¿Fracasa el principio de incertidumbre de Heisenberg en el caso de un rotor rígido bidimensional?

Para una partícula de masa m, confinada al plano xy y experimentando un movimiento circular con distancia fija al origen, r y ángulo polar, θ mantenido constante en 90 , la ecuación de Schrödinger en coordenadas esféricas se simplifica a

2 2 I 2 Ψ φ 2 = mi Ψ

Las soluciones normalizadas de esta ecuación son

Ψ metro = 1 2 π mi i metro φ

dónde metro es un número entero.

Los valores propios devueltos por el L z ^ y L 2 ^ los operadores son

L z ^ Ψ metro = i Ψ metro φ = metro Ψ metro

L 2 ^ Ψ metro = ( L ^ X 2 + L ^ y 2 + L ^ z 2 ) Ψ metro = metro 2 2 Ψ metro

La última ecuación sugiere que la magnitud del momento angular es metro , que, a su vez, es igual a la magnitud de la componente en la dirección z, metro . Sin embargo, ambos valores sólo pueden ser iguales si los componentes en el X y y dirección son ambas iguales a cero, en cuyo caso las tres componentes del momento angular de la partícula están completamente definidas. Pero esto parece violar el principio de incertidumbre del momento angular, que establece que dos componentes ortogonales del momento angular (por ejemplo L X ^ y L y ^ ) no puede ser conocido y medido simultáneamente con precisión arbitraria. Me gustaría saber si hay algo mal con mi razonamiento aquí, y si este ejemplo está incluso correctamente establecido.

"Sin embargo, ambos valores solo pueden ser iguales si los componentes en la dirección x e y son iguales a cero", ¿ por qué? (¡No discuta clásicamente, muéstrelo en mecánica cuántica!)
Soy relativamente nuevo en este campo de la física, por lo que preferiría que me perdonaran los errores que cometí con respecto al formalismo de la mecánica cuántica.
Además, si la ecuación de Schrödinger solo contiene φ , no puedes usar el impulso L 2 . Por decirlo de otro modo, L 2 es básicamente el laplaciano en coordenadas esféricas, pero sus funciones mi i metro φ no son funciones propias del laplaciano.
@ZeroTheHero puedes. Es solo la ecuación en coordenadas cilíndricas después de elegir ψ ( z ) = constante . y quitando el ρ -factor dependiente.
@ACuriousMind le ha dado la respuesta, pero en caso de que ayude a aclararlo: los componentes del momento angular en el X y y las direcciones no se conmutan, por lo que no pueden estar bien definidas al mismo tiempo. Por lo tanto, ciertamente no pueden ser ambos cero.

Respuestas (1)

La magnitud de L no puede ser metro . Al ver esta nota que cuando dices metro a gramo norte i t tu d mi lo que realmente quieres decir es valor propio. Después de todo, en mecánica cuántica lo que medimos en un experimento específico es un valor propio de un operador. Además has asumido que Ψ metro es un autojuego de L . Lo sé porque puedo "probar" su declaración haciendo lo siguiente:

L 2 Ψ metro = L ( L Ψ metro ) = metro L Ψ metro = metro 2 2 Ψ metro

Pero todo esto no puede ser cierto porque significaría que L y L z ambos tenían los mismos autos y por lo tanto deben conmutar. Pero esto no es cierto, [ L , L z ] 0

Pero no es valor propio de la L 2 ^ operador es igual al cuadrado de la magnitud del momento angular de la partícula?
Primero, la magnitud de los vectores no tiene ningún sentido en la mecánica cuántica porque la magnitud requiere que conozcas los tres componentes de los operadores simultáneamente. La magnitud es un concepto clásico. En segundo lugar, el valor propio de L 2 es el cuadrado solo si tienen los mismos autos pero no los tienen. No me creas, escribe qué es L en términos de subir y bajar operadores y L z y tu verás.