¿Derivar el principio de acción estacionaria de Hamilton solo a partir de la unitaridad en la mecánica cuántica?

En esta pregunta, quiero dar una derivación del principio de acción estacionaria de Hamilton, y mi pregunta a la comunidad sería si mi argumento es defectuoso . El sistema que quiero ver es (por simplicidad) una partícula que se mueve en 1 dimensión, así que lo que puedo observar sobre esta partícula es su posición, x. Para un Tratamiento Mecánico Cuántico, asumo que el Sistema estará en superposición de muchos estados, y por lo tanto el camino a seguir es:

Suposición : Lo observable X está representado por un operador X ^ actuando sobre un espacio de Hilbert adecuado sobre los números complejos. Un estado del sistema es un vector (cuya norma es 1 ) en este espacio de Hilbert, y su descomposición en estados propios del operador X ^ dará las probabilidades de medir los valores propios del operador.

¿También una suposición? No estoy seguro de eso: como queremos que se conserve la propabilidad, requerimos la evolución temporal del Operador X ^ ser unitario: X ^ ˙ = i [ H ^ ( t ) , X ^ ] , con un operador aún por determinar H ^ . No estoy seguro de si esto es una suposición o no, porque la probabilidad general debe conservarse. Dado que aquí afirmo que los estados son estacionarios en el tiempo, mientras que los operadores experimentan la evolución temporal, estoy en la imagen de Heisenberg, los operadores se mueven en el tiempo, los estados no.

Definición de otro observable (que luego resultará tener propiedades similares a lo que solemos llamar "momentum"): Dado el observable X ^ ( t ) , definimos F ^ como generador de traducciones de X , lo que significa que debe mantenerse en cada momento que [ X ^ , F ^ ] = i y F ^ ˙ = i [ H ^ ( t ) , F ^ ] .

Por esa definición, F generará variaciones infinitesimales del número c de X : X ^ ( t ) = X ^ ( t ) + d X ( t ) = X ^ ( t ) + i [ F ^ ( t ) d X ( t ) , X ^ ( t ) ] . Al mismo tiempo, X ^ ( t ) será el generador de variaciones infinitesimales del número c de F ^ . Podemos escribir H ^ ( t ) = H ~ ^ ( X ^ , F ^ , t ) (sin dar una fórmula explícita todavía, la dependencia podría no ser dependencia en absoluto).

Ahora asumo una variación de la cantidad X ^ ˙ F ^ H ~ ^ ( X ^ , F ^ ) . Con eso quiero decir

d L = ( X ^ + d X ) ˙ ( F ^ + d F ) H ~ ^ ( X ^ + d X , F ^ + d F ) ( X ^ ˙ F ^ H ~ ^ ( X ^ , F ^ ) )
Haciendo algunos cálculos y usando H ~ ^ ( X ^ + d X , F ^ ) H ~ ^ ( X ^ , F ^ ) = d X F ^ ˙ (y lo mismo para F ), llegamos a:
d L ^ ( t ) = d X ˙ F ^ + d X F ^ ˙ = d d t ( d X F ^ )

Elegir d X ( t 1 ) = d X ( t 2 ) = 0 , llegamos a:

t 1 t 2 d L ( t ) = d X ( t 2 ) F ^ ( t 2 ) d X ( t 1 ) PAG ^ ( t 1 ) = 0
O escrito en su forma completa:
d t 1 t 2 X ^ ˙ F ^ H ~ ^ ( X ^ , F ^ ) = 0
Dónde d significa variación de los operadores X ^ y F ^ por número c múltiplos de 1 , y la variación de X ^ se supone que es 0 en los tiempos t 1 y t 2 . Que es exactamente el principio de acción estacionaria con una cantidad aún desconocida F adentro.

Luego usando H ~ ^ F ^ = i [ H ~ ^ , X ^ ] = X ^ ˙ , uno puede realizar una Transformación de Legendre F X ˙ , y llega al mismo principio, pero formulado para una función de Lagrange que depende de X , X ˙ , y (posibles) derivaciones superiores.
¿Alguno de estos argumentos es inválido? ¿Hice otras suposiciones como las que se enumeran aquí?

No existe un "principio de acción cuántica" en el sentido habitual. Sin embargo, se puede demostrar a través de la formulación integral de la mecánica cuántica de Feynman que el camino de la acción estacionaria dominará sobre los otros caminos posibles.
Puede derivar la ecuación de Schrödinger a partir del grupo de Galileo + unitaridad (Ballentine Cap.3), luego derivar la formulación de la integral de trayectoria a partir de eso y luego obtener el principio de Hamilton como ℏ→0.

Respuestas (1)

Para mí, la falla radica en la definición misma de su lagrangiano L ^ = X ^ ˙ PAG ^ H ~ ^ .

Según tu definición, L ^ es un operador. Entonces, ¿a qué te refieres exactamente con minimizarlo? [Para este propósito, tendría que introducir uno o varios estados cuánticos y minimizar, por ejemplo, el valor esperado]. Otra forma de ver este defecto es preguntar qué quiere decir, por ejemplo, con X ^ ˙ ? En el cuadro de Schrödinger, X ^ (y PAG ^ ) son operadores independientes del tiempo, por lo que la derivada del tiempo sería cero. Nuevamente, la dinámica (y por lo tanto la derivada del tiempo) solo viene con los estados cuánticos ψ ( X , t ) .

La forma estándar de conectar la mecánica cuántica con el principio de acción mínima es a través de la integral de trayectoria de Feynman. De hecho, su derivación requiere una evolución temporal unitaria más las relaciones canónicas de conmutación de X ^ y PAG ^ , la diferencia es que calcula la amplitud de probabilidad para la transición de un estado inicial específico | i > a un estado final específico | F > . Terminas con la integral de acción deseada, sin embargo, en un exponente de onda, es decir Exp [ i S ] . Y aquí es donde radica la esencia de la mecánica cuántica: no se prohíbe al sistema explorar caminos que se alejen de la mínima acción, pero la naturaleza ondulatoria de Exp [ i S ] suprime esos caminos por interferencia destructiva.

Como ejemplo, piense en el problema estándar de una partícula en un pozo 1d rectangular finito: suponga que la partícula tiene energía mi menor que la profundidad del pozo V 0 . Entonces, clásicamente la partícula no podía salir, por lo que su trayectoria (dada por el principio de acción mínima) debería ser la misma independientemente de la profundidad del pozo (siempre y cuando mi < V 0 por supuesto). Mecánicamente cuánticamente, sabemos, sin embargo, que la profundidad del pozo afecta los estados propios de energía. Por lo tanto, debe haber alguna forma para que la partícula cuántica explore la zona clásicamente prohibida fuera del pozo, y esto está codificado en los estados, no en los operadores.

El principio de acción requiere X ^ ˙ PAG ^ H ^ ser estacionario con respecto a las variaciones de X ^ y PAG ^ . De esa forma, esto también puede ser válido para los operadores. X ^ ˙ . Y me refiero a la derivada temporal del operador, ya que estoy en la imagen de Heisenberg aquí. Haré ediciones en mi publicación anterior, para señalar esto más claro.
Lo siento, no he visto tu comentario desde que estaba editando mi respuesta. Nuevamente, incluso en la imagen de Heisenberg, no se saldrá con la suya solo con los operadores. Piense en mi ejemplo del pozo cuántico: en la imagen de Heisenberg, la dependencia del tiempo va a los operadores, pero necesitará los estados [que son solo la solución de lo que generalmente se llama la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo]. De lo contrario, todo lo que necesita obtener es un poco de Bohr Sommerfeld como el formalismo.
Creo que vi algo más: afirmas que "haciendo algunos cálculos y usando H ~ ^ ( X ^ + d X , PAG ^ ) H ~ ^ ( X ^ , PAG ^ ) = d X PAG ˙ ^ ...". ¿Cómo se obtiene esto sin usar la ecuación clásica de Hamilton? H X = PAG ˙ ? Recuerde que las ecuaciones de Hamilton se derivan de las ecuaciones de Euler-Lagrange que se derivan del principio de acción mínima, por lo que usarlas aquí haría circular su argumento.
¿Qué quiere decir con "No me saldré con los operadores solo"? No entiendo la última parte de tu respuesta. Y sé sobre el formalismo integral de la ruta de Feynman, pero no es de eso de lo que trata mi pregunta. En The Heisenberg Picture, los operadores también obedecen el principio de acción estacionaria (¡como operadores!), y me gustaría derivar esto de las suposiciones que he hecho.
A su última preocupación: definí PAG ^ ( t ) la forma en que satisface esta ecuación. (Lo definí como el Operador para el cual siempre se cumple la relación de conmutación canónica, puedo definirlo fácilmente así como la función que obedece a esta ecuación). Ahora podemos discutir si esto es una definición o una suposición, pero personalmente diría que es una definición, porque al definirla no hago más suposiciones sobre la evolución temporal de X ^ . Incluso si asumo esto, no sería un argumento circular. Es incorrecto decir que las ecuaciones de Hamilton se basan en la formulación lagrangiana.
Las ecuaciones de Hamilton son una reformulación del formalismo de Lagrange, en.wikipedia.org/wiki/Hamiltonian_mechanics#As_a_reformulation_of_Lagrangian_mechanics. Por lo tanto, no puede usarlos si desea probar que el principio de acción mínima se deriva de la mecánica cuántica. Además, no se puede simplemente "definir" PAG ^ ( t ) tal que satisfaga su eq diferencial. Recordar PAG ^ ( t ) ya está definido como la versión de Heisenberg de, por ejemplo, el operador de momento convencional, ya que desea que satisfaga las relaciones canónicas de conmutación. ¡No puedes definir las cosas dos veces!
Por supuesto que puedes decir "El formalismo de Lagrange es el punto de partida de tu teoría". Pero también puede decir "el formalismo de Hamilton es el punto de partida de su teoría". Puede elegir un conjunto arbitrario de suposiciones, siempre que reproduzca los resultados. Entonces también puedes derivar el formalismo lagrangiano del formalismo hamiltoniano. Y sigo pensando que puedo definir una función abitrary, teniendo propiedades abitrary. Y puedo llamarlo PAG después. Y luego puedo ver que, mágicamente, tiene todas las propiedades que espero que tenga el epiplón.
¡No, el operador cuántico no tiene "mágicamente" esas propiedades! Dudo seriamente que los operadores cuánticos sigan un principio de acción mínima. Para las operaciones de Schrödinger, he demostrado explícitamente que este no es el caso. Para operaciones de Heisenberg, puede ver esto reconociendo el hecho de que las operaciones de Heisenberg son las mismas para cualquier estado en un problema dado, es decir, también para estados cuánticos que están muy lejos de las trayectorias clásicas. Como dije, físicamente, su línea de pensamiento carece del estado cuántico. Matemáticamente, supones cosas "por definición" que simplemente no son ciertas.
Si quieres te puedo dar el Operador PAG otro nombre, y llámalo F. No cambiará nada sobre las matemáticas. Y no cambiará nada sobre el resultado final. Y los operadores siguen un principio de acción estacionario. Puede buscarlo, por ejemplo, en Dysons "Advanced Quantum Mechanics, 4.4.1" The Field Equations", o Manoukians "Quantum Field Theory I". (4.3.27), o en "Schwingers Quantum Action principie". Por supuesto, Schrödinger ops no. Pero no veo por qué Heisenberg Ops no debería hacerlo. Si quieres, la evolución de PAG es una suposición adicional. Eso no cambia el razonamiento.
Incluso si no tengo ninguno de estos libros, creo que puedo ver adónde quieres llegar. Es cierto que en QFT los operadores de campo obedecen a las ecuaciones clásicas de movimiento que se derivan de un principio de acción mínima. Los operadores de campo en QFT son combinaciones lineales de las operaciones subyacentes del oscilador armónico, ϕ ( X , t ) pag a pag mi X pag [ i ( ω t pag X ) ] + h . C . Así que quiere "no generalizar" esto a la mecánica cuántica ordinaria, diciendo que trabaja en un oscilador armónico simple y X ( t ) a ( t ) + a + ( t ) y PAG ( t ) = t X ?
Sí. Aunque no sabía que necesitaba el oscilador armónico para hacer eso. Si, por ejemplo, mi sistema se comporta de acuerdo con el hamiltoniano (no usaré sombreros aquí, todavía me refiero a operadores) H ( X , PAG ) = PAG 2 2 metro + V ( X ) , entonces las ecuaciones de movimiento de Heisenberg se convertirán en X ˙ = PAG metro , y PAG ˙ = V X . Esos también satisfacen el principio (como Operadores).