如何理解么正性?

時間 2021-05-31 17:10:21

1樓:呂小龍

菜雞的回答:

有一家人聚會,10個人吧,聚了100次,每次總有幾個吊人裝逼,頭疼不喝酒、吃了頭孢不能喝酒、開車不能喝酒,但是說來也怪,吊每次這桌都能乾掉2瓶天之藍。

這個系統,在100次抽樣內,不管內部人怎麼裝逼,每次聚會喝掉2瓶天之藍的概率,總是1。

這個系統,就具備了么正性。

2樓:YorkYoung

這其實是個很麻煩的問題,因為麼正性是乙個純粹的數學問題,只不過是物理裡面用得很多,所以你說完全不用數學講這個東西基本是不可能的,而物理上的概率守恆只不過是這個的推論而已,而且實際上也並不是動量能量守恆那麼嚴格的說法。

下面這段話是麼正(unitary,數學上也稱酉)的定義,看不懂沒關係,後面會解釋。

乙個Hilbert空間上的unitary運算元,是指它與它的伴運算元剛好互逆即 。

這導致了乙個後果就是保內積 ,從而也保範數 ,物理上所謂的概率守恆實際上就是內積守恆,範數守恆。

為了使得沒有任何泛函分析甚至線性代數知識的文科生也能看懂,我們打個簡單比方。

A班有一群人,B班有一群人,他們人數剛好相等,一次考試後,年級組長想要比較兩個班的學生的總體成績情況(這個考試的分數比較奇葩是複數),於是他提出了乙個衡量乙個班學生總體情況的引數,稱之為範數。他還想看看兩個班學生成績之間的差異,於是他又發明了乙個引數叫內積。而這兩個引數正好是有關係的,範數等於同乙個班與自己的內積開平方。

後來有考了一次試,A班學生的成績發生了變化,組長發現變化後,A班的範數居然沒有改變,比如簡單地,A班第一名和第二名的成績互換了,那麼總體的範數就沒有變化。年級組長想,這是乙個普適的規律,如果B班的成績也這麼變,可以肯定B班的範數也不會變,AB兩班的內積也不會變。

當然保持任何乙個班範數不變的變換不僅僅是簡單的交換成績,暫時忽略複數,假想3個學生的成績為座標構成了乙個空間向量(這個高中應該學過吧)那麼範數就是這個向量的長度,這個向量經過旋轉就會變成另乙個長度相等的向量,考慮到複數和高維,事情就變得不直觀了,但原理是類似的。

乙個班的學生人數是有限的,就像我們通常的空間用有限個座標就能描述乙個向量,於是我們考慮一種特殊的變換,線性變換,它的特點是只有拉伸旋轉,而不平移和扭曲圖形,數學家發明了一種工具可以定量地描述有限維空間的線性變換,它就是矩陣。

而滿足範數不變的那種矩陣,有個驚人的特點,它的每一行每一列都是乙個單位向量,也就是範數為1,不同列或不同行正交,也就是內積為0,於是數學家借用英文「單位的」一詞稱之為unitary matrix,然後中國的數學家和物理學家由於老死不相往來,連翻譯都是各翻譯各的,於是乙個翻譯為酉矩陣,乙個翻譯為麼正矩陣。

在無窮維空間中,我們無法用矩陣描述線性變換,但內積和範數依然可以推廣,這就有了量子力學裡面的unitary變換。

回到年級組長的故事,他又看B班的成績,發現B班第一名缺席計0分,其他人成績不變,於是B班的範數就變小了。實際上有這麼一種變換,相當於把原來的向量分解成正交的兩部分,一部分保持不變,另一部分變成0,這就是正交投影。

考慮乙個直角三角形,它的斜邊可以看作兩個直角邊的向量和,又相互垂直,那麼其中一條就是斜邊在它所在直線或者平面的投影。量子力學中的觀測就是這樣一種正交投影。

那麼有沒有又是投影又是unitary的線性變換呢?只有乙個就是恒等變換,什麼都不變,但這種東西,數學家和物理學家稱之為trival,剛好翻譯又不一樣,平凡和平庸,就是說大家都一定有,但對研究問題也沒什麼幫助的東西。所以既然通常的觀測是個untrival的投影變換,自然不可能是unitary的,從而投影後的東西,範數一般要變化。

而物理學家要把一些東西解釋成概率就要做歸一化,也就是把範數變為1,如果範數是1的東西變化後範數不是1了,那麼很多事情就麻煩了,所以物理學家都喜歡unitary的東西。

3樓:

多說一句。

另一位答主說的很好了,從物理意義出發,我們要求乙個量子系統的演化必須是么正的——因此描述量子系統演化(以及一些對稱操作)的算符,比如時間演化算符,空間平移算符,空間旋轉算符,都必須是么正算符。時間演化是么正的,換個等價說法就是滿足含時薛丁格方程。

然而題主這個問題問的很有靈性2333,問題裡面提到的

波函式坍縮

恰恰就是乙個非么正過程。

一般而言我們所說的「波函式的坍縮」發生在我們對系統進行測量的時候。我們認為量子系統從原來的態變為了關於被測物理量的某個本徵態,測量結果以及這個終態可以通過求解該可觀測量的算符的本徵方程得到。這裡可觀測量的算符是自伴的。

然而就是這個過程破壞了波函式演化的么正性——如果你認為從某個態「坍縮」到本徵態的這個「過程」的確是波函式的一種合法演化的話,那麼矛盾自然就產生了——這個過程不滿足含時演化的薛丁格方程,從而必然不是么正的過程。量子力學的各種詮釋之爭也基本上是發生在對這個矛盾的解釋上,例如:

堅持哥本哈根詮釋,引進了乙個可以非么正演化的「非物理」的物件來抵償這種整體的非么正性,從而讓單純的物理系統仍是么正的,馮諾依曼猜這個非物理的物件就是所謂「意識」;

退相干,認為說測量這個行為會引進乙個更大的系統:測量儀器,從而儀器和被觀測物件整體是么正的,而被觀測物件的非么正性只是一種區域性的性質;

量子多世界理論,大概就是你在書裡看到的那樣。。。(有意思的是,恰恰是這個聽起來最不可能的詮釋好像還是目前唯一自洽的詮釋2333)

總之,目前關於量子力學最後乙個還沒有被理想解決的地方就都在題主你的半句話裡了。

4樓:牛仔麼茶

直觀但不嚴謹地講,在三維空間中,如果用矩陣作用在向量上表示乙個轉動,那麼這個矩陣是正交的。這裡的正交是為了保證向量的「形狀」在旋轉下不變,這和我們實際經驗是相符的。在量子力學中,物理系統的狀態要用希爾伯特空間中的向量表示,對於希爾伯特空間中保持向量「形狀」不變的「旋轉」,要將正交性推廣為么正性。

弦論的話,看看科普書就好了,弦論跟你這輩子沒多大關係......除非你姓威騰

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