Citat:
Ursprungligen postat av
Bara-Robin
...
Jag behärskar matematik mycket väl och speciellt den som berör detta då det är enkel matematik.
Det jag förmedlar i ord kommer naturligtvis från matematik så det är bara att säga till så kan jag formulera precis vad du vill av det jag skrivit med formler.
...
Citat:
Ursprungligen postat av
nerdnerd
...
Bara som ett exempel:
En elektron har spinn upp i z-riktningen, och inga krafter påverkar den. Med en Stern-Gerlach apparat mäter man sen spinnet längs en axel som har vinkeln 30° mot z-axeln. Vad är sannolikheten för att spinnet blir upp? Visa stegen i beräkningen. Svara exakt.
(Hint: Susskind går igenom relevant matte i sin kurs TTM. Rätt svar är lite drygt 93 %, men vad blir det exakt?)
Svar där du iofs skriver upp en massa formler, men tyvärr missar målet. Du kommer inte fram till någon sannolikhet, och du envisas med att felaktigt tala om g-faktor. I en kvantkurs hade detta nog varit en av de enklare frågorna med inte så många poäng, och då är det tveksamt om du hade fått något.
Citat:
Ursprungligen postat av
Bara-Robin
Jag spann vidare på hur G-faktor påverkar istället, vilket blir en otroligt liten siffra. Jag kommer dock inte hela vägen då jag har fastnade innan de riktigt suspekta grejerna där olika energinivåer på spinnriktningen interagerar med andra fält, självinterferens osv. osv.
Men jag blev osäker på om jag använde formlerna rätt, så du som kan, kan kanske kan hjälpa mig?
...
[Mycket mer, men var tvungen att klippa för att mitt inlägg inte skulle överskrida maximalt tillåtna 10000 tecken]
"Häftiga tecken" eller ej har i sig ingen betydelse för hur korrekt innehållet är, men gör ju iaf ett bättre intryck och underlättar för en läsare. Sök på
Unicode. Om du skriver på ett inlägg
(FB) Matteuppgiftstråden (För de som inte vill skapa en egen tråd) får du även tillgång till en massa symboler som du kan spara och kopiera.
En lösning:
Initialt har vi ett upptillstånd mätt i z-riktningen:
|z-upp> = (1;0)
(där semikolon står för radbyte, dvs detta är en kolumnvektor, medan vi låter kommatecken separera elementen i en matris eller vektor-rad).
Mäter vi istället längs en axel med vinkeln θ mot z-axeln, ges upptillståndet t ex av
|θ-upp> = (cos(θ/2);sin(θ/2))
(mer om det nedan).
När vi mäter på initialtillståndet i θ-riktningen blir sannolikheten för upp
s = |<θ-upp|z-upp>|² = |(cos(θ/2),sin(θ/2)) • (1;0)|² = cos²(θ/2) = (cos(θ)+1)/2
vilket för θ=30° ger
s = (cos(30°)+1)/2 = (√3/2 + 1)/2 = (√3 + 2)/4 = 0.93301...
Detta är svaret.
‐‐-----‐--------------
Ang |θ-upp> tänker jag nämna ett par olika sätt att komma fram till det.
1. Heuristiskt. Vi använder vår kunskap om att helt varv i "det vanliga rummet" motsvarar ett halvt varv i spinorrummet. OM förhållandet hade varit 1:1 så hade den sökta spinoren varit (cos(θ);sin(θ)), men nu är det ju som sagt halva vinkeln i spinorrrummet. Alltså har vi att
|θ-upp> = (cos(θ/2);sin(θ/2)).
(Och söker vi efter |θ-ned> så vet vi ju att denna måste vara ortogonal mot |θ-upp>, t ex
|θ-ned> = (-sin(θ/2);cos(θ/2)) ).
2. Lös motsvarande egenvärdesproblem. Låt riktningen (i 3D-rummet) ges av enhetsvektor (
unit vector)
u = (u₁ , u₂ , u₃) = (sin(θ),0,cos(θ).
De tre Paulimatriserna skriver vi som vektorn (Paulivektorn)
σ = (σ₁ , σ₂ , σ₃)
där
σ₁ = (0,1;1,0)
σ₂ = (0,-i;i,0)
σ₃ = (1,0;0,-1).
Den fysikaliska observabeln ges då av operatorn
(ħ/2)σᵤ = (ħ/2)
u•
σ = (ħ/2)(cos(θ),sin(θ);sin(θ),-cos(θ))
och egenvärdesproblemet som ska lösas är
(ħ/2)σᵤ |ψ> = λ |ψ>,
ett enkelt problem om man bara har klarat den första algebrakursen på universitetsnivå. Lösningarna är
|θ-upp> = (cos(θ/2);sin(θ/2))
|θ-ned> = (-sin(θ/2);cos(θ/2))
med egenvärdena λ = ±ħ/2.
-----------------
Mer än så behövs förstås inte för att lösa problemet, men på kul och för att repetera och av intresse, kollade jag ändå upp lite andra sätt för att komma fram till resultatet:
-----------------
3. Använd den rotationsmatris i spinorrummet som motsvarar en rotation med vinkeln θ i 3D-rummet. Detta är väsentligen vad vi gjorde i punkt 1 men nu gör vi det ordentligt. Spinorer är ju en representation av rotationsgruppen i
R³. Så t ex uppfyller (-i/2)σⱼ (där i=√(-1) och j=1,2,3 är index för rumsdimensionerna) samma Liealgebra som generatorerna Lⱼ för rotationer av 3D-vektorer. Dvs
[ (-i/2)σ₁ , (-i/2)σ₂ ] = (-i/2)σ₃
och samma om vi byter indexena cykliskt 1→2→3→1,
där kommutatorn [A,B] definieras av
[A,B] ψ = (A B - B A) ψ
för alla tillstånd ψ. För rotation av en 3D-vektor runt en (normerad) axel
a, med vinkeln θ (i radianer!) moturs, ges rotationsmatrisen av
e^(θ
a•
L),
där e^m för matriser m definieras av den vanliga Taylorutvecklingen
e^m = 1 + m + m²/2! + m³/3! + ...
Motsvarande rotation i spinorrummet ges alltså av
e^(θ
a•(-i/2)
σ).
För att rotera en vektor i x-z-planet måste vi rotera runt y-axeln, dvs
a=(0,1,0) ,
och gör vi det med vinkeln θ blir det alltså
R = e((θ/2) (-i σ₂))
= 1 + (θ/2)(-i σ₂) + (θ/2)²(-i σ₂)²/2! + (θ/2)³(-i σ₂)³/3! + ...
Detta är enklare än det ser ut, eftersom (-i σ₂)ⁿ bara växlar cykliskt fr o m n=0 mellan
(1,0;0,1) , (0,-1;1,0) , (-1,0;0,-1) , (0,1;-1,0) .
Så kollar vi på serien för varje matriskomponent för sig känner vi snabbt igen Taylorutvecklingarna för
cos(θ/2) = 1 - (θ/2)²/2! + (θ/2)⁴/4! - ...
resp
sin(θ/2) = (θ/2) - (θ/2)³/3! + ...
Resultatet för rotationsmatrisen blir
R = (cos(θ/2),-sin(θ/2);sin(θ/2),cos(θ/2)) .
Alltså blir
|θ-upp> = R |z-upp>
= (cos(θ/2),-sin(θ/2);sin(θ/2),cos(θ/2)) • (1;0)
= (cos(θ/2);sin(θ/2)) .
Och så naturligtvis
|θ-ned> = R |z-ned>
= (cos(θ/2),-sin(θ/2);sin(θ/2),cos(θ/2)) • (0;1)
= (-sin(θ/2);cos(θ/2)) .
4 och 5. Samma som 2 resp 3, men inte i x-z-planet utan i ett plan som skär z-axeln med vinkeln φ mot x-z-planet.
4:
u = (sin(θ)cos(φ),sin(θ)sin(φ),cos(θ))
I ö samma sorts räkningar som i 2.
Det är aningen meckigare räkningar i egenvärdesproblemet, men det går iaf att komma fram till egenvektorererna
|θφ-upp> = (cos(θ/2);e^(-iφ)sin(θ/2))
|θφ-ned> = (-sin(θ/2);e^(-iφ)cos(θ/2))
med samma resp egenvärden som förut, med samma svar för sannolikheten.
5:
a måste vara vinkelrät mot både z-axeln och
u, dvs den måste vara parallell till
e₃ ×
u = (0,0,1) × (sin(θ)cos(φ),sin(θ)sin(φ),cos(θ))
= sin(θ) (-sin(φ),cos(φ),0)
så den normerade vektorn blir
a = (-sin(φ),cos(φ),0).
Rotationsmatrisen blir alltså
R = e^((-i θ/2)
a•
σ)
= e^((θ/2)(i sin(φ)σ₁ - i cos(φ)σ₂))
Här har vi att
-i
a•
σ = i sin(φ)σ₁ - i cos(φ)σ₂
= (0,-cos(φ)+i sin(φ);cos(φ)+i sin(φ),0)
= (0,-e^(-iφ);e^(iφ),0)
och när detta tas upphöjt till olika exponenter, växlar det cykliskt mellan
(1,0;1,0) , (0,-e^(-iφ);e^(iφ),0) , (-1,0;-1,0) , (0,e^(-iφ);-e^(iφ),0) .
Kollar vi nu igen på serieutvecklingen för varje matriskomponent för sig finner vi att
R = (cos(θ/2),-e^(-iφ)sin(θ/2);e^(iφ)sin(θ/2),cos(θ/2)) .
När vi roterar |z-upp> får vi alltså
|θφ-upp> = R |z-upp>
= (cos(θ/2),-e^(-iφ)sin(θ/2);e^(iφ)sin(θ/2),cos(θ/2)) • (1;0)
= (cos(θ/2);e^(iφ)sin(θ/2))