se puede utilizar fácilmente para explicar el efecto de la interferencia: diferentes caminos entre A y B conducen a diferentes tiempos de viaje y, por lo tanto, a diferentes posiciones finales de la manecilla del reloj.Ahora, las manecillas obtenidas de todos los caminos se agregan como vectores (¡las manecillas del reloj parecen flechas!).Los ángulos similares se suman constructivamente, los ángulos opuestos se suman destructivamente.

El libro contiene muchos más ejemplos basados en esta brillante idea de visualización.

Ha pasado un tiempo desde que leí QED, pero recuerdo esa descripción.¡Es un Feynman maravilloso, simple y clásico!Tengo problemas para imaginarme qué es físicamente el reloj, aunque al leer otras respuestas, sospecho que es solo una conveniencia matemática y no algo "real".
Por supuesto, los relojes no son reales.Simplemente visualizan la fase cambiante a lo largo de un camino.Finalmente, en lugar de sumar números complejos, uno trata aquí con vectores (representados por manecillas de reloj).
@QuantumFumbler Pero nada es "real", según tengo entendido que está utilizando la palabra.No tienes acceso directo para observar lo que realmente está haciendo el universo.Todo lo que puede hacer es interpretar las interacciones de un sistema cuántico (su cerebro) con otros sistemas cuánticos (todo lo demás).Su cerebro ha evolucionado para comprender algunas de esas interacciones de forma intuitiva, pero eso no las hace más reales.
@QuantumFumblern: Por supuesto que la fase es real.Distribuya la función de onda a lo largo de una pista circular.Si el cambio en los relojes alrededor de una órbita no es un múltiplo de $ 2 \ pi $, no se observa el impulso correspondiente.(Escuché que esto se reduce a lo impreciso "o las fases interfieren para dar una probabilidad neta cero o están en fase y dan una probabilidad positiva"). La fase fuerza una condición de consistencia en sistemas con "bucles" (más precisamente, homotopía no trivial).No es necesario que los bucles estén en el espacio, por ejemplo, [cristal de tiempo] (https://en.wikipedia.org/wiki/Time_crystal).
Tfovid
2020-07-22 17:06:58 UTC
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Ya que solicitó intuición no matemática para la fase, diría que una onda clásica es de hecho una buena analogía excepto por el hecho de que la fase global --- a diferencia de la fase relativa --- entre dos modos es completamente indeterminado. Fenómenos como la interferencia entre dos modos se explican por completo visualizándolos como ondas clásicas que se suman o se cancelan, con la única salvedad de que no es posible determinar el punto de partida del "meneo" para cualquiera de los modos individuales.

Considere, por ejemplo, un interferómetro Mach-Zehnder en el que solo se alimenta un único fotón en uno de los modos. Antes de entrar en el primer divisor de haz, se desconoce su fase (global). Sin embargo, tan pronto como se deslocaliza después del primer divisor de haz, la fase relativa entre los dos brazos del interferómetro está bien definida y tiene en cuenta en qué modo de salida es probable que vuelva a emerger el fotón.

Como simple ejercicio, podría intentar calcular cómo se obtienen las mediciones sin interacción. Verá que la imagen de onda clásica es perfectamente adecuada para explicar lo que sucede entre los dos divisores de haz, incluida la visualización precisa de la fase relativa, pero no dice nada sobre la global fuera del interferómetro.

EDIT:

En pocas palabras, si los dos brazos del interferómetro forman los dos modos, puede comenzar con un fotón en un solo modo, es decir, el estado de entrada podría ser $ e ^ {i \ theta} \ mid10 \ rangle $ donde $ \ theta $ es la fase global (desconocida). Después del primer divisor de haz 50/50, terminamos con un fotón "deslocalizado" $ \ frac {1} {\ sqrt {2}} \ left (\ mid10 \ rangle + e ^ {i \ phi} \ mid01 \ rangle \ right) $ donde $ \ phi $ es la fase relativa entre dos brazos. Después de pasar el segundo divisor de haz 50/50, obtienes una probabilidad de $ \ frac {1} {2} \ left (1+ \ cos \ phi \ right) $ span>, de ahí el patrón de interferencia "discretizado" entre los dos modos modulados por $ \ phi $ . Como puede ver, en ninguna parte de esta discusión ha entrado la fase global, y esa es la principal diferencia con las ondas clásicas. (La adición de un obstáculo en uno de los brazos, como en el experimento sin interacción, es solo un escenario adicional para comprender mejor el concepto de fase).

¿Podría esbozar con más detalle cómo hacer (y cómo leer su interpretación) ese ejercicio propuesto?
@benjimin He agregado una edición arriba.(Para obtener la derivación completa, puede encontrar ecuaciones sobre cómo funcionan los divisores de haz en la mayoría de los libros de texto de introducción a la óptica cuántica). La conclusión es que solo la fase relativa es físicamente observable y puede dar lugar a interferencias.La fase global, aunque obvia desde la mecánica clásica, es irrelevante, y me atrevería a decir, incognoscible.
Creo que has dado con lo que sospecho que es mi principal obstáculo: sigo imaginando una ola clásica, como una ola en una cuerda, y trato de asignarla a QM.Pero parece que las ondas QM, aunque tienen algo en común con las ondas clásicas, son simplemente una bestia completamente diferente.Tendré que tomarme un tiempo y profundizar un poco más en el interferómetro M-Z, gracias por esa referencia.
@QuantumFumbler La primera parte de este video aborda la noción de fase cuántica y su relación con la complejidad de la función de onda: [https://www.youtube.com/watch?v=V5kgruUjVBs].La visualización del minuto 4:21 también fue un momento aha para mí.
Charles Francis
2020-07-30 01:18:06 UTC
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La respuesta corta es no. Nadie puede dar una intuición física para el significado de fase, porque no tiene significado físico. Para aclarar esto, puede ser útil reconocer que la función de onda de un estado de onda plana en la mecánica cuántica no es simplemente una onda sinusoidal. Es una hélice en el plano complejo.

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Cuando la hélice gira (como lo hace con la evolución del tiempo), las ondas aparentes de las partes reales e imaginarias parecen moverse como ondas. Pero la rotación no tiene lugar en el espacio físico. Tiene lugar solo matemáticamente en un espacio de configuración complejo, y la posición angular absoluta de la hélice no tiene significado físico.

Las funciones de onda se denominan mejor amplitudes de probabilidad. No son reales, pero forman parte del cálculo de probabilidades de resultados de medición. La razón por la que los necesitamos está profundamente enterrada en los fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica y no se trata en los cursos de pregrado (o incluso en la mayoría de los cursos de posgrado) de teoría cuántica, que se ocupan de aplicaciones, no de fundamentos conceptuales. Son soluciones de la ecuación de Schrodinger, y se puede demostrar que la forma general de la ecuación de Schrodinger se requiere en una teoría de probabilidad para procesos indeterminados, a diferencia de la teoría de probabilidad clásica en la que los resultados están determinados por variables desconocidas.

(figura de Las matemáticas de la gravedad y los cuantos)

¿Sabes de dónde es esa figura?Me encantaría profundizar un poco en ese texto.
La cifra era de mi tercer libro.He añadido un enlace.Este es un tratamiento matemático riguroso.Mi segundo libro (ver perfil) tiene la misma figura, y da un tratamiento conceptual, sin matemáticas.
user21820
2020-07-22 13:16:26 UTC
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Además de lo que Andrew ya dijo, quiero agregar que no se puede esperar tener una intuición humana sobre cada concepto, cantidad o propiedad físicamente significativa.Por ejemplo, no se puede tener intuición humana sobre los estados energéticos de un electrón en un átomo de hidrógeno;simplemente se sale de las matemáticas.Dicho esto, puede pensar en la fase de una función de onda como análoga a la fase del vector de campo eléctrico en la descripción clásica de un haz de luz.Está ahí, y puede rotar con el tiempo (como en la luz polarizada circularmente), y se puede observar usando detectores que están diseñados específicamente para reaccionar de manera diferente a diferentes polarizaciones (como un filtro polarizador seguido de un detector de luz).

Tim Crosby
2020-07-22 22:50:31 UTC
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Entiendo el argumento matemático de que la fase no importa: el exponencial complejo se cancela cuando calcula la distribución de probabilidad, etc.

Esto no siempre es cierto, como ha visto en este hilo, cuando la partícula está en superposición de dos o más funciones de onda.

Tal vez mi confusión se deba a un malentendido de qué fase es incluso en la mecánica cuántica. Cuando visualizo la fase, pienso en una onda sinusoidal y cuánto se ha desplazado hacia la izquierda o hacia la derecha (en relación con algún origen). Entonces, ¿qué información codifica la fase aquí? Claramente me falta algo ...

Este cambio también se puede determinar para un $ e ^ {- i (kx - \ omega t)} $ que es independiente de la parte imaginaria y puede utilizarse para calcular la velocidad de grupo y la velocidad de fase de la función de onda. Y como muchos otros han dicho que el significado físico de la fase no es tan importante, incluso algunas funciones de onda son imaginarias, la parte más importante es el significado físico que representan.

Neil_UK
2020-07-23 16:52:03 UTC
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Eso se debe a que la fase absoluta no es físicamente significativa.

Solo adquiere algún significado cuando se compara con una referencia, otro camino que también tiene una fase, por ejemplo, otro camino de un divisor de haz, o reflejado desde un límite.Entonces, los dos caminos pueden interferir, constructiva o destructivamente, según lo dicte su diferencia de fase.

Nat
2020-07-23 19:53:25 UTC
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tl; dr Puedes pensar en cómo los sonidos se pueden combinar para formar sonidos más fuertes o cancelar. Que los sonidos se agreguen o cancelen depende de su fase.

La fase es un concepto matemático más general. Aparece en todo tipo de cosas más allá de la mecánica cuántica, p. Ej. sonidos, corriente eléctrica y ondas de radio. Probablemente sea más fácil entender el concepto en sí mismo fuera de la mecánica cuántica.

Ejemplo: la fase determina si las ondas sonoras se agregan o cancelan.

Supongamos que configura un micrófono que escucha los sonidos y luego los reproduce al mismo volumen en un altavoz. ¿Esto da como resultado sonidos más fuertes o cancelación de ruido?

¡Depende de la fase !:

  • Si las ondas sonoras están alineadas para alcanzar un máximo, los sonidos se sumarán.

  • Si las ondas sonoras tienen sus picos en oposición, tenderán a anularse. Así es como funciona la cancelación activa de ruido.

Algunas observaciones ...

Contrariamente a las descripciones anteriores, las ondas sonoras en realidad no tienen fases en un sentido absoluto. Podemos hablar de ondas sonoras como si tuvieran fases como una forma de pensar en ellas.

Si optamos por pensar que dos conjuntos de ondas sonoras tienen fases, entonces lo importante es que consideramos correctamente sus fases entre sí. Pero si elegimos decir que uno está en la fase predeterminada mientras que el otro está en una anti-fase o algo así, sería bastante arbitrario.

Las ondas sonoras fueron probablemente el ejemplo más simple. Una vez que se sienta cómodo con las fases con respecto a ellas, la siguiente analogía a considerar podría ser corriente eléctrica alterna (electricidad CA), p. Ej. en sistemas eléctricos trifásicos.

En cuanto a las matemáticas, probablemente sea mejor comenzar por aprender sobre la transformada de Fourier. La esencia es redescribir cosas en señales repetidas de diferentes frecuencias (a menudo descritas como el dominio de frecuencia ). En términos sencillos, esto básicamente significa que en lugar de describir directamente el valor de una función, describimos la función como un montón de ondas que se suman a ese valor. Por ejemplo, en lugar de describir un sonido en términos de su presión en un momento dado en cada punto del espacio, podríamos describirlo como una suma de varias ondas sonoras con sus propias frecuencias y amplitudes.

En cuanto a la conexión con la mecánica cuántica, todo volvería al experimento de la doble rendija:

El experimento pertenece a una clase general de experimentos de "doble camino", en los que una onda se divide en dos ondas separadas que luego se combinan en una sola onda. Los cambios en la longitud de la trayectoria de ambas ondas dan como resultado un cambio de fase, lo que crea un patrón de interferencia.

- " Experimento de doble rendija ", Wikipedia

Uno podría haber esperado que las fuentes de luz se sumaran, algo así como se podría suponer que agregar más sonido siempre crea un ruido más fuerte (en lugar de cancelación de ruido), pero históricamente se sorprendieron por el patrón de interferencia que implicaba mucho mecánica ondulatoria, con una conexión con el concepto de fase como en la cita anterior.

En resumen ...

Cuando se combinan, las ondas se pueden agregar o cancelar. Añaden cuando comparten en gran medida la misma fase, mientras que pueden cancelar si están en fase antifásica.

Entonces, " fase " describe cómo una ola interactuará con otras cuando se combine.

Pieter
2020-07-23 22:37:35 UTC
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El PO aclaró:

Ha pasado un tiempo desde que leí QED, pero recuerdo la discusión sobre los 'pequeños relojes'. Me cuesta imaginar lo que son esos pequeños relojes. He visto la fase como visualizaciones de color. Son muy interesantes de ver, pero no entiendo qué está cambiando físicamente en la función de onda, si eso tiene sentido.

Me gustó la forma en que Feynman lo explica. No tengo el libro aquí, pero según recuerdo, explica que los diales son solo una forma de describir el comportamiento de las partículas en el mundo cuántico. No hay forma de decir lo que esos pequeños relojes "son en realidad". Feynman eligió deliberadamente una representación muy poco física. En el video que el OP vinculado a estas flechas está girando. Es difícil hacer películas de este tipo y me resulta difícil verlas.

De la misma manera, no se puede decir qué está "cambiando físicamente" en las visualizaciones de color. Es mucho más fácil hacer este tipo de películas y también pueden ayudar a crear intuiciones sobre el comportamiento de las funciones de onda.

Ambas visualizaciones representan el factor de fase $ e ^ {iEt / \ hbar} $ pero eso también es solo una descripción matemática de lo que se observa: difracción e interferencia . La observación empírica es que las partículas se comportan como ondas a escala cuántica, pueden interferir destructivamente. No estamos acostumbrados a eso en nuestra experiencia diaria. Por eso la mecánica cuántica es extraña.

116PУC
2020-07-24 01:34:36 UTC
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Considere las paradojas de Zeno a la luz del experimento mental de Einstein de los dos relámpagos que chocan contra un tren. Las "paradojas" muestran que realmente no podemos hablar de objetos fuera del contexto de observación y los problemas que surgen si postulamos la existencia de un objeto fuera del marco de referencia del observador y, por lo tanto, no sujeto a la mecánica de la percepción.

Para comprender los objetos percibidos debemos entender cómo funciona la percepción porque todo lo que pensamos como un objeto real está incluido en el alcance de la percepción, se percibe y está absolutamente sujeto a su mecánica.

Las paradojas de Zeno se dan en términos de lo que se ve o se percibe, como una raza vista a simple vista. Cuando observamos una carrera en la que un objeto que se mueve rápido pasa [adelanta] a un objeto que se mueve más lento en algún momento, no podemos decir quién está adelante, pero después de ese punto se percibe que el objeto que se mueve más rápido está adelante, la medición es una cuestión de precisión pero también es un acto de observación.

Según tengo entendido, la función de onda es un modelo predictivo que describe un colapso de la función que se percibirá en lugar de un estado no percibido de un objeto.

my2cts
2020-08-01 01:28:40 UTC
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La respuesta corta es que nadie lo sabe realmente.Para comprender lo que significa físicamente la pahse, se requeriría una comprensión física detallada de la función de onda, es decir, de la mecánica cuántica.Por desgracia, no se sabe por qué las partículas puntuales como los electrones se describen, de manera probabilística, mediante funciones de onda complejas.Solo entendemos la fase en términos de función de onda.Si eso es suficiente para usted, las respuestas anteriores deberían ser suficientes.



Esta pregunta y respuesta fue traducida automáticamente del idioma inglés.El contenido original está disponible en stackexchange, a quien agradecemos la licencia cc by-sa 4.0 bajo la que se distribuye.
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