Quantum theorie voor Wiskundigen. Velden en Wegen in de Wiskunde

Vergelijkbare documenten
Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

Opgaven Hilbert-ruimten en kwantummechanica (2006)

Higgs-deeltje. Peter Renaud Heideheeren. Inhoud

Krommen tellen: van de Griekse Oudheid tot snaartheorie

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 3: 6 oktober 2016

Geadjungeerde en normaliteit

De braan kan gezien worden als de rand van het anti-de Sitter heelal. Het verband van Maldacena zegt dat een veldentheorie die op de braan

Indeterminisme en Waarschijnlijkheid In de Quantamechanica. 26 November 2014

Toegepaste Wiskunde 2: Het Kalman-filter

Uitwerkingen tentamen Lineaire Algebra 2 16 januari, en B =

Kazhdan-Lusztig-Vogan polynomen voor gespleten E 8, een uitzonderlijke berekening voor een exceptionele groep

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Technische Natuurkunde

What does it all mean?

Eindtermen Lineaire Algebra voor E vor VKO (2DE01)

Vincent van der Noort Scoop vult de gaten in onze kennis... Het gevoel van eigenwaarden van David J. Griffith

Niet-commutatieve meetkunde niet-communicabel?

De Minimax-Stelling en Nash-Evenwichten

Matrices en Stelsel Lineaire Vergelijkingen

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 2: September 29, 2016

Uitwerkingen tentamen lineaire algebra 2 13 januari 2017, 10:00 13:00

Lineaire Algebra voor ST

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Operatoralgebra s en quantummechanica

Tentamen TCl l8 januari 2008' 9-12uur, zaal Cl (Gorlaeus).

Unitaire en Hermitese transformaties

Functionaalanalyse. Heinz Hanßmann. Utrecht, 2007/8

TRILLINGEN EN GOLVEN HANDOUT FOURIER

QUANTUM FYSICA 1 3NB50. donderdag 28 oktober uur. Dit tentamen omvat 2 opgaven.

Voorstel voor de inhoud van de cursus Algebra in het programma: Bachelor Wiskunde

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 4: 13 oktober 2016

Aanvullingen bij Hoofdstuk 8

Witte vlekken in de natuurkunde Door Hans van Leunen

Oefensommen tentamen Lineaire algebra 2 - december A =

Noodzakelijke Onzekerheid

Jordan normaalvorm. Hoofdstuk 7

Kleinse Fles. Introductie String Zoologie Brane Worlds Zwarte Gaten

Lineaire Algebra voor ST

Wiskunde voor relativiteitstheorie

Eigenwaarden en Diagonaliseerbaarheid

Supersymmetric Lattice Models. Field Theory Correspondence, Integrabillity T.B. Fokkema

-- I HOOFDSTUK I INLEIDING TOT ENKELE QUANTUMMECHANISCHE BEGRIPPEN

(vi) Als u een stelling, eigenschap,... gebruikt, formuleer die dan, toon aan dat de voorwaarden vervuld zijn, maar bewijs die niet.

Citation for published version (APA): Ma, W. K. (2001). Deformations in topological string theory Groningen: s.n.

Samenvatting Lineaire Algebra, periode 4

Wiskunde voor relativiteitstheorie

Hoofdstuk 1. Inleiding. Lichamen

Tentamen Chemische Binding NWI-MOL056 Prof. dr. ir. Gerrit C. Groenenboom, HG00.304/065, 17:30-20:30/21:30, 6 feb 2014

Gravitatie en kosmologie

EXAMEN LINEAIRE ALGEBRA EN ANALYTISCHE MEETKUNDE I. 1. Theorie

x 1 (t) = ve rt = (a + ib) e (λ+iµ)t = (a + ib) e λt (cos µt + i sin µt) x 2 (t) = ve rt = e λt (a cos µt b sin µt) ie λt (a sin µt + b cos µt).

Quantummechanica voor jong en oud. Gerard Nienhuis Huygens Laboratorium Universiteit Leiden

ONBETWIST ONderwijs verbeteren met WISkunde Toetsen Voorbeeldtoetsen Lineaire Algebra Deliverable 3.10 Henk van der Kooij ONBETWIST Deliverable 3.

Quantummechanica 5/6 VWO

Examen Lineaire Algebra en Meetkunde Tweede zit (13:30-17:30)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Definities, stellingen en methoden uit David Poole s Linear Algebra A Modern Introduction - Second Edtion benodigd voor het tentamen Matrix Algebra 2

Tentamen Quantum Mechanica 2

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Examenvragen eerste zittijd academiejaar Vraag 1 (op 6 punten) Gegeven:

Overzicht Fourier-theorie

Het Hilbertboekmodel

De mechanismen die de realiteit coherent houden

Antwoorden op de theoretische vragen in de examen voorbereiding

Quantum computing. Dirk Nuyens. dept. computerwetenschappen KULeuven.

Een series colleges over de Speciale Relativiteit theorie van Einstein, uitgebreid met onderwerpen uit de Klassieke Mechanica Prof.dr. S.

Relativistische quantummechanica

Bijzondere getallen. Oneindig (als getal) TomVerhoeff. Technische Universiteit Eindhoven Faculteit Wiskunde en Informatica

Tentamen Lineaire Algebra 1 (Wiskundigen)

Moduliruimten van krommen en hun cohomologie

Tentamen Quantum Mechanica 2

4 Positieve en niet-negatieve lineaire algebra

Lokaal compacte kwantumgroepen

N.G. DE BRUIJN EN HET ONTSTAAN VAN DE DISCIPLINE WISKUNDIGE TIJD-FREQUENTIEANALYSE

wordt de stelling van Pythagoras toegepast, in dit geval twee keer: eerst in de x y-vlakte en vervolgens in de vlakte loodrecht op de vector y.

Op zoek naar witte vlekken

UvA-DARE (Digital Academic Repository) Topological strings and quantum curves Hollands, L. Link to publication

De golfvergelijking van Schrödinger

Verstrooiing aan potentialen

Chapter 10. Quantumveldentheorie

ANTWOORDEN EN UITWERKINGEN TENTAMEN QUANTUMMECHANICA 2 VAN 8 JUNI e +" 1 = 1. e (" )=(k BT )

Schrödinger vergelijking. Tous Spuijbroek Cursus Quantumwereld Najaar 2013

Schoolagenda 5e jaar, 8 wekelijkse lestijden

Vectorruimten met inproduct

Discrete Wiskunde 2WC15, Lente Jan Draisma

ONBETWIST ONderwijs verbeteren met WISkunde Toetsen. Overzicht bestaande content. Deliverable 3.6. Hans Cuypers. ONBETWIST Deliverable 3.

Einstein op de helling

Speciale relativiteitstheorie

extra sommen bij Numerieke lineaire algebra

Toepassingen op differentievergelijkingen

Discrete Wiskunde 2WC15, Lente Jan Draisma

Lineaire Algebra. Bovendriehoeks- en onderdriehoeks vorm: onder (boven) elke leidende term staan enkel nullen

Tentamen lineaire algebra voor BWI maandag 15 december 2008, uur.

Een algebraïsche ontknoping

Hoofdstuk 9: Niet-lineaire differentiaalvergelijkingen en stabiliteit

Lineaire algebra en vectorcalculus

Lineaire Algebra voor ST

Radboud Universiteit Nijmegen Tentamen Analyse 1 WP001B 26 augustus 2010, , Examenzaal

Technische Universiteit Delft. ANTWOORDEN van Tentamen Gewone differentiaalvergelijkingen, TW2030 Vrijdag 30 januari 2015,

Opgaven bij het college Kwantummechanica 3 Week 14

Lineaire Algebra C 2WF09

Transcriptie:

Quantum theorie voor Wiskundigen door Peter Bongaarts (Rotterdam) bij het afscheidssymposium Velden en Wegen in de Wiskunde voor Henk Pijls Korteweg-de Vries Instituut voor Wiskunde Universiteit van Amsterdam, 20 juni 2008 1

De filosofie is geschreven in dit grote boek dat steeds voor onze ogen open ligt (Ik bedoel het universum). Maar het kan niet worden begrepen tenzij we eerst hebben geleerd de taal te begrijpen en de letters herkennen waarin het geschreven is. Het is geschreven in de taal van de wiskunde, en de letters zijn driehoeken, cirkels, en andere meetkundige figuren. Zonder zulke middelen is het voor ons mensen onmogelijk om er een woord van te begrijpen, en zonder deze zoeken we tevergeefs een weg in een duister labyrint. Galileo Galilei: Il Saggiatore (De keurmeester), 1623 3

twee revoluties in de natuurkunde van de twintigste eeuw relativiteitstheorie 1905, 1915 Einstein quantumtheorie 1900 Planck, 1912 Bohr, 1924 Heisenberg, Schrödinger beide theorien achteraf het beste te begrijpen vanuit hun wiskundige structuur, respectievelijk: - Riemannse variëteiten - operatoren in Hilbertruimten 4

ontwikkeling quantumtheorie 1905 Plancks energiequantum in stralingstheorie 1912 atoommodel van Bohr: discrete banen van electronen rond kern spontane sprongen tussen banen succesvolle ad-hoc aannamen! vanaf 1924 echte theorie: quantummechanica Heisenberg, Schrödinger, e.a. 5

aard van die ontwikkeling geen afleiding uit eerdere theorie ad-hoc sprongen nieuwe slecht begrepen wiskunde maar fysisch zeer succesvol!! wiskundigen brachten inzicht in structuur van de theorie 6

John von Neumann Hermann Weyl B.L. van der Waerden David Hilbert 7

grondbegrippen quantumtheorie I. toestand II. observabele III. tijdsevolutie IV. symmetrie 8

axioma I toestanden fysisch systeem op bepaald tijdstip = eenheidsvectoren in complexe Hilbertruimte axioma II te meten grootheden (observabelen) = zelf-geadjungeerde operatoren in die Hilbert-ruimte axioma III (interpretatie van I en II) voorspelling resultaten van meting van observabele A in toestandsvector ψ = kansverdeling beschreven door cumulatieve distributiefunctie F(α) = (ψ, E α ψ), met {E α } α de spectraalresolutie van A 9

axioma IV evolutie in de tijd = continue 1-parameter groep van unitaire operatoren (of = 2-parameter stelsel, een groupoide, als interactie niet tijdstranslatie-invariant is) axioma V symmetrieën = (groepen van) unitaire operatoren 10

toelichting bij axioma I: toestand fysisch systeem op bepaald tijdstip: eenheidsvector in complexe Hilbert-ruimte elementair voorbeeld: puntdeeltje met massa m in potentiaal V (x 1, x 2, x 3 ) toestand beschreven door : klassiek: plaatscoordinaten x 1, x 2, x 3 en impulswaarden p 1, p 1, p 3, dus punt in R 6 quantum: complexe functie ψ in L 2 (R 3, d x), golffunctie ψ(x 1, x 2, x 3 ), dus vector in oneindig dimensionale vectorruimte 11

toelichting bij axioma II: te meten grootheden (observabelen) : zelfgeadjungeerde operatoren in die Hilbertruimte voorbeeld: puntdeeltje klassiek: plaats x = (x 1, x 2, x 3 ), impuls p = (p 1, p 2, p 3 ), energie E = p2 2m + V ( x) quantumtheorie: operatoren in L 2 (R 3, d x) Q j : ψ( x) x j ψ( x) P j : ψ( x) ī ψ( x), h x j H = P 2 2m + V ( Q) 12

toelichting bij axioma III (interpretatie van I en II): voorspelling resultaten van meting van observabele A in toestandsvector ψ : kansverdeling met cumulatieve distributiefunctie F(α) = (ψ, E α ψ), met {E α } α de spectraalresolutie van A wiskundig fundament: spectraalstelling voor zelfgeadjungeerde operatoren in de Hilbert ruimte! 13

eindig dimensionale Hilbertruimte zelfgeadjungeerde operator A te diagonaliseren op orthonormaal basis van eigenvectoren A eenduidig te schrijven als A = p j=1 α jp j reële eigenwaarden α 1 <... < α p P j projecties op eigenruimten 14

oneindig dimensionale Hilbertruimte!! zelfgeadjungeerde operatoren, soms onbegrensd continu spectrum geen eigenwaarden of eigenvectoren??? 15

generalisatie van A = p j=1 α jp j tot willekeurige dimensie of A = + α de α (ψ, Aψ) = + α d(ψ, E αψ) voor alle ψ in H discrete som is nu Riemann-Stieltjes integraal over infinitesimale verschillen van projecties algemene spectraalstelling voor zelfgeadjungeerde operatoren basis: spectraalresolutie {E α } α R 1 16

spectraalresolutie systeem {E α } α R 1 van commuterende projecties met α 1 α 2 = E α1 E α2 lim α E α = 0 lim α + E α = 1 continuïteit van rechts ook goed gedefiniëerd in oneindige dimensie 17

in de spectraalstelling heeft, voor iedere eenheidsvector ψ, de monotoon stijgende functie F ψ (α) = (ψ, E α ψ) de wiskundige eigenschappen van een cumulatieve distributiefunctie voor de kansverdeling van een stochastische grootheid in de kanstheorie. dit wordt toegepast in de quantumtheorie: F ψ (α) geeft de kans om de waarde α te meten voor A in de toestand ψ deze kan discreet, continu of beide zijn 18

systemen van observabelen 1 grootheden a en b commensurabel operatoren A en B commuteren er is een 2-parameter spectraalresolutie {E α,β } (α,β) R 2 met daarbij gegeneraliseerde spectraalstelling en gemeenschappelijke distributiefuncties in 2 variabelen, ψ H met ψ = 1, F ψ (α, β) = (ψ, E α,β ψ) we zijn nog steeds binnen de klassieke kanstheorie!! 19

systemen van observabelen 2 a en b niet commensurabel A en B commuteren niet geen gegeneraliseerde spectraalstelling geen gemeenschappelijke distributiefuncties daarmee zijn we buiten de klassieke kanstheorie!! 20

geen gemeenschappelijke kansruimte! wel relaties tussen afzonderlijke kansverdelingen echter beperkingen op meetnauwkeurigheid voorbeeld: plaats en impuls p j x j h 2 ongelijkheid van Heisenberg gevolg: electron heeft geen baan! 21

bij Axioma IV tijdsevolutie puntdeeltje met massa m onder invloed van een potentiaal V ( x) h i t h2 ψ( x, t) = 2m ( + V ( x))ψ( x, t) Schrödinger vergelijking 22

Een interessant idee: quantumtheorie = nietcommutatieve kanstheorie 23

voorbeeld 1: topologie Gelfand-Naimark: 1-1 correspondentie compacte topologische ruimten complexe commutatieve C -algebras. doe alsof een nietcommutatieve C -algebra ook de algebra van functies op een ruimte is. zo n ruimte bestaat niet maar er zijn allerlei generalisaties van algebraïsch geformuleerde topologische begrippen naar de nietcommutatieve situatie resultaat: nietcommutatieve topologie 24

voorbeeld 2: meetkunde Alain Connes: C variëteit M wordt gekarakteriseerd door de commutatieve algebra C (M) van gladde functies op M beschouw C (M)) als abstracte algebra en bestudeer nietcommutatieve versie resultaat nietcommutatieve meetkunde 25

voorbeeld 3 : kanstheorie kansruimte: (X, F, P) begrensde stochastische variabelen (= meetbare functies op X) vormen een commutatieve von Neumann algebra C de verwachting van al die variabelen is een genormeerde positieve functionaal ω op C bestudeer nietcommutatieve von Neumann algebras, met daarop een ω resultaat: nietcommutatieve kanstheorie = quantum theorie 26

slotopmerkingen generalisaties : - quantum statistische fysica (veel deeltjes) - quantum veldentheorie (elementaire deeltjesfysica, succesvol in praktijk; nog geen bevredigende wiskundige basis) actueel, recent : - quantum computers, quantum informatie. - zwarte gaten in astronomie. uitdaging voor de toekomst : - unificatie van quantumtheorie en relativiteitstheorie 27