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[quote="Myon"]Messungen werden durch [i]hermitesche[/i] Operatoren beschrieben. Die eingangs genannte Ableitung d/dt zum Beispiel ist ein Operator, aber dieser Operator ist nicht hermitesch, ihm ist also keine Messgrösse zugeordnet.[/quote]
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Troika
Verfasst am: 21. Jul 2025 20:31
Titel:
Hallo Aruna.
Ich denke schon, dass ich es verstanden habe und TomS gibt mir ja im Prinzip Recht, wenn er schreibt:
„Wichtig: Der Zustandsvektor ist sozusagen der "Träger der Eigenschaften" eines physikalischen Systems; ein hermitescher Operator ist eine Rechenvorschrift, die es erlaubt, diese Eigenschaften zu aus dem Zustandsvektor berechnen, z.B. Erwartungswerte für Messungen einer Messgröße.“
Mein Interesse war zunächst nur eine reine Begriffsbestimmung und wenn ich recht sehe, gilt:
Der
Zustandsvektor
repräsentiert den physikalischen Zustand des Systems, zB. die Energie und ist damit etwas Substanzielles.
Der
Eigenwert
repräsentiert die numerische Größe des Vektors und ist damit etwas Akzidentielles.
Der
Operator
repräsentiert den Prozess einer Zustandsänderung und ist damit etwas Strukturelles.
Dann dürfte das „2. Axiome der Quantentheorie“ nicht lauten:
„Eine physikalische Größe A wird repräsentiert durch einen Operator in H …“
sondern:
Die
Änderung
einer physikalischen Größe (des Zustandes) wird repräsentiert durch einen Operator A in H …“
Du schreibst:
„Dann kommen Physiker und finden die von der Mathematik abstrakt dargestellten Strukturen in der physikalischen Welt wieder.“
Das betrifft wohl die Rolle der Mathematik und ist mE. mehr ein philosophisches Problem. Dazu 2 Beispiele:
A) TomS hat in einem Beitrag geschrieben, dass die Unschärfe zB. Ort & Geschwindigkeit, sich aufgrund der Verwendung von Kommutatoren bzw. der Fourier-Transformationen ergibt und somit
vor aller Messung
die Quanten bereits Unschärfe-an-sich zeigen.
B) Der Messprozess ist indeterminiert und zufällig, weil der idempotente
Projektionsoperator
die kontinuierliche Schrödinger-Bewegung spontan unterbricht und den Rest der Schrödingergleichung kollabieren lässt.
1) Wenn die Eigenschaften von Operatoren mit den Eigenschaften der Naturphänomene identifiziert werden, muss man ja schon daran glauben, dass die Natur-an-sich tatsächlich mathematisch organisiert ist und nur „abgelesen“ bzw. „aufgedeckt“ werden muss.
2) Wenn die Eigenschaften von Operatoren die Eigenschaften der Naturphänomene nur
repräsentieren
, lässt das Alternativen zu.
In der alternativen und genauso richtigen Bohmschen Mechanik wird zwar die Unschärferelation bestätigt, aber sie braucht keinen idempotenten Projektionsoperator. Nach 2) möglich, nach 1) nicht.
Ist die Realität, bzw. die „Ontologie“ hiermit eine Funktion der philosophischen Überzeugung?
Noch ein Gedanke zu A):
Ist es nicht so, dass schon die Formulierung „Ort und Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t“ ein logischer Widerspruch in sich ist? Wenn ein Teilchen Geschwindigkeit hat, dann ist es in einer kontinuierlichen Bewegung und dann k a n n es keinen Ort haben (schon mal gar keinen festen) und umgekehrt: wenn es an einem Ort verharrt, hat es keine Bewegung und damit auch keine Geschwindigkeit.
Aruna
Verfasst am: 18. Jul 2025 07:42
Titel:
Troika hat Folgendes geschrieben:
Das habe ich soweit verstanden.
scheint mir nicht so:
Troika hat Folgendes geschrieben:
Was ich nicht verstehe ist, warum ein Operator mal eine Vorschrift und mal eine physikalische Größe genannt wird!
Eine Vorschrift ist etwas strukturelles, eine Größe etwas substanzielles.
Ich hab mal geschaut, wer das mit der "Vorschrift" sagt.
Wikipedia:
Wikipedia hat Folgendes geschrieben:
Ein Operator ist eine mathematische Vorschrift, durch die man aus mathematischen Objekten neue Objekte bilden kann.
Mit einem Operator kann z.B. aus einem Vektor ein anderer Vektor gebildet werden.
Oder die Eigenwerte in der Basisdarstellung zu dem Operator "extrahiert"
Das ist alles in der Welt der Mathematik und Mathematik ist eine
Struktur
wissenschaft.
Dann kommen Physiker und finden die von der Mathematik abstrakt dargestellten Strukturen in der physikalischen Welt wieder.
Die identifizieren dann z.B. abstrakte mathematische Objekte mit konkreten physikalischen Größen.
Und dann gibt es "Vorschriften" wie aus einem mathematischen Objekt, das mit einer bestimmten physikalischen Größe identifiziert wird (diese im verwendeten Modell "repräsentiert") andere physikalische Größen gebildet werden können.
So kann man z.B. die Ableitung nach der Zeit, falls die auf die physikalsiche Größe "Geschwindigkeit" angewandt wird, mit der physikalischen Größe "Beschleunigung" identifizieren.
Das heißt aber nicht, dass jede Ableitung nach der Zeit eine physikalische Größe
ist
.
TomS
Verfasst am: 17. Jul 2025 15:11
Titel:
Ich schließe mich meinem Vorredner an.
Myon hat Folgendes geschrieben:
Bei meinem Beitrag hatte ich ohnehin ein ungutes Gefühl und wollte ihn auch löschen.
Nee, lass das.
Du kannst nichts dafür, dass dir in der Physik, immer dieses "hermitesch" über den Weg läuft, und kaum jemand sauber argumentiert.
Wenn ich Zeit habe, schreibe ich dazu mal was anhand des Beispiels des nicht-selbstadjungierten Impulsoperators -i∂
x
auf dem Hilbertraum L²[0, ∞[, und was dabei schief geht.
Nils Hoppenstedt
Verfasst am: 17. Jul 2025 14:18
Titel:
Hallo Myon,
ich glaube, du gehst zu hart mit dir ins Gericht. Dein Einwand, dass Observablen hermitesch sein müssen, war schon richtig (auch wenn die Umkehrung i.A. nicht stimmt). Denn die Hermitizität garantiert, dass die Erwartungswerte reell und damit physikalisch interpretierbar sind. Das ist eine wesentliche Bedingung an eine physikalisch sinnvolle Observable.
Viele Grüße,
Nils
Myon
Verfasst am: 17. Jul 2025 13:10
Titel:
@TomS: Zuerst einmal vielen Dank für Deine ausführlichen Erklärungen (ebenso Dank an Nils Hoppenstedt). Ich möchte mir das später noch näher anschauen. Das ist ein Thema, in das ich mich schon lange hatte (teilweise wieder) einarbeiten wollen, bin aber zu wenig fit dazu.
Bei meinem Beitrag hatte ich ohnehin ein ungutes Gefühl und wollte ihn auch löschen. Die einfache Ableitung d/dt hatte ich erwähnt, da Troika im ersten Beitrag das so geschrieben hatte.
Nils Hoppenstedt
Verfasst am: 17. Jul 2025 11:08
Titel:
Hallo,
ich würde folgendes noch ergänzen: damit ein Operator als Observable angesehen werden kann, müssen folgende Kriterien erfüllt sein:
1. Der Operator 𝐴 muss selbstadjungiert sein, d.h.:
𝐴 = 𝐴† und D(𝐴)=D(𝐴†)
Nur dann ist sein Spektrum reell, was physikalisch bedeutet: Messwerte sind reell.
2. Dichte Definition:
Der Operator muss auf einem dichten Teilraum des Hilbertraums definiert sein, damit er eindeutig durch seine Wirkung auf Zustände festgelegt ist.
3. Messbare Spektralwerte:
Der Operator sollte ein sinnvolles Spektrum besitzen (z. B. diskret für Energiezustände, kontinuierlich für Ort/Impuls), da Messungen mit diesem Spektrum verbunden sind.
Ein Operator kann zwar formal hermitesch sein (z. B. der Impulsoperator −𝑖ℏ∂𝑥), aber:
Er ist nicht automatisch selbstadjungiert, z. B. wegen unvollständiger Randbedingungen.
Dann fehlen z. B. reelle Eigenwerte oder vollständige Eigenbasen → physikalisch nicht interpretierbar.
Erst nach geeigneter Festlegung von Definitionsbereich und Randbedingungen (z. B. auf 𝐿²(𝑅) statt auf zu kleinem Raum) wird er selbstadjungiert und damit observable.
Viele Grüße,
Nils
TomS
Verfasst am: 17. Jul 2025 10:03
Titel:
Myon hat Folgendes geschrieben:
Messungen werden durch
hermitesche
Operatoren beschrieben. Die eingangs genannte Ableitung d/dt zum Beispiel ist ein Operator, aber dieser Operator ist nicht hermitesch, ihm ist also keine Messgrösse zugeordnet.
Der fragliche Operator ist aber nicht
d/dt
, sondern
i d/dt
, und der ist hermitesch (muss er auch sein, da das rechts in der SG stehende H hermitesch ist).
Das Problem liegt wo anders.
1)
i d/dt
ist ein Operator, der nicht mittels der Freiheitsgraden des physikalischen Systems konstruiert wird; er beschreibt nicht das System oder Eigenschaften des Systems, sondern dessen Translation in der Zeit;
wie genau
sich
ein bestimmtes
System unter infinitesimalen Zeittranslationen verändert, wird durch den
genau dieses System
definierenden Hamiltonoperator H beschrieben; das gilt analog bereits in der klassischen Mechanik.
2) Ich stimme schon mit dem Satz "Messungen werden durch hermitesche Operatoren beschrieben" nicht überein. Messungen werden in der Textbuch-Darstellung / der orthodoxen Interpretation der Quantenmechanik
überhaupt nicht beschrieben
. Der tatsächlichen Messgröße (Impuls, Energie ...) wird ein hermitescher Operator zugeordnet, den man als Observable bezeichnet; das ist irreführend, denn der beschreibt weder die Beobachtung, noch wird er beobachtet; es ist eine rein mathematische Größe, deren Verknüpfung mit einer realen Messung bzw. deren Messerergebnissen postuliert jedoch nicht erklärt wird. In allen über die Textbuch-Darstellung hinausgehenden weiterführenden Ansätzen, die die Messung tatsächlich beschreiben wollen, spielen diese "Observablen" keine fundamentale Rolle. Wenn man z.B. die Energie eines elektrisch geladenen "Teilchens" misst, dann misst man in Wirklichkeit den Ort, an dem das Teilchen nach dem Durchgang durch ein Magnetfeld auf dem Detektor auftrifft.
Troika hat Folgendes geschrieben:
Was ich nicht verstehe ist, warum ein Operator mal eine Vorschrift und mal eine physikalische Größe genannt wird!
Eine Vorschrift ist etwas strukturelles, eine Größe etwas substanzielles.
Ein Operator A ist zunächst eine
mathematische Größe
, die eine Abbildung des Definitionsbereiches des Operators D(A) als Teilmenge des Hilbertraumes auf den Hilbertraum definiert, d.h. der einem Vektor v einen anderen Vektor w zuordnet
Der Definitionsbereich D(A) muss nicht den gesamten Hilbertraum umfassen (und der Bildbereich auch nicht).
Gewisse mathematische Operatoren werden
in einen physikalischen Kontext gesetzt
, d.h. sie erhalten dadurch eine physikalische Bedeutung, wie z.B. die Assoziation mit physikalischen Größen.
Das trifft aber nicht nur für hermitesche Operatoren zu. Nicht jeder Operator ist hermitesch, d.h. nicht jeder Operator kann überhaupt einer Messgröße zugeordnet werden. Nicht für jeden hermiteschen Operator gibt es eine vernünftige Messgröße. Es gibt physikalisch relevante nicht-hermitesche Operatoren.
Wichtig
: Der Zustandsvektor ist sozusagen der "Träger der Eigenschaften" eines physikalischen Systems; ein hermitescher Operator ist eine Rechenvorschrift, die es erlaubt, diese Eigenschaften zu aus dem Zustandsvektor berechnen, z.B. Erwartungswerte für Messungen einer Messgröße.
Myon
Verfasst am: 17. Jul 2025 08:05
Titel:
Messungen werden durch
hermitesche
Operatoren beschrieben. Die eingangs genannte Ableitung d/dt zum Beispiel ist ein Operator, aber dieser Operator ist nicht hermitesch, ihm ist also keine Messgrösse zugeordnet.
Troika
Verfasst am: 17. Jul 2025 07:08
Titel:
Das habe ich soweit verstanden.
Was ich nicht verstehe ist, warum ein Operator mal eine Vorschrift und mal eine physikalische Größe genannt wird!
Eine Vorschrift ist etwas strukturelles, eine Größe etwas substanzielles.
Aruna_17
Verfasst am: 17. Jul 2025 06:59
Titel:
Troika hat Folgendes geschrieben:
Es sieht so aus, als sei ein Operator alles: eine Vorschrift, eine physikalische Größe, die Summe aller Eigenwerte, das Resultat …?
Ein Operator ist eine mathematische Größe, die auf einen Zustand wirkt und diesen verändern kann.
Der kann den Vektor z.B. drehen. Oder in der Zeit entwickeln.
Wenn ein Operator, repräsentiert durch eine eine Matrix auf einen Vektor wirkt, der ein Eigenvektor dieses Operators ist, ist das Resultat der gleiche Vektor, mit einer Zahl, dem sogenannten Eigenwert multipliziert.
Nach dem - im anderen Thread kontrovers diskutierten - Porjektionspostulat, misst man Betragsquadarate der Eigenwerte des Operators, der die jeweilige Messgröße repräsentiert. und die Messung entspricht der Anwendung des Operators auf den Zustand und der zufälligen Auswahl eines der Eigenwerte.
Normalerweise würde man allerdings den Erwartungswert des Operators bestimmen.
Aruna_17
Verfasst am: 17. Jul 2025 06:46
Titel:
Troika hat Folgendes geschrieben:
Worin besteht begrifflich der Unterschied zwischen dem Zustand, der vom Vektor repräsentiert wird und der physikalischen Größe A, die vom Operator repräsentiert wird?
Ein Zustand enthält alle möglichen Eigenschaften, die ein physikalisches System haben kann, bzw. das man ihm gerade für die Modellierung zuschreibt.
Ein Operator wirkt auf den Zustand.
Falls der Operator eine physikalische Messgröße (Opservable) (Impuls, Ort, Drehimpuls...) repräsentiert, kann man mit diesem eben diese bestimmte Größe (bzw. deren Wahrscheinlichkeitsverteiilung aus dem Zustand ermitteln.
.
Troika
Verfasst am: 17. Jul 2025 03:27
Titel:
Hallo TechnikFan,
ja das stimmt … Mir ging es eigentlich um das Verhältnis "mathematische Terme / Entsprechung in der Realität" in den Quantentheorien, speziell im Hilbertraum, speziell selbstadjungierte Operatoren mit einem Spektrum von Eigenvektoren mit ideellen Eigenwerten.
Die ersten zwei Axiome der Quantentheorie lauten:
1.
Ein quantenmechanisches System S wird repräsentiert durch den Hilbertraum H; und sein Zustand zu Zeit t durch den Vektor psi als Element des Hilbertraumes.
2. Eine physikalische Größe wird repräsentiert durch einen selbstadjungierten Operator A in H; und die Eigenwerte a von A werden repräsentiert durch das Spektrum von A.
Worin besteht begrifflich der Unterschied zwischen dem Zustand, der vom Vektor repräsentiert wird und der physikalischen Größe A, die vom Operator repräsentiert wird?
Es sieht so aus, als sei ein Operator alles: eine Vorschrift, eine physikalische Größe, die Summe aller Eigenwerte, das Resultat …?
TechnikFan
Verfasst am: 13. Jul 2025 22:09
Titel:
Hallo Troika, willkommen im Physikerboard.
Deine Frage ist sehr allgemein formuliert, und die erschöpfende Antwort von einem Experten in diesem Forum würde Seiten füllen. Das ist wahrscheinlich der Grund, warum sich noch keiner von denen gemeldet hat.
Ich bin QM-Laie und kann Dich nur z.B. auf Wikipedia verweisen
https://de.wikipedia.org/wiki/Mathematische_Formulierung_der_Quantenmechanik
Vielleicht wäre die Frage nach einem geeigneten Lehrbuch erfolgreicher.
Troika
Verfasst am: 11. Jul 2025 11:33
Titel: Operator, Vektor und Eigenwert
Meine Frage:
Was genau repräsentieren der Operator, der Vektor & der Eigenwert i.d. Quantenmechanik?
Meine Ideen:
Oft liest man Operator = physikalische Größe, Vektor = Zustand des Systems, Eigenwert = Messwert.
Aber ich denke "d/dt" ist ebenfalls ein Operator, deshalb meine ich:
Operator = Vorschrift, Struktur; Vektor = physik. Größe, Eigenwert = Element des Spektrums