Angel "Java" Lopez en Blog

Ciencia


Publicado el 18 de Diciembre, 2014, 6:40

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Termino hoy traducción y comentario de esta sección de Dirac, de su libro "Principles of Quantum Mechanics":

The association of particles with waves discussed above is not restricted to the case of light, but is, according to modern theory, of universal applicability. All kinds of particles are associated with waves in this way and conversely all wave motion is associated with particles. Thus all particles can be made to exhibit interference effects and all wave motion has its energy in the form of quanta. The reason why these general phenomena are not more obvious is on account of a law of proportionality between the mass or energy of the particles and the frequency of the waves, the coefficient being such that for waves of familiar frequencies the associated quanta are extremely small, while for particles even as light as electrons the associated wave frequency is so high that it is not easy to demonstrate interference.

La asociación de partículas con ondas que discutimos más arriba no se restringe al caso de la luz, sino que es, de acuerdo a la teoría moderna, de aplicación universal. Todo tipo de partículas están asociadas con ondas de esta manera, y recíprocamente, todo movimiento de ondas está asociado con partículas. Entonces todas las partículas pueden hacerse que exhiban efectos de interferencias y todo movimiento de onda tiene su energía en forma de cuantos. La razón por el la cual estos fenómenos generales no son más obvios se encuentra en la ley de proporcionalidad entre la masa o la energía de las partículas y la frecuencia de las ondas, siendo el coeficiente de tal forma que para las ondas de frecuencas familiares los cuantos son extremadamente pequeños, mientra que para las partículas como las de la luz o electrones la frecuencia de onda asociada es tan alta que no es fácil mostrar interferencia.

Queda claro que ondas y partículas están ligados. Vemos que Dirac no trata temas como "dualidad", sino que describe la asociación que entre ondas y partículas que propone la "moderna teoría". El tener una onda asociada a un electrón, y que los electrones tuvieran patrones de interferencia, fue una de las grandes sorpresas de aquellos tiempos de descubrimientos.

Habiendo planteado este tema físico, y el tema de la polarización de fotones, Dirac está preparado para explicarnos el principio de superposición, y exponer su teoría matemática para representar los estados físicos y sus transformaciones. Pero hoy, terminamos con el tema interferencia de fotones.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Publicado el 16 de Diciembre, 2014, 5:46

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Bastantes temas interesantes para ver, como teorías gauges, y el experimento de la doble rendija, interferencia de a un fotón, e interferómetros.

[hep-ph/9705211] Introduction to Gauge Theories
http://arxiv.org/abs/hep-ph/9705211

(505) What is Gauge Theory (intuitively)? - Quora
http://www.quora.com/What-is-Gauge-Theory-(intuitively)

Gauge Theories of the Strong and Electroweak Interactions
http://pauli.uni-muenster.de/tp/fileadmin/lehre/skripte/muenster/Gauge-theories.pdf

INTRODUCTION TO GAUGE THEORIES AND THE STANDARD MODEL
http://cds.cern.ch/record/292286/files/B00008237.pdf

Particle Physics 5: Basic Introduction to Gauge Theory, Symmetry & Higgs - YouTube
http://www.youtube.com/watch?v=v6bgABUyT3c

S-matrix theory - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/S-matrix_theory

Chiral symmetry - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Chiral_symmetry

renormalization
http://math.ucr.edu/home/baez/renormalization.html

The Feynman Lectures on Physics, The Most Popular Physics Book Ever Written, Now Completely Online | Open Culture
http://www.openculture.com/2014/08/the-feynman-lectures-on-physics-the-most-popular-physics-book-ever-written-now-completely-online.html

EmDrive Is an Engine That Breaks the Laws of Physics and Could Take Us to Mars
http://mashable.com/2014/08/02/emdrive-mars-momentum/

Sean Carroll - The Particle at the End of the Universe - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=RwdY7Eqyguo

Sean Carroll - The Particle at the End of the Universe: Q&A - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=aom5SiHakGM

Machâ€"Zehnder interferometer - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Mach%E2%80%93Zehnder_interferometer

Double-slit experiment - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment

Introducing quantum mechanics: One-particle interferences
http://depts.washington.edu/jrphys/ph331/share/mach2.pdf

Interference - Young's experiment with single photons: Physclips - Light
http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/light/youngs-experiment-single-photons.html

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Publicado el 15 de Diciembre, 2014, 5:47

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Tenemos hasta ahora un estado físico de un sistema, que puede ser un electrón libre, un electrón ligado en el átomo de hidrógenos, un par electrón-positrón, etc., y estamos investigando que matemáticamente se representan tales estados como funciones de onda: funciones "esparcidas" en el espacio y el tiempo. Un mismo estado puede estar representado por más de una función de onda. Y notablemente, las funciones de onda, si bien aceptan variables reales, producen un valor complejo.

Pero a los físicos les interesa manejar y conocer magnitudes física, como la energía y el momento. Esas magnitudes se representan con números reales (y las unidades apropiadas). ¿Cómo vamos a obtener esas magnitudes reales, de algo tan extraño como una función de onda compleja? Vamos a ver que hay operaciones que podemos efectuar sobre la función de onda que nos van a dar resultados físicos interesantes.

Pero primero veamos los valores posibles de una magnitud física. Uno de los grandes descubrimientos de la física moderna, es haber encontrado que hay magnitudes físicas que admiten valores discretos, no continuos. Por ejemplo, la energía de un electrón ligado en un átomo de hidrógeno no puede ser cualquier, no puede adoptar cualquier valor, sino solamente algunos de un conjunto discreto, no continuo. El conjunto de valores físicamente posibles para una magnitud de un sistema se llama espectro. Y así hay magnitudes que tienen espectro discreto (finito o infinito numerable) y otras que tiene espectro continuo (tal vez acotado a un rango). Y hasta hay sistemas que admiten alguna magnitud con espectro mixto: una parte de sus valores se manifiesta como espectro discreto y otra como espectro continuo. Comencemos explorando hoy magnitudes físicas de espectro discreto.

Sea f la magnitud física a considerar (p.ej. energía, momento) de un sistema. Sea fn uno de sus valores posibles, de su espectro discreto. Habrá estados:

Representados por las funciones de onda:

Cuyo valor de f sea

Siendo cada fn un valor del espectro discreto. Por el principio de superposición, un estado físico puede ser combinación lineal de otros estados (mejor dicho, ser representado por una combinación lineal de sus funciones de onda representativas). TODA función de onda posible será expresable por la combinación de las funciones de onda de estado discretos:

Pudiendo ser cada coeficiente an un número complejo. Se dice entonces que el conjunto de funciones de onda Psi n es un sistema completo: permite obtener, por combinación lineal, todos los estados posibles para el sistema.

Pero en los experimentos, cuando se mide la magnitud física f para el sistema en cuestión, SOLAMENTE obtenemos valores del espectro discreto, nunca una combinación lineal mixta. Entonces, si partimos de un estado "mixto", ¿cuál es el valor que obtenemos en un experimento que implique medir f? ¿cualquiera de los valores discretos? No, el valor que obtenemos depende de los coeficientes an del desarrollo de arriba.
Recordemos: esos coeficientes son valores complejos. Hemos visto cómo los valores complejos de la función de onda se pueden usar para calcular probabilidades (ver Matemáticas y Física Cuántica (2) Probabilidad). Bueno, ahora usaremos los COEFICIENTES an para lo mismo: dar la probabilidad del resultado fn, al realizar una medida. Esperamos que esa probabilidad de fn sea 0 si an es 0. Esperamos que la probabilidad de fn sea 1, si todos los demás coeficientes distintos de an son 0. Podemos pedir algunas condiciones más, pero al final, el valor potable, comprobable por la concordancia entre experimento y formulismo cuántico, es que la probabilidad de obtener fn, viene expresado por:

Donde an con asterisco es el complejo conjugado del coeficiente an. Tenemos que revisar las consecuencias de este "postulado cuántico". Ya vamos a ver que algo de esta afirmación puede deducirse cuando veamos operadores funcionales y conozcamos mejor las funciones de onda Psi n (la de los "estados puros"). Cualquier combinación lineal de estados "puros" puede normalizarse para que la suma de las probabilidades sea 1:


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Publicado el 11 de Diciembre, 2014, 5:59

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Sigo traduciendo y comentando a Dirac:

Some time before the discovery of quantum mechanics people realized that the connexion between light waves and photons must be of a statistical character. What they did not clearly realize, however, was that the wave function gives information about the probability of one photon being in a particular place and not the probable number of photons in that place. The importance of the distinction can be made clear in the following way. Suppose we have a beam of light consisting of a large number of photons split up into two components of equal intensity. On the assumption that the intensity of a beam is connected with the probable number of photons in it, we should have half the total number of photons going into each component. If the two components are now made to interfere, we should require a photon in one component to be able to interfere with one in the other. Sometimes these two photons would have to annihilate one another and other times they would have to produce four photons. This would contradict the conservation of energy. The new theory, which connects the wave function with probabilities for one photon, gets over the difficulty by making each photon go partly into each of the two components. Each photon then interferes only with itself. Interference between two different photons never occurs.

Algún tiempo antes del descubrimiento de la mecánica cuántica, la gente se dio cuenta que la conexión entre ondas de luz y los fotones era del tipo estadístico. Lo que no quedó tan claro, sin embargo, fue qe la función de onda da información sobre la probabilidad de un fotón de estar en un lugar en particular y no la probable cantidad de fotones en ese lugar. La importancia de esa distinción puede ponerse en claro de la siguiente manera. Supongamos tenemos un haz de luz consistente en una gran cantidad de fotones, separado en dos componentes de igual intensidad. Si asumimos que la intensidad del haz está conectado con el número probable de fotones que contiene, debemos tener la mitad del total de fotones yendo por cada uno de los dos componentes. Si los dos componentes ahora interfieren entre sí, requerimos que un fotón en un componente pueda interferir con otro fotón del otro componente. Algunas veces estos dos fotones se aniquilarán uno al otro, y otras veces se producirán cuatro fotones. Esto va en contradicción con la conservación de la energía. La nueva teoría, que conecta la función de onda con las probabilidades de un solo fotón, resuelve la dificultad haciendo que cada fotón vaya parcialmente por las dos componentes. Cada fotón entonces interfiere solamente consigo mismo. La interferencia entre dos fotones diferentes nunca ocurre.

No estoy seguro a qué se refiere con "algún tiempo antes del descubrimiento de la mecánica cuántica, la gente se dio cuenta que la conexión entre ondas de luz y los fotones era del tipo estadístico". Porque los fotones no fueron ampliamente aceptados hasta después de los avances de Heisenberg, Schrödinger y otros. Supongo que querrá haberse referido a la polarización de fotones que comenté en otros posts. Pero sí el tema estadístico con respecto a las ondas de luz, y su absorción y emisión, venía siendo ya planteada con Einstein desde 1917, en un artículo que fue fijó los fundamentos del láser.

Pero lo importante del párrafo de arriba, que no siempre se encuentra explicado en los libros de divulgación, es el por qué la necesidad de interferencia del fotón consigo mismo, y no con otros fotones. Si interfiriera con otros fotones, no estaría garantizada la conservación de la energía. Hubo alguna vez algún intento de avanzar por ese camino (recuerdo un "paper" de Bohr, Kramer y Slater), pero luego se vió que era equivocado (igual aclaro que ese artículo "famoso", conocido como BKS, partía de otros modelos, totalmente distintos a lo que menciona Dirac arriba; tendría que repasar la postura de ese artículo, leyendo su comentario en el libro de Franco Selleri "El debate de la teoría cuántica").

En el próximo post, termino de comentar este ejemplo de Dirac. Espero poder luego comentar cómo Dirac, basado en este ejemplo y en el de polarización de fotones, introduce coeficientes COMPLEJOS (no números reales) en el principio de superposición.

Nos leemos!

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Publicado el 8 de Diciembre, 2014, 6:01

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Comencemos leyendo los párrafos iniciales del "paper" de Heisenberg. He conseguido una traducción al inglés (el original fue publicado en alemán) en el libro B. L. van der Waerden, editor, Sources of Quantum Mechanics (Dover Publications). Leo ahí el "paper 12":

Quantum-Theoretical Re-Interpretation of Kinematic and Mechanical Relations
W.Heisenberg

Vemos que Heisenberg menciona cinemática, porque se va a ocupar no sólo de la dinámica, sino también cómo podemos manejar conceptos como la posición x.

The present paper seeks to establish a basis for theoretical quantum mechanics founded exclusively upon relationships between quantities which in principle are observable.

Eso de "observable" es discutible. Pero Heisenberg está motivado por eso: en vez de fundar todo en los mismos conceptos clásicos (como posición, velocidad, ...), va ha hacer una análisis crítico de esos conceptos, introduciendo nuevas formas de entenderlos.

It is well known that the formal rules which are used in quantum theory for calculating observable quantities such as the energy of the hydrogen atom may be seriously criticized on the grounds that they contain, as basic element, relationships between quantities that are apparently unobservable in principle, e.g., position and period of revolution of the electron. Thus these rules lack an evident physical foundation, unless one still wants to retain the hope that the hitherto unobservable quantities may later come within the realm of  experimental determination. This hope might be regarded as justified if the above-mentioned rules were internally consistent and applicable to a clearly defined range of quantum mechanical problems. Experience however shows that only the hydrogen atom and its Stark effect are amenable to treatment by these formal rules of quantum theory. Fundamental difficulties already arise in the problem of ' crossed fields' (hydrogen atom in electric and magnetic fields of differing directions). Also, the reaction of atoms to periodically varying fields cannot be described by these rules. Finally, the extension of the quantum rules to the treatment of atoms having several electrons has proved unfeasible.

El efecto Stark, junto con el efecto Zeeman fueron grandes problemas que tuvieron que ser resueltos en aquella época. El primero involucra un campo eléctrico, el segundo es provocado por un campo magnético. Explicar los resultados de los espectros de los átomos sometidos a tales campos era un desafío para la física.

It has become the practice to characterize this failure of the  quantum-theoretical rules as a deviation from classical mechanics, since the rules themselves were essentially derived from classical mechanics. This characterization has, however, little meaning when one realizes that the Einstein-Bohr frequency condition (which is valid in all cases) already represents such a complete departure from classical mechanics, or rather (using the viewpoint of wave theory) from the kinematics underlying this mechanics, that even for the simplest quantum-theoretical problems the validity of classical mechanics simply cannot be maintained. In this situation it seems sensible to discard all hope of observing hitherto unobservable quantities, such as the position and period of the electron, and to concede that the partial agreement of the quantum rules with experience is more or less fortuitous. Instead it seems more reasonable to try to establish a theoretical quantum mechanics, analogous to classical mechanics, but in which only  relations between observable quantities occur. One can regard the frequency condition and the dispersion theory of Kramers together
with its extensions in recent papers as the most important first steps toward such a quantum-theoretical mechanics. In this paper, we shall seek to establish some new quantum-mechanical relations and apply these to the detailed treatment of a few special problems. We shall restrict ourselves to problems involving one degree of freedom.

Es decir, se va a limitar a una sola "coordenada". Vemos que menciona a Kramer. Tenemos que ver cuáles eran esas ideas de teoría de la dispersión, porque algunas de esas ideas y fórmulas terminan apareciendo en este "paper" de Heisenberg. El conocía a Kramer, por ser el ayudante principal de Bohr, y trabajó con él y publicó "papers" conjuntos cuando estuvo de visita en Copenhague.

Y recuerda las condiciones de frecuencia de Einstein-Bohr, una gran sorpresa que relaciona energía con frecuencia, y que había sido reanimada con las ideas de de Broglie publicadas unos meses antes de este "paper" (sin embargo, no parece que lo de de Broglie influyera en el desarrollo de las ideas de Heinsenberg).

Entonces, estaba todo dado para explicar las frecuencias espectrales, en gran parte al trabajo fundacional de Bohr, pero no se había podido avanzar tanto en el cálculo de las INTENSIDADES de esas frecuencias, por ejemplo, cuando un tipo de átomo era sometido a radiación y temperatura.

Hay un buen resumen de lo que tenemos que entender de este "paper" en:

Papers from the beginning of quantum mechanics

Leo ahí:

Heisenberg's original matrix mechanics - This is the work that created the modern theory of quantum mechanics (Heisenberg 1925). Heisenberg wanted to tackle the question of how to predict correctly the intensities of atomic transition lines, as Bohr had already clarified how to obtain the transition frequencies. Heisenberg began by noticing that, according to Bohr, the correct quantum transition frequencies do not depend just on the current state of motion (as do the frequencies of emitted radiation for a classical orbit), but rather on two states (initial and final). Likewise, in classical theory, the intensities of emitted radiation would be given by the squares of the Fourier amplitudes of the oscillating dipole moment for a given orbit. In an ingenious step, Heisenberg then postulated that instead of a set of Fourier amplitudes for a given orbit (enumerated by one index), one would have to introduce a set of amplitudes depending on two indices, one for the initial, the other for the final state. He assumed that the equations of motion for those amplitudes looked formally the same as in classical theory (Heisenberg equations of motion). The last crucial ingredient is the commutation relation. This he derived by looking at the linear response of an electron to an external perturbation (essentially deriving something like Kubo's formula, containing the commutator) and then demanding that the short-time response would be always that of a free, classical electron. This fixes the commutator between position and momentum. Thus was born matrix mechanics. He applied this immediately to the harmonic oscillator and also dealt with the anharmonic oscillator using perturbation theory.

See also Heisenberg's Nobel Lecture from 1933 to learn more about his view on these developments, and the slightly earlier overview (Heisenberg 1928 (Naturwissenschaften)) that also includes much of the developments before matrix mechanics.

Vamos a tener que visitar series de Fourier, y conceptos clásicos para entender "la maiga" que termina haciendo Heisenberg. Agregaría a lo de arriba que hay unas conferencias de Heinserberg en América (1930?), que tienen una mejor explicación de sus ideas, con más detalle y gentileza que en este "paper", donde a veces da algunos saltos que nos evidentes.

Nos leemos!

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Publicado el 7 de Diciembre, 2014, 5:55

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Mencionaba en el anterior posts el tema de la aparición de números complejos: la función de onda de Schrödinger es inevitablemente una función que arroja valores de números complejos, no es una función real. El propio Schrödinger quiso en algún momento tomar solamente la parte real como significativa físicamente, pero no era el camino correcto. Solamente cuando ese valor complejo se toma como amplitud de probabilidad, es que se puede avanzar (ver Matemáticas y Física Cuántica (2) Probabilidad). Era habitual en física-matemática, operar con complejos por conveniencia, pero tomar la parte real como algo físicamente distinto de la parte imaginaria. Hasta el famoso artículo de Heisenberg de 1925 toma en unos párrafos ese camino. Pero en la formulación de Schrödinger hay que abrazar a los números complejos, no se los puede separar en parte real y parte imaginaria. Son esenciales para la explicación cuántica, e iremos viendo que su presencia le da un "sabor" particular a todo el tema (ver Dirac y las amplitudes de probabilidad en física cuántica).

Hoy vamos a descansar del trabajo matemático. Quiero compartir un texto que no conocía, una nota a un artículo de Schrödinger. No pude encontrar la referencia original, la encontré estos días en el excelente libro de José Navarro Faus "Heisenberg, el principio de incertidumbre", de RBA, editado acá por el diario La Nación, en una serie que aparece cada sábado. En una nota de la página 81, leo:

...Schrödinger se sorprendió mucho de la presencia del número i, porque estaba convencido de la "realidad" de la función de ondas. En uno de sus artículos escribió a pie de página un comentario en el que alude al humor escatológico de Pauli:

Pero, ¿cómo ha podido introducirse i en esta ecuación? Una respuesta, de la que no me atrevo a indicar aquí el sentido general, fue dada por un físico que dejó Austria hace algún tiempo, pero que [...] no ha perdido completamente su afilado humor vienés y que además es muy conocido por encontrar siempre la palabra justa. Esta fue su respuesta: el i se ha deslizado en la ecuación ... como algo que dejamos escapar por casualidad, experimentando no obstante un alivio inapreciable después de haberlo producido involuntariamente.

Pero el artículo A LEER para ver todo el panorama, es el artículo "Square root of minus one, complex phases and Erwin Schrödinger", de Chen Ning Yang, en "Schrödinger, Centenary Celebration of a Polymath". Sí, es el mismo Yang de las teorías Yang-Mills, y el del premio Nobel por su trabajo con Lee en la no conservación de la paridad. Yang hace un recorrido muy lúcido y completo sobre el tema, destacando que tanto la ecuación de Schrödinger como la formulación de Heisenberg, contienen al número i. Escribe "It is to be emphasized that the very meaning of these equations would be totally destroyed if one tries to get rid of i by writing [them] in terms of real and imaginary parts.

Yang cita más en extenso, el comentario de Dirac que mencioné en un enlace de más arriba:

So if one asks what is the main feature of quantum mechanics, I feel inclined now to say that it is not noncommutative algebra. Ti is the existence of probability amplitudes which underlie all atomic processes. Now a probability amplitude is related to experiment but only partially. The square of its modulus is something what we can observe. That is the probability which experimental people get. But besides that there is a phase, a number of modulus unity which can modify without affecting the squares of the modulus. And this phase is all important because it is the source of all interference phenomena but its physical significance is obscure. So the real genius of Heisenberg and Schrödinger, you might say, was to discover the existence of probability amplitudes containing this phase quantity which is very well hidden in nature and it is because it was so well hidden that people hadn't thought of quantum mechanics much earlier.

(no quiero dejar notar que lo de "physical significance is obscure" puede que esté relacionado con el efecto Aharanov-Bohm, tal vez el primer lugar donde la fase compleja parece tener significado físico experimental).

Escribe el propio Yang más adelante:

Classical physics, that is the physics before 1925, used exclusively real quantities. This was true for mechanics, thermodynamics, electrodynamics - the whole of classical physics. To be sure, complex numbers were used in many places. For example, in solving a linear alternating current problem complex numbers were used. But after the solution had been found, one always took the real or imaginary part of the solution in order to obtain the true physical answer. So the use of complex numbers was as a computational aid, i.e. the physics was conceptually in terms of real numbers.

With matrix mechanics [Heisenberg] and wave mechanics [Schrödinger], however, the situation dramatically changes. Complex numbers became a conceptual element of the very foundation of physics...

Veamos su comentario sobre la actitud de Schrödinger:

... wave mechanics which was created in a historical series of six papers ... all written within the first six months of 1926 by Erwin Schrödinger. In the first five of these Schrödinger had in mind the factorization of his wave function into real stationary function of x and a sinusoidal function of time...

Lo que explica que también que a Schrödinger se le escapara contemplar a la función completa como amplitud de probabilidad, como haría más adelante Max Born (me apresuro a recordar que ya en 1925 Max Born y Jordan habían tomado los coeficientes complejos que aparecían en las matrices de Heisenberg como lo que hoy llamamos amplitudes de probabilidad, creo que habían aparecido en los artículos de Krammer sobre dispersión, pero tengo que revisar).

...That Schrödinger did this was not surprising, since he was thinking of a standing wave description of the electron, very much in analogy with a standing electromagnetic wave or a water wave. Such waves do have phases, but nevertheless they are described by real functions of space-time.

En un ejemplo en una nota al pie de unos de sus artículos, Schrödinger pone una función compleja, poniendo que esa expresión "the real part is to be taken, as usual". Escribe Yang:

... [it's] revealing his general attitude on this matter, which was the same as in the usual linear circuit: Psi may be complex, but one always takes the real part in the end.

El 27 de Mayo de 1926, H.A.Lorentz, de 73 años de edad, le escribe una larga carta a Schrödinger, agradeciéndole que le haya enviado las pruebas de tres artículos, y le plantea varias cuestiones. Para Yang, dos de esas cuestiones son relevantes para el tema de hoy: a) cómo intepretar la función psi para dos o más partículas, b) Lorentz opinaba que las verdaderas ecuaciones de movimiento no deberían contener E de ninguna forma, solamente derivadas temporales. Schrödinger le contesta el 6 de Junio. Es interesante notar que a) nos lleva a que haya más coordenadas, y que psi no es una función sobre "el espacio real". Si tenemos dos electrones, las coordenadas se duplican. En la respuesta, Schrödinger le comenta que ha abandonado la expresión psi (derivada parcial de psi por tiempo), y ha empezado a usar, para su último artículo, psi por la conjugada compleja de psi, "for the electric charge density in real space". Y escribe: "What is unpleasant here, and indeed directly to objected to, is the use of complex numbers. psi is surely fundamentally a real function". Es decir, el bueno de Erwin todavía no se había tragado la píldora de lo esencial de los números complejos. Con respecto a b), es interesante notar que Schrödinger le contesta con una ecuación, donde E al cuadrado es reemplazada por H al cuadrado. Y ese cuadrado le permite no poner el número i en la expresión.

De hecho, la ecuación de Schrödinger como la hemos expuesto hasta acá, no aparece en ninguno de sus primeros cinco "papers". La respuesta que le da a Lorentz indica que aún en Junio de 1926, estaba luchando por eliminar de alguna forma la parte imaginaria.

Poco después de haberse enviado el sexto artículo de Schrödinger, Max Born publica dos artículos. Usa una función real senoidal. Escribe Yang:

Because everything was real, Born did not use 'absolute square' but only 'square' in the famous footnote (added to the first paper in proof) which Pais referred as follows (Pais, 1986): 'that great novelty, the correct transition probability concept, entered physics by way of a footnote'. It was only in the second paper that Born used complex numbers for the incoming and outgoing waves.

Algo notable que descubro en el artículo de Yang, es que el propio Schrödinger ya en 1922 había publicado un "paper" titulado "On a remarkable property of the quantum orbit of one electron", en el que mencionaba la posibilidad de introducir un factor imaginario (menos i por h sobre 2 pi) en la teoría gauge de Weyl de 1918 (tendría que revisar si ya en 1922 conocía personalmente a Weyl. En el desarrollo de 1925/1926, Weyl ayudó personalmente a Schrödinger, reuniéndose todos los martes al finalziar la tarde para conversar sobre el avance de su desarrollo; Weyl fue amante de la esposa de Schrödinger, en un asunto más de la curiosa vida sentimental de Erwin, que tenía digamos un "matrimonio abierto"). Ver Notas sobre Teorías Gauge (5).

Escribe Yang:

In his great papers of 1926 which created wave mechanics Schrödinger did not refer to this 1922 paper. But Raman and Forman (1969) in their historical research argued that this 1922 paper had in fact played an important role in 'Why was it Schrödinger who developed de Broglie's ideas?' Their thesis was later confirmed by Hanle (1977, 1979; see also Wessels, 1977), who found the following passage in a letter dated November 3, 1925 from Schrödinger to Einstein:

The de Broglie interpretation of the quantum rules seems to me to be related in some ways to my note in the Zs.f.Phys.12, 13, 1922, where a remarkable property of Weyl 'gauge factor' ... along each quasi-period is shown. The mathematical situation is, as far I can see, the same, only from me much more formal, less elegant and not really shown generally. Naturally de Broglie's consideration in the framework of his large theory is altogether of far greater value than my single statement, which I did not know what to make of at first.

Thirteen days later, on November 16, 1925, Schrödinger wrote to Lande (Raman and Forman, 1969):

Recently I have been deeply involved with Louis de Broglie's ingenious thesis. It's extraordinary stimulating but nonetheless some of it is very hard to swallow. I have vainly attempted to make myself a picture of the phase wave of an electron in an elliptical orbit. The 'rays' are almost certaintly neighboring Kepler ellipses of equal energy. That, however, gives horrible 'caustics' or the like as the wave front. At the same time, the length of the wave ought to be equal to [that of the orbit traced out by the electron] one Zeeman or Stark cycle!

Schrödinger was by then evidently well on his way to the first great paper on wave mechanics which he submitted on January 27, 1926.

No tengo el artículo de Raman y Forman. Pero hay que leer el "A few reasons why Louis de Broglie discovered matter waves and yet did not discover Schrödinger"s equation" de Olivier Darrigol, incluido en el libro "Erwin Schrödinger - 50 Years After".

Vayamos terminando. Lo importante a entender, es que Yang apunta a que la aparición de una fase compleja nos llevó a una teoría gauge, donde el electromagnetismo puede ser introducido en la mecánica cuántica con un operador sobre psi, donde aparece i. Esto nos llevaría más allá del tema de esta serie, pero es bueno tenerlo en cuanta. Todo llevó al artículo de Weyl de 1929 donde se discute el electromagnetismo como una teoría gauge, y donde Weyl hace uso de la fase compleja QUE YA Schrödinger había sugerido en 1922. Es interesante repasar en otro momento la última parte del artículo de Yang, donde muestra la posible influencia histórica de distintos "papers", como el de Bose sobre Einstein, y algunos de London y Fock. Seguramente será alimento para mi serie de notas sobre teorías gauge.

Nos leemos!

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Publicado el 26 de Noviembre, 2014, 7:21

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Sigo leyendo "el Penrose", sección 20.1, cuarta página. Sobre el lagrangiano L:

La interpretación física normal del valor real de la función L sería la diferencia L = K - V entre la energía cinética K del sistema y la energía potencial debida a las fuerzas externas, expresadas en dichas coordenadas .. Las ecuaciones de movimiento del sistema -que codifican todo su comportamiento newtoniano- vienen dadas por lo que se denominan las ecuaciones de Euler-Lagrange, que son sorprendentes por su extraordinario alcance y esencial simplicidad:

Recordemos que cada [derivada temporal de xi] debe tratarse como una variable inadependiente, de modo que la expresión [derivar parcialmente L por la derivada temporal de xr] tiene sentido!

Sí, ese un punto notable: todo funciona si tomamos a esas derivadas temporales como variables independientes. Todos los detalles matemáticos, su relación con el cálculo de variaciones, y también la obtención de estas ecuaciones siguiendo otro camino, a partir de ideas de D'Alembert, quedará en mi serie de posts Lagrangianos y Hamiltonianos.

Estas ecuaciones expresan un hecho notable, a veces conocido como principio de Hamilton o principio de acción estacionaria. Su significado se hace quizá más claro si pensamos en términos del movimiento del punto Q, en C, donde recordamos que C representa el espacio de configuraciones espaciales posibles de todo el sistema (i.e., todas las posiciones de todas sus partes). El punto Q, cuya posición en cualquier instante está etiquetada por las xi, se mueve a lo largo de cierta curva en C a una cierta velocidad que, junto con la dirección tangente a la curva, está determinada por los valores de las [derivadas temporas xr, tomadas como variables independientes]. Las ecuaciones de Euler-Lagrange nos dicen básicamente que el movimiento de Q en C es tal que minimiza la acción, siendo esta "acción", la integral de L a lo largo de la curva, tomada entre dos puntos extremos fijos, a, b, en el espacio de configuración C...

Tengo entendido que Lagrange llegó a esas ecuaciones partiendo de otras ideas, de D'Alembert. Euler al parecer las conocía como Hamilton, como propiedades obtenidas del cálculo de variaciones de esa integral de L. Pero no he encontrado confirmación. Por ejemplo, no sé entonces por qué se llama principio de Hamilton y no de Euler. El que se trate de encontrar un extremal de una integral de camino es lo que le da el sabor geométrico especial a todo este formulismo, permitiendo el cambio de coordenadas, llegando a ecuaciones de movimiento equivalentes.

Nos leemos!

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Publicado el 21 de Noviembre, 2014, 13:41

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Ya Stephen Jay Gould ha dejado planteado lo que ve de trato diferencial entre ciencias "duras" y ciencias "históricas" (que tienen que explicar no solo el presente sino también el pasado, como la geología).

Quizá el aspecto más triste de esta clasificación lineal radica en la aceptación de la inferioridad por parte de los que habitan en los niveles más bajos, y en su esfuerzo persistente por remedar métodos inapropiados que pueden funcionar en un nivel superior de la escala. En un momento en el que el propio orden debiera desafiarse vigorosamente y la pluralidad con igualdad defendida con orgullo, demasiados científicos históricos actúan como el preso de confianza quien, siempre consciente de sus tenues ventajas, sobrepasa al mismo guardián en su celo para conservar el statu quo de poder y subordinación.

Ahora pone un ejemplo:

Así, los científicos históricos suelen importar una caricatura muy simplificada de la ciencia "dura", o simplemente se someten a las declaraciones de profesiones de posición superior. Muchos geólogos aceptaron las últimas fechas (y las más restrictivas) de lord Kelvin para una Tierra joven, aunque los datos procedentes de fósiles y estratos hablaban claramente a favor de más tiempo. (La fecha de Kelvin tenía el prestigio de las fórmulas matemáticas y el peso de la física, aunque el descubrimiento de la radiactividad pronto invalidó la premisa de Kelvin de que el calor que ahora surge del interior de la Tierra registra el enfriamento de nuestro planeta a partir de un estado inicial fundido no muy antiguo.)

No estoy tan seguro que se haya aceptado la propuesta de lord Kelvin por "el prestigio de las fórmulas matemáticas". Seguramente habrá influido, pero también habrá habido resistencia o adopción de sus ideas por otras razones. En todo caso, Kelvin las exponía basado en lo que se sabía entonces del calor del Sol y de la Tierra y su presunto origen. Pero aún lord Kelvin dejó abierta la posibilidad de que en el futuro se descubrieran nuevas explicaciones. Ver Lord Kelvin y Rutherford, y cómo Kelvin termina aceptando de buen grado que puede haber otros modelos. Eso es parte del avance de la ciencia.

Y justamente eso es lo que veo: tanto en ciencias "duras" como en "históricas", lo que cuenta es plantear modelos explicativos de los hechos, pasados o presentes.

En próximos posts, veremos algunos ejemplos más sobre la "aceptación" de lo "duro" sobre lo "histórico", según Gould.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia

Publicado el 20 de Noviembre, 2014, 16:25

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En estos días, he tenido un "impasse" en mi labor diaria, así que he tenido tiempo (apenas un poco) para leer más en detalle algunos temas. Uno de esos temas que siempre estaba cerca para ser considerado, volvió a aparecer en mis lecturas, y desde más de una fuente.

El desarrollo de la primera mecánica cuántica culmina en 1925/26, en el siglo pasado, con la aparición de las formulaciones de Heisenberg y Schrödinger. Dos "approaches" que, a primera vista, eran totalmente distintos. El tema función de onda, y ecuación de Schrödinger los estoy tratando en la seria La Ecuación de Schrödinger, y al comienzo de la serie Matemáticas y Física Cuántica (esta última basado en varias fuentes, pero principalmente por ahora en Landau/Lifshitz). Un tratamiento parecido, pero más físico y conceptual, siguiendo en lo que puedo a Feynman, a partir de un ejemplo inicial de Steven Weinberg, se encuentra en la serie Física Cuántica. Si alguien le interesa el desarrollo histórico de las ideas de Schrodinger, leer Fundamentos de Mecánica Cuánica de Borowitz. Varias de estas fuentes están mencionadas en Estudiando Física Cuántica.

Pero sobre el camino de Heisenberg, apenas si he escrito algo en concreto, mas bien lo que he escrito se ha orientado a dilucidar el ambiente y la historia de ese desarrollo. Ver la serie Heisenberg desarrollando  la mecánica cuántica, y posts como Dirac revisando el trabajo de Heisenberg y Dirac y la teoría de Heisenberg.

Ha llegado el momento de iniciar esta serie, donde trataremos de entender cuál fue el aporte de Heisenberg, sus preludios, sus motivaciones y algo de su evolución. No es un tema muy popular: hoy en los libros de textos y de divulgación se prefiere exponer Schrödinger, o sino, la formulación de Dirac. Pero el que exploremos y tratemos de entender el trabajo original de Heisenberg nos va a dar un mayor conocimiento de la historia del desarrollo físico en el primer cuarto de siglo pasado.

Mi primer contacto con esa historia y desarrollo, lo tuve el siglo pasado cuando adquiría el excelente libro Source of Quantum Mechanics, editado por van der Waerden (ya mencionado en Estudiando Física Cuántica), con sus comentarios, y la republicación de los "papers" fundamentales de este camino, incluyendo el "famoso" de Heisenberg de 1925. Pero aún con la ayuda de esos comentarios, el entender la serie de "papers", no arroja siempre luz sobre EL "paper" de Heisenberg, por lo menos para un aficionado. Por un lado, varios de esos "papers" tienen notaciones distintas de las actuales, y hacen referencias a resultados clásicos (especialmente en electromagnetismo) no siempre claros para estos años actuales.

Para que vean que no es fácil entender EL "paper" de Heisenberg, cito a Steven Weinberg (fuente On Matrix Mechanics):

I have tried several times to read the paper that Heisenberg wrote on returning from Helgoland, and, although I think I understand quantum mechanics, I have never understood Heisenberg"s motivations for the mathematical steps in his paper.

Es que en ese "paper", Heisenberg hace magia, y hace saltos en la deducción, basada en analogías que sólo se le pudieron ocurrir a él.

Como comentaba al comienzo, varias circunstancias hicieron que apareciera este tema como prominente en esos días. No quisiera olvidar de mencionar hoy al excelente libro sobre Heisenberg, que publicó el diario La Nación, acá en Argentina, firmado por Jesús Navarro Faus. Y por otra coincidencia, me reencontré con un librito delicioso, de Fondo de Cultura Económica, Los creadores de la nueva física, de Barbara Lovett Cline. No creo que hoy pueda nombrar todas las fuentes que estuve consultando, pero no quería olvidarme de éstas al principio.

Pero el que realmente me ayudó a empezar, sólo a empezar, a ver la luz, fue el (muchas veces citado en otras fuentes, como el artículo "clásico" de revisión de las ideas de Heisenberg):

Understanding Heisenberg"s "magical" paper of July 1925: a new look at the calculational details (pdf) ver también http://arxiv.org/abs/quant-ph/0404009

Y luego, un muy buen desarrollo, en todo un libro, de mecánica cuántica matricial, en el libro Heisenberg's Quantum Mechanics, de Mohsen Razavy. Ver http://www.amazon.com/Heisenbergs-Quantum-Mechanics-Mohsen-Razavy/dp/9814304115

Tengo otras fuentes para mencionar, y otras todavía para investigar. Seguiré en el próximo post mencionándolas, o ya entrando en el tema del desarrollo de Heisenberg. Un libro que descubrí hace poco, y tengo que leer en detalle, es el Matrix Mechanics, de Herberg Green, con un comentario inicial de Max Born. Ver http://www.amazon.com/Matrix-Mechanics-Herbert-S-Green/dp/B0006BMIP8. Ahí encuentro que una de las fórmulas conocidas de la formulación de Heisenberg, que implica un conmutador, sale así porque para H el operador era dependiente del tiempo. Si hubiera tenido vectores de estado, con operador independiente del tiempo, los mismos pasos, HUBIERAN LLEVADO A LA ECUACION DE SCHRODINGER!

Nos leemos!

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Publicado el 19 de Noviembre, 2014, 13:44

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Six Quantum Pieces (World Scientific)
http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/7965

quantum mechanics - How to get the position operator in the momentum representation from knowing the momentum operator in the position representation? - Physics Stack Exchange
http://physics.stackexchange.com/questions/86824/how-to-get-the-position-operator-in-the-momentum-representation-from-knowing-the

McCabism: What is an elementary particle?
http://mccabism.blogspot.com.ar/2009/02/what-is-elementary-particle.html

quantum mechanics - How is the physical meaning of an irreducible representation justified? - MathOverflow
http://mathoverflow.net/questions/16074/how-is-the-physical-meaning-of-an-irreducible-representation-justified

Group Theory and Symmetries in Particle Physics
http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/158707.pdf

Symmetry and Particle Physics
http://www.mth.kcl.ac.uk/~jbg34/Site/Resources/lectnotes(master).pdf

quantum field theory - Why do we say that irreducible representation of Poincare group represents the one-particle state? - Physics Stack Exchange
http://physics.stackexchange.com/questions/73593/why-do-we-say-that-irreducible-representation-of-poincare-group-represents-the-o

Elementary Particles
http://math.ucr.edu/home/baez/qg-spring2003/elementary/

quantum mechanics - Correspondence between wave function and state vector - Physics Stack Exchange
http://physics.stackexchange.com/questions/103353/correspondence-between-wave-function-and-state-vector

Vector representation of wavefunction in quantum mechanics? - Physics Stack Exchange
http://physics.stackexchange.com/questions/61133/vector-representation-of-wavefunction-in-quantum-mechanics

The Unreasonable Effectiveness of Quantum Field Theory
http://arxiv.org/abs/hep-th/9602122

Pascual Jordan, Glory and Demise and his legacy in contemporary local quantum physics
http://cds.cern.ch/record/610390/files/0303241.pdf

Dirac delta function - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=J-oyM1GyyDk

Eugene Wigner - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Eugene_Wigner

Self-adjoint operator - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Self-adjoint_operator

De Broglie–Bohm theory - Wikipedia, the free encyclopedia
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Publicado el 17 de Noviembre, 2014, 13:57

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Expanding Our Horizons: Matter, Space, and the Universe - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=0eaWHUMjgqk

Particles, Fields and The Future of Physics - A Lecture by Sean Carroll - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=gEKSpZPByD0

El nucleo atómico y sus modelos | Cuentos Cuánticos
http://cuentos-cuanticos.com/2014/05/04/el-nucleo-atomico-y-sus-modelos/

Pildorazo de Partículas Elementales XI: Interacciones entre Partículas | Cuentos Cuánticos
http://cuentos-cuanticos.com/2011/08/14/pildorazo-interacciones-entre-particulas/

Pildorazo de Partículas Elementales III: Espín | Cuentos Cuánticos
http://cuentos-cuanticos.com/2011/08/14/pildorazo-espin/

Pildorazo sobre Partículas elementales I: Probabilidad | Cuentos Cuánticos
http://cuentos-cuanticos.com/2011/08/13/pildorazo-probabilidad/

Pildorazo de Partículas elementales II: Simetría del estado cuántico | Cuentos Cuánticos
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Partículas Elementales | Cuentos Cuánticos
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Reacción beta doble y el secreto del neutrino | Cuentos Cuánticos
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(367) Layman's Terms: What is a Lagrangian? - Quora
http://www.quora.com/Laymans-Terms/What-is-a-Lagrangian

frankwilczek.com/2014/couplingUnificationWithFigures01.pdf
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(366) Physics: Who are the top 5 living theoretical physicists? - Quora
http://www.quora.com/Physics/Who-are-the-top-5-living-theoretical-physicists

New Quantum Theory Could Explain the Flow of Time | Science | WIRED
http://www.wired.com/2014/04/quantum-theory-flow-time

La revolución de los quarks | Sociedad | EL PAÍS
http://sociedad.elpais.com/sociedad/2014/04/15/actualidad/1397587334_205595.html

Exotic space particles slam into buried South Pole detector : Nature News & Comment
http://www.nature.com/news/exotic-space-particles-slam-into-buried-south-pole-detector-1.15036

The Astounding Link Between the P≠NP Problem and the Quantum Nature of Universe — The Physics arXiv Blog — Medium
https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/7ef5eea6fd7a

Quantum Diaries
http://www.quantumdiaries.org/2014/03/19/supersymmetry-a-tantalising-theory/

On a Heuristic Point of View about the Creation and Conversion of Light
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Publicado el 15 de Noviembre, 2014, 16:41

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Hemos al fin llegado a la ecuación:

Destaquemos algunos puntos.

Primero, llegamos a la ecuación de arriba SUPONIENDO que V(x, t) (la energía potencial, como función de las coordenadas y el tiempo) ERA CONSTANTE. Partimos de una partícula libre, que se traslada en un potencial constante, invariable aún en el tiempo.

Luego, POSTULAMOS que esa ecuación es la correcta, aún para V(x, t). Este último punto, no podemos deducirlo, ni nosotros, ni Schrödinger, ni nadie. Recordemos el post Las ecuaciones de Schrödinger, por Richard Feynman. Escribía Feynman:

Cuando Schrödinger la escribió [la ecuación] por primera vez, dio una especia de deducción basada en algunos argumentos heurísticos y en algunas conjeturas intuitivas brillantes. Algunos de los argumentos que usó hasta eran falsos, pero no importa; lo único importante es que la ecuación fundamental da una descripción correcta de la naturaleza.

Vamos a tener que familiarizarnos con la ecuación y sus variantes, y aplicarla a resolver algunos problemas. Pero antes, otro punto: vemos la aparición de números complejos. Si repasamos nuestra "deducción", la aparición de i (la raíz cuadrada de menos uno) se debe a que mezclamos la derivada temporal PRIMERA con la SEGUNDA de las coordenadas. Hay una asimetría en el tratamiento del tiempo y de la posición en esta ecuación. Desde ya, podemos intuir que no será adecuada para tratamientos relativistas, donde tiempo y posición son tratados en pie de igualdad.

De hecho, Schrödinger intentó primero obtener una solución relativista, pero cuando fracasó pudo relajarse y encontrar su ecuación famosa. Todo este planteamiento es no relativista porque uno de los supuestos de los que partimos fue de la ecuación no relativista de la energía:

Tiempo después del desarrollo de Schrödinger, Dirac consiguió una ecuación relativista basada en la expresión relativista de la energía total:

La presencia de una raíz cuadrada complica la solución, que no era evidente. Pero cuando Dirac la resolvió, apareció que la ecuación describía tanto al electrón como a otra partícula, de carga positiva. La presencia de la raíz cuadrada como que imponía la existencia de dos soluciones. Con el tiempo se vió que la partícula adicional era el positrón. La relatividad hizo posible la explicación de la antimateria, y de la creación y destrucción de pares. Pero es otra historia, que espero podamos visitar en otra serie de posts.

No era la primera vez que los números complejos aparecían en física, pero no era común su empleo. La ecuación de onda tiene entonces soluciones que pueden dar números complejos. Pero no hay experimento que mida un número complejo. Entonces ¿a qué se refiere esa función de onda? Ni siquiera Schrödinger acertó en su primera interpretación. Ya veremos a qué estan ligados esos valores complejos, como se los asocia a valores reales físicos.

Ver también:

Schrödinger equation
On the origins of the Schrödinger equation
The Schrödinger Equation in One Dimension
About the complex nature of the wave function?
Why complex numbers are fundamental in physics

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Publicado el 14 de Noviembre, 2014, 14:39

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Researchers Just Solved One of Quantum Computing's Biggest Problems
http://gizmodo.com/researchers-just-solved-one-of-quantum-computings-bigg-1514954753

Weinberg angle - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Weak_mixing_angle

Why is group theory useful for physics? - A video guide to representations and normal modes. - YouTube
http://www.youtube.com/watch?v=oWhQAzB4U0E

Alice in Quantumland: A Charming Illustrated Allegory of Quantum Mechanics by a CERN Physicist | Brain Pickings
http://www.brainpickings.org/index.php/2014/01/30/alice-in-quantumland-robert-gilmore/

The Mathematics Genealogy Project - Wolfgang Pauli
http://www.genealogy.ams.org/id.php?id=22421

What if every electron in the universe was all the same exact particle?
http://io9.com/5876966/what-if-every-electron-in-the-universe-was-all-the-same-exact-particle

Spin structure - Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_structure

Quantum Theory Won't Save The Soul - Neuroskeptic | DiscoverMagazine.com
http://blogs.discovermagazine.com/neuroskeptic/2013/12/22/quantum-theory-wont-save-soul/#.UscsDfRDvWc

Ciencia-Física | Scoop.it
http://www.scoop.it/t/ciencia-fisica

The concept of particle in Quantum Field Theory
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0907/0907.0178.pdf

Electromagnetic Duality for Children
http://www.maths.ed.ac.uk/~jmf/Teaching/Lectures/EDC.pdf

Bitcoins, Quantum Computers, and Robot Dinosaurs: WIRED's Top Business Stories of the Year | Wired Business | Wired.com
http://www.wired.com/business/2014/01/wired-business-year/

Japanese Scientists Prove That Teleportation Is Possible | The Collective Intelligence
http://www.thecollectiveint.com/2013/12/japanese-scientists-prove-that.html

[1310.7534] Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron
http://arxiv.org/abs/1310.7534

YaleNews | Electron's shapeliness throws a curve at supersymmetry
http://news.yale.edu/2013/12/19/electrons-shapeliness-throws-curve-supersymmetry

Richard Feynman - No Ordinary Genius (Documentary) - YouTube
http://www.youtube.com/watch?v=e9tanx_0pqQ

Chasing the Higgs - How 2 Teams of Rivals Searched for Physics" Most Elusive Particle - NYTimes.com
http://www.nytimes.com/2013/03/05/science/chasing-the-higgs-boson-how-2-teams-of-rivals-at-CERN-searched-for-physics-most-elusive-particle.html?adxnnl=1&adxnnlx=1387929842-Y5BFQQneaGWSxjUt4GjmTQ

Physics: The Bohr Model
http://omnilogos.com/physics-the-bohr-model/

Simulations back up theory that Universe is a hologram : Nature News & Comment
http://www.nature.com/news/simulations-back-up-theory-that-universe-is-a-hologram-1.14328

Pat'sBlog: On This Day in Math - December 14
http://pballew.blogspot.com.ar/2013/12/on-this-day-in-math-december-14.html

Higgs: La necesidad de un héroe
http://www.revistaenie.clarin.com/ideas/Peter-Higgs_0_1047495250.html

MIT Spectroscopy Lab - History
http://web.mit.edu/spectroscopy/history/history-quantum.html

MIT Spectroscopy Lab - History - Spectroscopy History
http://web.mit.edu/spectroscopy/history/spec-history.html

PhysicsLAB: Famous Discoveries: The Franck-Hertz Experiment
http://dev.physicslab.org/Document.aspx?doctype=3&filename=AtomicNuclear_FranckHertzExperiment.xml

Dirac Lecture 1 (of 4) - Quantum Mechanics - YouTube
http://www.youtube.com/watch?v=vwYs8tTLZ24

Google's Quantum AI Lab adds quantum physics to Minecraft | The Verge
http://www.theverge.com/2013/10/20/4859548/googles-quantum-ai-lab-minecraft-quantum-physics

The uncertain location of electrons - George Zaidan and Charles Morton - YouTube
http://www.youtube.com/watch?v=8ROHpZ0A70I

The Theorizers of The God Particle Win Noble Prize, But Massive Mysteries Remain - Forbes
http://www.forbes.com/sites/anthonykosner/2013/10/12/the-theorizers-of-the-god-particle-win-noble-prize-but-massive-mysteries-remain/

From Quarks to Quasars » Standard Model: An Overview of Particle Physics.
http://www.fromquarkstoquasars.com/standard-model-an-overview-of-particle-physics/

Higgs Boson Explanations
http://www.physics.org/toplistdetail.asp?id=28

After the Higgs Boson: A Preview of Tomorrow's Radical Physics - Out There | Discovermagazine.com
http://blogs.discovermagazine.com/outthere/?p=1039#.Ulg-3lCfi8A

Charged particles can be accelerated using light, leading the way for more compact particle accelerators
http://phys.org/news/2013-10-particles-compact-particle.html

The power of one: Single photons illuminate quantum technology
http://phys.org/news/2013-10-power-photons-illuminate-quantum-technology.html

US participation in the Higgs discovery | symmetry magazine
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Publicado el 9 de Noviembre, 2014, 13:26

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Estuve leyendo estos días más sobre la historia de vida de Heisenberg. Uno de los libros que leyó antes de entrar a la universidad, fue un clásico de Hermann Weyl, Espacio, Tiempo y Materia. Hoy fui a leer las primeras secciones, y me encuentro con Weyl comentando sobre una teoría gauge suya, que no tuvo éxito. Escribe en el prefacio a la primera edición americana:

This translation is made from the fourth edition of raum zkit matkrik which was published in 1921. Relativity theory as expounded in this book deals with the space-time aspect of classical physics. Thus, the book's contents are comparatively little affected by the stormy development of quantum physics during the last three decades. This fact, aside from the public's demand, may justify its re-issue after so long a time. Of course, had the author to re-write the book today, he would take into account certain events that have modified the situation in the intervening years.

Weyl menciona como primer punto el tema que nos interesa: su primer teoría gauge:

The principle of general relativity had resulted above all in a new theory of the gravitational field. While it was not difficult to adapt also Maxwell's equations of the electromagnetic field to this principle, it proved insufficient to reach the goal at which classical field physics is aiming: a unified field theory deriving all forces of nature from one common structure of the world and one uniquely determined law of action. In the last two of its 36 sections, my book describes an attempt to attain this goal by a new principle which I called gauge invariance (Eichinvarianz). This attempt has failed. There holds, as we know now, a principle of gauge invariance in nature; but it does not connect the electromagnetic potentials phi i, as I had assumed, with Einstein's gravitational potentials gik , but ties them to the four components of the wave field psi by which Schrodinger and Dirac taught us to represent the electron. For this and the following points, compare my book, gruppentheorie und quantenmechanik, Leipzig 1928, 2nd ed. 1931, the article, "Elektron und Gravitation" in Zeilschr. f. Physik 56, 1929, p. 330, and my Rouse Ball lecture "Geometry and Physics" in Naturwissenschaflen 19, 1931, pp. 49-58. Of course, one could not have guessed this before the "electronic field" Psi was discovered by quantum mechanics! Since then, however, a unitary field theory, so it seems to me, should encompass at least these three fields: electromagnetic, gravitational and electronic. Ultimately the wave fields of other elementary particles will have to be included too—unless quantum physics succeeds in interpreting them all as different quantum states of one particle.

El psi que menciona es la función de onda de Schrödinger. La primera noticia de este intento gauge de Weyl la encontré en el Penrose. Esto de arriba lo escribe Weyl ya en 1950, sobre la versión de su libro de 1921, y es interesante ver cómo esa idea que no funcionó, luego tuvo su aplicación y resurgimiento en la teoría cuántica, en la función de onda que se introdujo pudo aplicar un cambio de fase complejo.

Leo en artículo de la Wikipedia sobre Weyl:

Weyl, as a major figure in the Göttingen school, was fully apprised of Einstein's work from its early days. He tracked the development ofrelativity physics in his Raum, Zeit, Materie (Space, Time, Matter) from 1918, reaching a 4th edition in 1922. In 1918, he introduced the notion of gauge, and gave the first example of what is now known as a gauge theory. Weyl's gauge theory was an unsuccessful attempt to model the electromagnetic field and the gravitational field as geometrical properties of spacetime. The Weyl tensor in Riemannian geometry is of major importance in understanding the nature of conformal geometry. In 1929, Weyl introduced the concept of the vierbeininto general relativity.[9]

Más sobre las ideas de Weyl en la sección 3 de On the Origins of Gauge Theory.

Ya mencioné a Hermann Weyl en:

Hermann Weyl, Teoría de Grupos y Teoría Cuántica
Hermann Weyl, fisica y matemáticas
Notas sobre Invariantes (1)
Paul Adrien Maurice Dirac por Abraham Pais (8)
Física Cuántica (Parte 3) Vectores de Estado y Realidad Física
Números Complejos en Mecánica Cuántica (1)
Grupos y Física, por Dirac
Estudiando Física Cuántica (1)

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Publicado el 30 de Octubre, 2014, 12:12

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En el anterior post, vimos la recepción favorable de la conferencia de Schrödinger. Por un lado, exponía su método, con un buen caso de aplicación, el átomo de hidrógeno, quedando explicado de una forma más elegante que con la mecánica cuántica matricial. Por otro lado, expuso su interpretación, a la que se opuso firmemente Heisenberg, sin conseguir mayor apoyo.

And so I went home rather sadly. It must have been that same evening that I wrote to Niels Bohr about the unhappy outcome of the discussion. Perhaps it was as a result of this letter that he invited Schrodinger to spend part of September in Copenhagen. Schrodinger agreed, and I, too, sped back to Denmark.

Conocía del viaje de Schrödinger. No sabía que Heisenberg también estuvo en esos momentos

Bohr's discussions with Schrodinger began at the railway station and were continued daily from early morning until late at night. Schrodinger stayed in Bohr's house so that nothing would interrupt the conversations. And although Bohr was normally most considerate and friendly in his dealings with people, he now struck me as an almost remorseless fanatic, one who was not prepared to make the least concession or grant that he could ever be mistaken. It is hardly possible to convey just how passionate the discussions were, just how deeply rooted the convictions of each, a fact that marked their every utterance. All I can hope to do here is to produce a very pale copy of conversations in which two men were fighting for their particular interpretation of the new mathematical scheme with all the powers at their command.

Estos son los recuerdos de Heisenberg:

Schrodinger: "Surely you realize that the whole idea of quantum jumps is bound to end in nonsense. You claim first of all that if an atom is in a stationary state, the electron revolves periodically but does not emit light, when, according to Maxwell's theory, it must. Next, the electron is said to jump from one orbit to the next and to emit radiation. Is this jump supposed to be gradual or sudden? If it is gradual, the orbital frequency and energy of the electron must change gradually as well. But in that case, how do you explain the persistence of fine spectral lines? On the other hand, if the jump is sudden, Einstein's idea of light quanta will admittedly lead us to the right wave number, but then we must ask ourselves how precisely the electron behaves during the jump. Why does it not emit a continuous spectrum, as electromagnetic theory demands? And what laws govern its motion during the jump? In other words, the whole idea of quantum jumps is sheer fantasy."

El tema en discusión son los saltos cuánticos. Schrödinger no los admitía. Es interesante esta transcripción de Heisenberg, porque va a más detalle que otros resúmenes de divulgación.

Bohr: "What you say is absolutely correct. But it does not prove that there are no quantum jumps. It only proves that we cannot imagine them, that the representational concepts with which we describe events in daily life and experiments in classical physics are inadequate when it comes to describing quantum jumps. Nor should we be surprised to find it so, seeing that the processes involved are not the objects of direct experience."

Schrodinger: "I don't wish to enter into long arguments about the formation of concepts; I prefer to leave that to the philosophers. I wish only to know what happens inside an atom. I don't really mind what language you choose to discuss it. If there are electrons in the atom, and if these are particles-as all of us believe-then they must surely move in some way. Right now I am not concerned with a precise description of this motion, but it ought to be possible to determine in principle how they behave in the stationary state or during the transition from one state to the next. But from the mathematical form of wave or quantum mechanics alone it is clear that we cannot expect reasonable answers to these questions. The moment, however, that we change the picture and say that there are no discrete electrons, only electron waves or waves of matter, then everything looks quite different. We no longer wonder about the fine lines. The emission of light is as easily explained as the transmission of radio waves through the aerial of the transmitter, and what seemed to be insoluble contradictions have suddenly disappeared. "

Bohr: "I beg to disagree. The contradictions do not disappear; they are simply pushed to one side. You speak of the emission of light by the atom or more generally of the interaction between the atom and the surrounding radiation field, and you think that all the problems are solved once we assume that there are mate- rial waves but no quantum jumps. But just take the case of thermodynamic equilibrium between the atom and the radiation field-remember, for instance, the Einsteinian derivation of Planck's radiation law. This derivation demands that the energy of the atom should assume discrete values and change discontinuously from time to time; discrete values for the frequencies cannot help us here. You can't seriously be trying to cast doubt on the whole basis of quantum theoryl"

Schrodinger: "I don't for a moment claim that all these relationships have been fully explained. But then you, too, have so far failed to discover a satisfactory physical interpretation of quantum mechanics. There is no reason why the application of thermodynamics to the theory of material waves should not yield a satisfactory explanation of Planck's formula as well-an explanation that will admittedly look somewhat different from all previous ones."

Bohr: "No, there is no hope of that at all. We have known what Planck's formula means for the past twenty-five years. And, quite apart from that, we can see the inconstancies, the sudden jumps in atomic phenomena quite directly, for instance when we watch sudden flashes of light on a scintillation screen or the sudden rush of an electron through a cloud chamber. You cannot simply ignore these observations and behave as if they did not exist at al1."

Schrodinger: "If all this damned quantum jumping were really here to stay, I should be sorry I ever got involved with quantum theory."

Bohr: "But the rest of us are extremely grateful that you did; your wave mechanics has contributed so much to mathematical clarity and simplicity that it represents a gigantic advance over all previous forms of quantum mechanics."

Y acá algo que también conocía, pero parece que es Heisenberg la principal fuente que tenemos: Schrödinger cae enfermo, y Bohr sigue atosigándolo:

And so the discussions continued day and night. After a few days Schrodinger fell ill, perhaps as a result of his enormous effort; in any case, he was forced to keep to his bed wi th a feverish cold. While Mrs. Bohr nursed him and brought in tea and cake, Niels Bohr kept sitting on the edge of the bed talking at Schrodinger: "But you must surely admit that . . ." No real understanding could be expected since, at the time, neither side was able to offer a complete and coherent interpretation of quantum mechanics. For all that, we in Copenhagen felt convinced toward the end of Schrodinger's visit that we were on the right track, though we fully realized how difficult it would be to convince even leading physicists that they must abandon all attempts to construct perceptual models of atomic processes.

Nos leemos1

Angel "Java" Lopez
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Publicado el 26 de Octubre, 2014, 17:19

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Sea ahora que tengamos un estado físico E1, representado por la función de onda:

Y que tenemos un estado físico E2, representado por otra función de onda:

Entonces, resulta algo notable: la combinación lineal de ambas funciones de ondas, usando coeficientes complejos, ES TAMBIEN UNA FUNCION DE ONDA que representa UN ESTADO FISICO:

Esto no tendría por qué haber sido así: pero se descubrió experimentalmente. Los estados físicos se pueden combinar, y su combinación expresa matemáticamente con la combinación lineal de sus funciones de onda.

En general, las funciones de onda se usan normalizadas. Así, las funciones de onda de las que partimos, deberían estar normalizadas. Pero dependiendo de los coeficientes ci, la nueva función de onda puede que esté o no normalizada. Recordemos del anterior post, la probabilidad de encontrar al sistema en cuestión (un electrón, un átomo de helio, etc.) en un estado representado por la función de onda en el volumen Q de coordenadas era:

Se dice que la función de onda está normalizada, si esa probabilidad, extendida a todo el espacio de coordenadas, da probabilidad 1:

Calculemos esta última integral para nuestra nueva función de ondas:



No sabemos cuánto valen las integrales de estos términos, pero si toda esta evaluación diera, digamos 2 (dos) como valor resultante, entonces bastará multiplicar cada coeficiente ci por la raíz cuadrada de dos y obtendríamos la nueva función de onda, pero normalizada.

Es la superposición de estados la que permite que dos funciones de onda "interfieran" entre sí. Y notablemente, esta interferencia no se realiza como suma punto a punto de probabilidades, NUMEROS REALES, sino que recordemos que cada punto DA UNA AMPLITUD, un número COMPLEJO. Así, en un punto q la primer función de onda da un número complejo, y la segunda función de onda da OTRO número complejo. Dependiendo de su fase, podrán "interferir" constructiva o destructivamente.

Ver también

http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition

Nos leemos!

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Publicado el 25 de Octubre, 2014, 18:06

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Intentemos otra función de onda. En nuestro anterior intento, fracasamos porque resultó una igualdad con senos y cosenos mezclados, difícil de satisfacer para todos los valores. Eso sucedió porque la función de onda propuesta de la que partimos, sólo tenía seno. Al utilizar sus derivadas parciales, aparecieron más senos y cosenos pero no en una forma manejable.

Sea ahora:

Estamos usando k como número de onda, y la frecuencia angular omega. Ponemos un coeficiente gamma en el término del seno, para tener más libertad de elección en lo que viene. Podríamos haber puesto un coeficiente en el término del coseno, también, teniendo entonces dos coeficientes. Pero por la linealidad que estamos persiguiendo, es lo mismo.

Como antes para la anterior función de onda, calculemos sus derivadas parciales, en x y en t:



Recordemos que ya habíamos partido de:

Habiéndola transformado, aplicando las relaciones de de Broglie y de Einstein, y cambiando longitud de onda por número de onda, y frecuencia por frecuencia angular, quedando:

Entonces, hay un término con omega: por las derivadas de arriba, debería corresponder con la primera derivada temporal. Hay un término con k al cuadrado: ahí entonces debería estar la derivada segunda de x. Como ya vimos, esto nos da:

Expandamos la nueva función de onda y sus derivadas



Esto nos da varios cosenos y senos. Para que la ecuación se cumpla, basta que se cumpla para los factores que tienen seno, por un lado, y para los factores que tienen coseno. Es decir, si reagrupamos por coseno y seno como factores:


Todo se va a cumplir si los coeficientes de seno y coseno SE ANULAN. Queda


Sigue

Con lo que gamma cumple:

Y queda que es la raíz de menos uno (con una indeterminación de signo que no importa ahora):

Sustituyendo esto en una de las ecuaciones de arriba:

Comparando con

queda


Al fin tenemos todo para escribir "nuestra" ecuación de onda:

Bastante por hoy. En el próximo post destacaremos que esto NO es una deducción matemática, sino que es un argumento de plausibilidad. La ecuación de arriba NO SE DEDUCE (ni en los tiempos de Schrodinger ni ahora): hay que postularla.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Publicado el 18 de Octubre, 2014, 17:05

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Esta vez, vuelvo a leer "el Penrose" que ya había citado. Siguiendo el capítulo 20, leo:

... [investiguemos] la imagen lagrangiana... Coordenadas para el T(C) de Lagrange servirían para determinar las posiciones de todos los cuerpos newtonianos (incluidos los ángulos apropiados para especificar las orientaciones espaciales de los cuerpos rígidos, etc.) y también sus velocidades (incluidas las correspondientes velocidades angulares de los cuerpos rígidos, etc.). Las coordenadas de posición q1, ... qn normalmente denominadas "coordenadas generalizadas", etiquetan los diferentes puntos q del espacio de configuración C (quizás dadas solo "al modo de atlas"...) Cualquier sistema de coordenadas (adecuado) servirá. No hace falta que sean "cartesianas" ni de ningún otro tipo estándar. Esta es la belleza del enfoque lagrangiano (y también del hamiltoniano). La elección de coordenadas está gobernada simplemente por la conveniencia... En correspondencia con el conjunto escogido de coordenadas generalizadas están las "velocidades generalizadas" ...

Es bueno recordar la facilidad que nos da el planteamiento lagrangiano para acomodarnos a las coordenadas generalizadas que queramos. Ya mostraré en mi serie de posts matemáticos sobre lagrangianos y hamiltonianos un ejemplo concreto. Pero lo que hay que destacar ahora es que: cambiando las coordenadas, la expresión de la lagrangiana cambia, sus valores no, Y AL APLICARLE EL PROCEDIMIENTO de las ecuaciones de Euler, SE OBTIENEN ECUACIONES DE MOVIMIENTO equivalentes, es decir, no perdemos descripción física. Aún cambiando de coordenadas, la lagrangiana sigue describiendo el mismo sistema. Esto es así (de nuevo, lo veremos más en concreto en mi serie de posts más matemáticos) porque las ecuaciones de Euler expresan una condición GEOMETRICA, que no se pierde al cambiar las coordenadas, si la nueva lagrangiana tiene los mismos valores para Q1,...., Qn y sus velocidades, que los que tenía la vieja para el correspondiente q1,...qn y sus velocidades. Es similar a tener una función que nos dé la distancia entre dos puntos en el plano, y la transformemos a otras coordenadas (variables independientes), pero conservando sus valores, es decir, que nos dé el mismo valor para la distancia entre dos puntos cualesquiera, expresados en las nuevas coordenadas. Que f(x,y) nos dé lo mismo que g(X,Y), siendo f la vieja función con viejas coordenadas, y g la nueva función con nuevas coordenadas. En el caso de la lagrangiana es algo más complicado, porque lo que importa es que se conserve su valor, pero no es el valor de la lagrangiana lo que usamos DIRECTAMENTE, sino que "la trituramos" con las ecuaciones de Euler, y voilá, obtenemos ecuaciones del movimiento, en nuevas coordenadas, pero que describen el MISMO sistema físico.

Lo de "atlas" se refiere a variedades (manifolds) que pueden cubrirse por varios atlas de coordenadas, cada uno ocupa una región de la variedad.

Nos leemos!

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Por ajlopez, en: Ciencia

Publicado el 13 de Octubre, 2014, 14:47

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Sigo leyendo a "An Elementary Primer for Gauge Theory" de K.Moriyasu:

One essential requisite for the study of gauge theory is at least a nodding acquaintance with some of the terminology of group theory. The heart of any gauge theory is the gauge symmetry group and the crucial role that it plays in determining the dynamics of the theory. Fortunately, much of the necessary group theory is already familiar to physics students from the treatment of angular momentum operators in quantum mechanics. The essential difference in gauge theory is that the symmetry group is not associated with any physical coordinate transformation in space-time. Gauge theory is based on an "internal" symmetry. Therefore, one cannot speak of angular momentum operators, but must replace them with the more abstract concept of group generators. This is more than a mere change of labels because the generators have mathematical properties which were previously ignored in quantum mechanics but are very useful in gauge theory. In particular, we will see that the proper understanding of gauge invariance leads naturally to a geometrical description of gauge theory that is both highly intuitive and strongly resembles the familiar geometrical picture of general relativity. By exploiting this geometrical feature of gauge theory, we can often find much simpler interpretations of complicated physical phenomena such as gauge symmetry breaking, which is one of the most important ingredients of the Weinberg-Salam theory.

Es importante destacar la gran diferencia que implica la aparición de simetrías "internas". Es algo que no siempre se pone de manifiesto en los artículos de divulgación: la aparición de "otras dimensiones" donde se juega las simetrías involucradas. Notablemente, reaparecen de otra forma la combinación de transformaciones PERO NO CONMUTATIVAS, como bien menciona al referirse a la similitud con el momento angular. La aparición de teorías gauges no conmutativas es relativamente reciente, podemos remontarnos a Yang-Mills y cía. Y sí, la imagen geométrica ayuda a captar los conceptos que aparecen. Pero no hay nada como una clara formulación matemática.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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Por ajlopez, en: Ciencia

Publicado el 12 de Octubre, 2014, 14:49

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Llega el momento del encuentro entre Heisenberg y Schrodinger:

Toward the end of the 1926 summer term, Sommerfeld invited Schrodinger to address the Munich seminar. I had been working in Copenhagen once again and had familiarized myself with Schrodinger's methods by applying them to the study of the helium atom...

Ese trabajo es un "clásico" de Heisenberg.

...I had finished the work while taking a brief holiday on Lake Mjosa in Norway, had stuffed the manuscript into my rucksack and had set out on unmade paths from Gudbrandsdal, across several mountain chains, to Sogne Fjord. After a short stay in Copenhagen, I finally went on to Munich, where I intended to spend the rest of the vacation with my parents -and so I could be present at Schrodinger's lecture, and discuss his theory with him in person. The audience included the director of the Institute for Experimental Physics in the University of Munich, Wilhelm Wien, who was extremely skeptical of Sommerfeld's "atomysticism."..

Tengo entendido que aún más escéptico era Wien de los métodos de Heisenberg.

... Schrodinger first of all explained the mathematical principles of wave mechanics by using the hydrogen atom as an illustration. All of us were delighted to see his elegant and simple solution by conventional methods of a problem that Wolfgang Pauli had been able to solve only with great difficulty using quantum mechanics...

Schrodinger en sus "papers" principales se había dedicado al tema del espectro de hidrógeno. Era un misterio que los átomos tuvieran un espectro definido. La física clásica apuntaba a que el espectro debía ser continuo o al menos arbitrario. La perplejidad de los físicos sería comparable a la de los astrónomos, si éstos encontraran que todos los exoplanetas tuvieran órbitas que caigan solamente en un conjunto de valores predeterminado de eje mayor.

... Unfortunately, Schrodinger went on to discuss his own intepretation of wave mechanics, and his arguments left me quite unconvinced. During the subsequent discussion, I therefore raised a number of objections, and, in particular, pointed out that Schrodinger's conception would not even help explain Planck's radiation law...

Heisenberg había esperado la oportunidad para discutir estos temas.

.. For this I was taken to task by Wilhelm Wien, who told me rather sharply that while he understood my regrets that quantum mechanics was finished, and with it all such nonsense as quantum jumps, etc., the difficulties I had mentioned would undoubtedly be solved by Schrodinger in the very near future.

En otro documento, creo que Heisenberg menciona a Wein (sin nombrarlo) como diciendo: "la teoría de Schrodinger nos va a librar de sus matrices". La aproximación de Schrodinger agradaba a muchos físicos, porque empleaba conceptos de la física clásica, como hamiltonianos y función de onda, y sólo en determinado punto (el cálculo de autovalores) hacía aparición la discontinuidad cuántica.

...Schrodinger himself was not quite so certain in his own reply, but he, too, remained convinced that it was only a question of time before my objections would be removed. My arguments had clearly failed to impress anyone-even Sommerfeld, who felt most kindly toward me, succumbed to the persuasive force of Schrodinger's mathematics.

De hecho, hoy mismo, el método de Schrodinger es más conocido en los textos, que la aproximación matricial de Heisenberg.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
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