Patrizio Gravano
APPUNTI MATEMATICI
PRIMI APPUNTI SULLA MECCANICA QUANTISTICA numero 21 - settembre 2016
INTRODUZIONE Quando, nel gennaio del 2015, decisi di avviare i miei APPUNTI MATEMATICI,
non
pensavo
che
avrei
avuto
la
tenacia
di
proseguire a lungo nella loro elaborazione, peraltro postulata idealmente come una elaborazione poliennale. Nonostante qualche traversia e qualche impegno addizionale, e non
previsto,
ho
continuato
nella
loro
elaborazione,
impegnativa nonostante ampie parti di essi fossero, per me’, una sorta di ripasso di diverse materie. Non e’ certo il caso di questo elaborato ! Anche nei casi precedenti, come in relazione agli elaborati “economici” ho cercato, seppure nei limiti di materie assai consolidate, qualche ipotesi e qualche riflessione di natura personale, anche perche’ non correvo rischi di valutazione da parte di terzi. Quando poi ho dedicato il mio tempo (una parte modesta di esso in verita’, proprio per effetto e conseguenza di vari impegni non solo personali….) alla topologia mi sono reso conto che avrei dovuto limitarmi ai tratti basici della disciplina, quelli piu’ elementari.
Chiuso
il
contributo
macroeconomico,
oggetto
del
numero
estivo, ho cominciato a pensare all’impostazione del numero di settembre dedicato alla meccanica quantistica. L’oggetto del numero che ho avviato e’ impegnativo, gravoso anche se limitato alle parti essenziali, e il contributo va inteso come una sistemazione di appunti presi man mano che viene portata avanti la lettura di alcuni testi, tutti di alto spessore. Nell’elaborare la sintesi ho ripensato anche ad alcuni autori citati, quali Paul Dirac e Max Born, che conoscevo per quelle argomentazioni periodo
divulgative
scolastico
e
anche
grazie
a
ricordo qualche,
di
un
pure
diradato
stimolante,
lettura. Mai avrei pensato, specie ricordando il periodo giovanile, di poter
scrivere
in
prima
persona
su
un
oggetto
che
ha
i
contenuti attuali grazie all’ingegno teorico di gradi fisici quali sono sicuramente stati i due citati (Born e Dirac), che, unitamente a molti altri, hanno contribuito agli sviluppi clamorosi della fisica a partire dai primi del Novecento dello scorso secolo.
Ovviamente questo non e’ un testo istituzionale bensi’ una mera sintesi,
peraltro
rielaborata,
di
appunti
relativi
a
mie
letture.
Ho
pero’
deciso,
specie
in
relazione
all’incredibilmente
interessante testo di Susskind e Friedman, ma non solo, approfondire
e
sistemare
meglio
la
materia
con
di una
pubblicazione ulteriore entro la prossima estate.
Patrizio Gravano patrizio.gravano@libero.it
PRIMI APPUNTI SULLA MECCANICA QUANTISTICA
1. Nota introduttiva Gli sviluppi della fisica a cavallo tra l’Ottocento e il Novecento
del
secolo
l’inadeguatezza
scorso
della
dimostrarono
fisica
da
newtoniana
subito e
dell’elettromagnetismo classico a spiegare i nuovi fenomeni fisici che, sulla base delle nuove ardite sperimentazioni, richiedevano le dovute spiegazioni, non praticabili con gli strumenti concettuali fino ad allora a disposizione. Ecco perche’ si parlera’ di fisica moderna, comprendendo in essa quella atomica e quella nucleare che per la comprensione dell’infinitamente
piccolo
richiederanno
nuovi
strumenti
concettuali. Parallelamente alla nuova meccanica, detta quantistica, si affermeranno le teorie di Einstein, comunemente note come relativita’, ristretta e generale. La visione avanzata della realta’ richiede la contemporanea conoscenza
dei
due
approcci,
nonostante
Einstein
critico dei fondamenti della meccanica quantistica.
fosse
2. Il formalismo matematico della meccanica quantistica: bra e ket Esistono
modalita’
diverse
per
introdurre
la
meccanica
quantistica. Il citato libro di Max Born ricorda i diversi approcci seguiti, a partire da quello di Werner Heisemberg, detto meccanica delle matrici. In questa elaborazione ho inteso riferirmi, e limitarmi, al formalismo elaborato da Paul Dirac.
Al
riguardo
e’
bene
partire
dalla
nozione
di
spazio
vettoriale
e
introdurre lo spazio vettoriale i cui elementi sono i bra e i ket. La nozione di spazio vettoriale e’ quella nota dalla geometria. Un insieme V non vuoto costituisce uno spazio vettoriale se comunque si considerino due distinti elementi di essi sono definite le operazioni di somma e di moltiplicazione come segue Ad ogni coppia di elementi di V, siano essi v e v’, viene associato un elemento v + v’ elemento di V, e ad ogni elemento di V, sia ad esempio esso v, corrisponde, al variare di đ?œ†, un elemento Îťv pure appartenente a V. Si ammette che per Îť = 0 si ottenga 0đ?‘‰ .
Il valore Ν e’ ogni elementi di K, ove K e’ un insieme numerico i cui elementi hanno le proprieta’ dei campi. Negli sviluppi avanzati K coincide con l’insieme C dei numeri complessi. Le due operazioni hanno due elementi neutri che sono unici e risultano 0� e Ν = 1. L’unita’ di K in senso ampio si intende Ν = 1 +i0 ≥ (1 ,0), ove i e’ l’operatore di rotazione antioraria di
đ?œ‹ 2
rad.
La legge che associa alla coppia (v, v’) l’elemento v + v’ e’ commutativa e in generale la somma vettoriale e’ associativa. 0�
Per ogni elemento v esiste un elemento v’’ tale che v + v’’ =
⇔ v =
- v’’. L’operazione di moltiplicazione per uno scalare e’ lineare rispetto alla somma vettoriale e alla somma scalare. Le proprieta’ sono formalizzate su ogni testo di geometria ⌋v. Stoka, Corso di geometriaâŚŒ.
Nella
meccanica
quantistica
si
utilizza
lo
strumento
matematico degli spazi di Hilbert. Ma
sicuramente
deterministico
e’
bene
ovvero
partire
dal
concetto
caratterizzato
dal
di
sistema potersi
caratterizzare per un numero discreto di stati, come, ad esempio avviene, con gli esiti del lancio della moneta. I due stati corrispondenti sarebbero testa T o croce C.
Come
ampiamente
ricordato
⌋Susskind,
FriedmanâŚŒ
viene
introdotto un grado di liberta’ che puo’ assumere i valori ¹ 1.
L’insieme { - 1, 1} e’ comunemente chiamato spazio degli stati. Questo sistema e’ detto qubit. Opera nella meccanica un principio di conservazione per il quale lo stato si conserva nel dominio del tempo, ovvero Ďƒ(n+1) = Ďƒ(n). La complicazione sorge dalla circostanza che l’apparato che misura
lo
stato
del
sistema
interagisce
con
il
sistema
medesimo. Piu’ misure nel tempo dovrebbero rispettare la relazione Ďƒ(n+1) = Ďƒ(n). Una rotazione di đ?œ‹ radianti del dispositivo di misura equivale alla transizioni del sistema 1 → - 1 -1 →
1
Quando si considerano rotazioni di angoli particolari le cose si complicano.
La “regolaâ€? e’ semplice. Sono ammessi solo i valori Âą1. Il valore medio, generalizzazione del concetto di media, risulta zero, ovvero su un grande numero di prove la frequenza degli esiti 1 e degli esiti -1 si equivalgono. Se si considera un angolo đ?›ź qualunque, ferma restando la condizione che gli esiti possibili siano solo i due valori Âą1. Il valore atteso quantistico ha un proprio formalismo e si scrive â&#x;¨Ďƒâ&#x;Š = cosÎą Queste
osservazioni
dovute
a
Dirac
evidenziano
uno
scostamento dalla predizione classica. Il tratto essenziale della meccanica quantistica e’ che gli esperimenti sono invasivi, nel senso che ogni esperimento influenza il sistema modificando qualche sua proprieta’.
Nella meccanica quantistica si utilizza un particolare spazio vettoriale detto di Hilbert i cui elementi sono detti ket. Ogni ket e’ indicato con il seguente formalismo ⎚đ??´â&#x;Š
Mediante essi e’ possibile definire lo spazio degli stati di un sistema. Risultano valide le seguenti proprieta’ ⎚đ??´â&#x;Š
+⎚đ??ľâ&#x;Š = ⎚đ??śâ&#x;Š
⎚đ??´â&#x;Š
+⎚đ??ľâ&#x;Š = ⎚đ??ľâ&#x;Š
(⎚đ??´â&#x;Š
(chiusura) +⎚đ??´â&#x;Š
+⎚đ??ľâ&#x;Š) +⎚đ??śâ&#x;Š = ⎚đ??´â&#x;Š
⎚đ??´â&#x;Š
+ 0 = ⎚đ??´â&#x;Š
⎚đ??´â&#x;Š
+ (-⎚đ??´â&#x;Š
(commutativita’) +⎚đ??ľâ&#x;Š +⎚đ??śâ&#x;Š (associativita’) (esistenza dell’elemento neutro)
= 0
(esistenza del simmetrico)
Sia z un numero complesso. Sono vere le seguenti proprieta’ đ?‘§âŽšđ??´â&#x;Š
= ⎚đ?‘§đ??´â&#x;Š
quindi ⎚đ?‘§đ??´â&#x;Š
đ?‘§(⎚đ??´â&#x;Š +⎚đ??ľâ&#x;Š)= đ?‘§âŽšđ??´â&#x;Š
e’ un ket.
+đ?‘§âŽšđ??ľâ&#x;Š
(z + w) ⎚đ??´â&#x;Š = z⎚đ??´â&#x;Š + w⎚đ??´â&#x;Š I
ket
sono
muniti
della
struttura
di
spazio
vettoriale
lineare. Se si considerano i numeri complessi e’ noto che ad ogni z corrisponde un z’ detto complesso coniugato.
Per
definizione
due
numeri
complessi
z
e
z’
si
dicono
coniugati se sono del tipo (a, b) e (a, -b). Dato
lo
spazio
vettoriale
i
cui
elementi
sono
i
ket
(sostanzialmente vettori complessi) e’ definito un ulteriore spazio vettoriale i cui elementi sono chiamati bra. I bra sono elementi di uno spazio vettoriale detto coniugato, costituito da numeri complessi coniugati (tecnicamente i coniugati dei numeri complessi che sono elementi del ket). Per i bra valgono le stesse regole formali che definiscono lo spazio vettoriale i cui elementi sono i ket. Dato un ket, sia esso ⎚đ??´â&#x;Š, ad esso corrisponde uno ed un solo bra. Esso si indica formalmente come â&#x;¨đ??´âŽš Vale la seguente corrispondenza ket bra ⎚đ??´â&#x;Š +⎚đ??ľâ&#x;Š ↔ â&#x;¨đ??´âŽš + â&#x;¨đ??ľâŽš Una
complicazione
formale
si
ha
quando
sia
necessario
assegnato un ket premoltiplicato per uno scalare complesso si debba considerare il corrispondente bra. La regola formale e’ la seguente đ?‘§âŽšđ??´â&#x;Š
↔ â&#x;¨đ??´âŽšz’
đ??śđ?‘œđ?‘šđ?‘’ gia’ detto i ket e i bra sono assimilabili a dei vettori aventi numeri complessi quali elementi. đ??źđ?‘› realta’ i numeri complessi sono un ampiamento dei numeri reali essendo z = a +ib e decadono ad essi quando b = 0. đ??śđ?‘œđ?‘› riferimento ai due spazi vettoriali viene definita una operazione di prodotto interno, che viene, di fatto, gestita come un normale prodotto scalare, ovvero come sommatoria di prodotti di componenti omogenee. Per esempio il prodotto tra un bra e un ket viene cosi’ formalizzato â&#x;¨đ?‘‹âŽš Yâ&#x;Š = ∑đ?‘›đ?‘–=1 đ?‘§đ?‘–′ đ?‘§đ?‘– đ??źđ?‘™ risultato di detta operazione e’ solitamente un numero complesso. đ?‘†đ?‘Łđ?‘–luppando i calcoli si evidenzia facilmente che ′ â&#x;¨đ?‘‹âŽš Yâ&#x;Š = ∑đ?‘›đ?‘–=1 đ?‘§đ?‘–,đ?‘‹, đ?‘§đ?‘–,đ?‘Œ = m + in ⇔ â&#x;¨ đ?‘ŒâŽš đ?‘‹â&#x;Šâ€˛ = m -in
Vorrei osservare che nello sviluppo del prodotto interno ′ entrano i numeri ��,�, il cui indice i e’ quello di sommatoria
ed X si riferisce al fatto che si tratta dei coniugati del ket⎚ Xâ&#x;Š.
′ Vorrei poi osservare che in generale i numeri đ?‘§đ?‘–,đ?‘‹, e đ?‘§đ?‘–,đ?‘Œ sono
a due a due complessi e coniugati a parita’ di indice. Questa
condizione
si
realizza
immediatamente
ed
esclusivamente, per ogni valore di i (inteso come indice, ovviamente‌), quando si consideri la scrittura â&#x;¨đ?‘‹âŽš Xâ&#x;Š Cio’ e’ vero per la definizione di ket e di bra e per come viene realizzato il prodotto interno. In generale quindi
â&#x;¨đ?‘‹âŽš Xâ&#x;Š = r ∈ â„?.
Vi e’ un caso particolare quello per il quale risulti â&#x;¨đ?‘‹âŽš Xâ&#x;Š = 1 đ??źđ?‘› questo caso il vettore X e’ detto normalizzato. đ?‘ƒđ?‘’đ?‘&#x; il prodotto interno vale la regola di linearita’ â&#x;¨C⎚ (⎚đ??´â&#x;Š +⎚đ??ľâ&#x;Š ) = â&#x;¨đ??śâŽš Aâ&#x;Š + â&#x;¨đ??śâŽš Aâ&#x;Š E’ elementare evidenziare che â&#x;¨đ?‘‹âŽš Xâ&#x;Š = m ∈ â„?. Anche
nel
formalismo
del
bra
e
dei
ket
viene
definita
l’ortogonalita’ come segue â&#x;¨đ?‘‹âŽš Yâ&#x;Š = 0 ⇔
â&#x;¨đ?‘ŒâŽš Xâ&#x;Š = 0
L’ortogonalita’ tra vettori e’ utile perche’ “la dimensione di uno spazio puo’ essere definita come il numero massimo dei
vettori mutuamente ortogonali in quello spazio.â€? ⌋Susskind, FriedmanâŚŒ. Sia n il numero delle dimensioni dello spazio di riferimento. Ogni ket puo’ essere rappresentato formalmente come la somma vettoriale di vettori lungo le n dimensioni, condensando tutto nel seguente formalismo ⎚đ??´â&#x;Š = ∑đ?‘›đ?‘–=1 đ?‘Žđ?‘– ⎚đ?‘–â&#x;Š đ?‘œđ?‘Łđ?‘’ ⎚đ?‘–â&#x;Š indica il versore lungo la i-esima direzione. đ?‘Žđ?‘– indica la componente del vettore in riferimento alla iesima direzione. đ?‘ƒđ?‘’đ?‘&#x; la determinazione di essi da ⎚đ??´â&#x;Š = ∑đ?‘›đ?‘–=1 đ?‘Žđ?‘– ⎚đ?‘–â&#x;Š si considera il bra â&#x;¨đ?‘—⎚ e quindi si considera â&#x;¨đ?‘—⎚đ??´â&#x;Š = ∑đ?‘›đ?‘–=1 đ?‘Žđ?‘– â&#x;¨đ?‘—⎚đ?‘–â&#x;Š. Ma, â&#x;¨đ?‘—⎚ đ?‘–â&#x;Š vale 1 quando i ≠j e 0 quando i = j. Quindi, immediatamente, si ricava â&#x;¨đ?‘—⎚đ??´â&#x;Š = đ?‘Žđ?‘— .
3. L’oscillatore armonico Esso
e’
schematizzabile
come
all’estremita’ di una molla di ovvero elastica.
una
particella
lunghezza
đ?‘™0
collocata
estensibile,
La posizione dell’estremo della molla, quindi della massa m, e’ data dal vettore variabile nel tempo OP(x)= x(t)i. x(t) indica la coordinata del punto materiale m ed anche la lunghezza della molla all’istante t. Il peso e’ bilanciato dalla reazione R e il moto viene descritto in una sola dimensione, quella orizzontale. La tensione T della molla e’ data dalla legge di Hooke. Essa risulta T = - k (x(t) - đ?‘™0 ). Dimensionalmente si evidenzia che la costante k, che dipende dal tipo di molla che si usa, viene, nel S.I., misurata in đ?‘ đ?‘š
.
E’ immediato passare alla formulazione della seconda legge della dinamica, che, in relazione a questo caso, si scrive nella forma mx’’(t)= - k (x(t) - �0 ). All’equilibrio deve risultare mx’’(t)= 0 ovvero x’’(t)= 0. Risultando k =0 la condizione di equilibrio si ha per - �0 = 0 ovvero per x(t) = �0 .
x(t)
E’
possibile
⌋Fredon,
Callea,
MagloireâŚŒ
semplificare
l’equazione del movimento ponendo x(t) - �0 = X(t). Cio’ fatto si ha mx’’(t)= -k X(t). Ma, usando il calcolo, si evidenzia che X’’(x) = x’’(t) quindi la sostituzione e’ legittima perche’ la derivata di una funzione e di quella che differisce da essa di una costante sono eguali. Si ha pertanto che mX’’(t)= -k X(t) da cui mX’’(t)+ k X(t)= 0 da cui X’’(t)+
đ?‘˜ đ?‘š
X(t)= 0
La grandezza
đ?‘˜ đ?‘š
si indica con la lettera ω2 pertanto si scrive
đ?‘˜
ω = √đ?‘š La soluzione generale dell’equazione differenziale e’ X(t) = Acos(ωt) +Bsin(ωt) A e B sono le costanti di integrazione. Esse sono determinate a partire dalle condizioni iniziali. Rilevante
e’
la
determinazione
(problema di Cauchy).
delle
condizioni
inziali
Basta calcolare X(0) e X’(0). La quantita’ ω e’ detta pulsazione propria e da essa si ricavano immediatamente la frequenza e il periodo propri. Esiste anche una equazione generale del moto oscillatorio. Essa e’ la seguente g’’ + ag = f con a > 0. Le ultime considerazioni riguardano l’energia cinetica e potenziale dell’oscillatore la cui somma si mantiene costante nel tempo, essendo il sistema conservativo. Energia cinetica ed energia potenziale variano continuamente nel tempo ma la loro somma e’ una costante. Per entrambe, poi, viene definito il relativo valore medio.
4. Misure di stati di spin. Il concetto di stato quantico La non totale precicibilita’ di uno stato quantito e’ intesa nel
senso
che
⦋Susskind,
Friedman⦌
“conoscere
uno
stato
quantico significa conoscere cio’ che e’ possibile sapare del modo in cui il sistema e’ stato preparato.” con la conseguenza
che la mecccanica quantistica e’ “completa nel senso in cui lo puo’ essere un tipo di calcolo probabilisticoâ€?. Gli stati quantici vengono rappresentati mediante i vettori di stato. Gli assi ortogonali sono tre. Sono dati due possibili orientamenti per ogni asse. La conseguenza e’ immediata in quanto ⌋Susskind, FriedmanâŚŒ “tutti i possibili stati di spin possono essere rappresentati in uno spazio vettoriale bidimensionaleâ€?. Uno stato quantico qualunque e’ definito da un vettore ket ⎚ Aâ&#x;Š e risulta scritto come segue ⎚ Aâ&#x;Š = đ?›źđ?‘˘ ⎚ uâ&#x;Š +đ?›źđ?‘‘ ⎚ dâ&#x;Š ovvero e’ definito come una combinazione lineare dei vettori ⎚ uâ&#x;Š e ⎚ dâ&#x;Š che definiscono i possibili stati rispetto ad un dato asse. Rispetto ad un dato asse sono possibili due stati, definiti dai vettori ket ⎚ uâ&#x;Š
e ⎚ dâ&#x;Š, corrispondenti ai possibili valori
ammessi che sono ¹ 1. Analoga riflessione puo’ essere fatta in riferimento agli altri due assi‌..
Risulta che le componenti, che sono numeri complessi, sono dati dalle seguenti espressioni đ?›źđ?‘˘ = â&#x;¨đ?‘˘âŽš đ??´â&#x;Š e đ?›źđ?‘‘ = â&#x;¨đ?‘‘⎚ đ??´â&#x;Š đ?‘€đ?‘Ž ora entra in campo il probabilismo quantistico. đ??ź đ?‘›đ?‘˘meri
��
= â&#x;¨đ?‘˘âŽš đ??´â&#x;Š
e
��
= â&#x;¨đ?‘‘⎚ đ??´â&#x;Š
sono
detti
ampiezze
di
probabilita’. Ho introdotto una semplificazione grafica utile a compendere la situazione, riferita all’asse delle z, introducendo una rappresentazione
visiva
che
va
intesa
un
poco
come
si
rappresentano gli spin degli elettroni quando si considera la struttura atomica‌‌
I numeri �′� �� e �′� �� indicano le probabilita’ che la misura condotta porti ai risultati 1 e -1 rispettivamente. I
numeri
complessi
con
l’apice
‘
indicano
i
complessi
coniugati e quindi definiscono numeri reali. Infatti presi due numeri complessi qualunque, ovvero a+ib e a-ib risulta che (a+ib)(a-ib) = đ?‘Ž2 -aib +iba - (−1)2 đ?‘? 2
= đ?‘Ž2 -
đ?‘?2 Le probabilita’ di misurare i due stati sono le seguenti, ove P al solito indica la probabilita’. đ?‘ƒđ?‘˘ = â&#x;¨đ??´âŽš đ?‘˘â&#x;Šâ&#x;¨đ?‘˘âŽš đ??´â&#x;Š đ?‘’ đ?‘ƒđ?‘‘ = â&#x;¨đ??´âŽš đ?‘‘â&#x;Šâ&#x;¨đ?‘‘⎚ đ??´â&#x;Š Il
sistema
fisico
puo’
avere
due
stati
possibili
detti
ortogonali mutuamente esclusivi nel senso che se il sistema si trova in uno stato non puo’ trovarsi nell’altro. Tale situazione viene formalizzata matematicamente come â&#x;¨đ?‘˘âŽš đ?‘‘â&#x;Š = 0 â&#x;¨đ?‘‘⎚ đ?‘˘â&#x;Š = 0 A questo punto sovvengono considerazioni abbastanza elementari nel senso che il sistema o si trova in uno stato o nell’altro,
e quindi la somma delle rispettive probabilita’ vale 1 (evento certo). Ecco la ragione per la quale đ?›źâ€˛đ?‘˘ đ?›źđ?‘˘ + đ?›źâ€˛đ?‘‘ đ?›źđ?‘‘ = 1 Sia definito lo stato ⎚ râ&#x;Š lungo l’asse delle x allora si ammette che una rotazione di medesima probabilita’, ovvero
đ?œ‹
conduca a ⎚ uâ&#x;Š o ⎚ dâ&#x;Š
2
con la
1
.
2
Tale situazione si verifica quando ⎚ râ&#x;Š =
1 √2
⎚ uâ&#x;Š +
1 √2
⎚ dâ&#x;Š
Anche con riferimento all’asse x gli stati possibili⎚ râ&#x;Š e ⎚ l â&#x;Š sono mutuamente esclusivi anche a partire dalla condizione iniziale. Sono quindi stati ortogonali, mutuamente esclusivi. Per
⎚ l â&#x;Š risulta essere ⎚ l â&#x;Š =
1 √2
⎚ uâ&#x;Š -
1 √2
⎚ dâ&#x;Š
Resta un solo asse ovvero y in relazione al quale sono possibili due soli stati di spin, ovvero gli stati mutuamente esclusivi
⎚ iâ&#x;Š e ⎚ oâ&#x;Š
La logica e’ sostanzialmente
sempre la stessa, ovvero se lo
spin e’ orientato lungo un asse gli stati di spin, dopo una
rotazione di
đ?œ‹ 2
, devono ammettersi equiprobabili gli stati
corrispondenti lungo la data direzione (asse). Risulta quindi che ⎚ iâ&#x;Š = ⎚oâ&#x;Š=
1 √2
1 √2
⎚ uâ&#x;Š +
⎚ uâ&#x;Š -
đ?‘– √2
đ?‘– √2
⎚ dâ&#x;Š
⎚ dâ&#x;Š
Per gli stati di spin esiste una rappresentazione matriciale, peraltro non univoca. Ortogonalita’ e’ sinonimo, in questo caso, di esclusivita’. La formalizzazione e’ la seguente 1 ⎚ u â&#x;Š = ( ) 0 0 ⎚ d â&#x;Š = ( ) 1 Detti vettori hanno modulo 1 e risulta che il loro prodotto scalare vale 0. 1 0 ( ) ( ) =1*0+0*1=0 0 1
Quando si considerano prodotti scalari, e quindi anche con riferimento ai vettori di stato di spin, la condizione di ortogonalita’
tra
vettori
non
e’
influenzata
dalla
moltiplicazione di essi per uno scalare, reale o complesso, ovvero in generale risulta che ab = 0
⇔
kab = 0
comunque valga k.
Questo vale anche in relazione al formalismo dei bra e dei ket ed in generale si potrebbe avere l’ortogonalita’ anche per k⎚ l â&#x;Š = k(
1 √2
⎚ uâ&#x;Š -
1 √2
⎚ dâ&#x;Š ) rispetto al vettore ⎚ l â&#x;Š.
Cosi’ facendo salta pero’ la parte di ragionamento sulla probabilita’ totale che deve essere 1 in quanto uno degli eventi deve verificarsi. Vi e’ pero’ un caso particolare in cui i conti tornano, ovvero se si pone k = đ?‘’ đ?‘–đ?œ‘
essendo φ un numero reale qualunque.
Detto numero e’ detto fattore di fase.
5. Funzioni di Lagrange e di Hamilton Ove si consideri un punto materiale di massa m e si consideri la traiettoria di esso ovvero x = x(t) e’ noto che l’energia cinetica vale T =
1 2
m(�′)2 , ove x’ e’ la velocita’ scalare
istantanea, ovvero la derivata prima della x = x(t).
Si ammette poi che l’energia potenziale V sia dipendente dalla x = x(t), ovvero sia V = V(x). La funzione L(x, x’) = T – V =
1 2
m(�′)2 – V(x) e’ detta funzione
lagrangiana. Si definisce azione A il seguente integrale đ?‘Ą
A = âˆŤđ?‘Ą 1 đ??ż(đ?‘Ľ, đ?‘Ľ ′ )dt đ?‘œ
Per una piccola variazione della x risulta
đ?œ•đ??´ đ?œ•đ?‘Ľđ?‘–
= 0 ⇔ đ?œ•đ??´ = 0.
⌋Susskind, Hrabovsky, Interlude 3, Lecture 6âŚŒ. Se
si
considera
un
solo
grado
di
liberta’,
quindi
una
particella che si muove su una curva assegnata, ovvero su un vincolo, risulta đ?‘‘ đ?‘‘đ?‘Ľ
đ?œ•đ??ż
(đ?œ•đ?‘Ľâ€˛) -
đ?œ•đ??ż đ?œ•đ?‘Ľ
=0
Questa e’ detta equazione di Eulero-Lagrange. In pratica sono definite n equazioni di Eulero-Lagrange una per ogni dimensione. In estrema sintesi si puo’ affermare che il movimento in n dimensioni puo’ essere visto come la risultante del movimento lungo n direzioni.
Se si ragiona in una dimensione e comunque si considera il moto su una curva e quindi con un unico grado di liberta’ e’ sufficiente considerare la relazione piu’ sopra indicata. Mi pare istruttivo osservare che il testo citato, peraltro in inglese, ricorda come nella sostanza la citata equazione sia un modo alternativo di introdurre la equazione della dinamica che collega la forza alla accelerazione, tramite la costante di proporzionalita’ della massa inerziale, costante per ogni corpo. La legge della dinamica viene scritta nella forma F = m x’’, ove x’’ e un modo particolare per indicare l’accelerazione, che come noto e’ la derivata seconda della funzione di posizione x = x(t). Nel
formalismo
della
equazione
quantita’, o meglio la funzione il
rapporto
tra
una
energia,
di
đ?œ•đ??ż đ?œ•đ?‘Ľ
Eulero
e
Lagrange
la
definisce dimensionalmente
misurata
in
jaule,
e
una
posizione, misurata in metri. Quindi viene definita una forza, misurata nel S.I. in newton. Per addivenire ad una giustificazione dell’equivalenza tra le forme citate ho considerato il caso particolare che sia V(x)
identicamente nulla, al variare di x, considerata nel dominio del tempo. Cio’ posto risulta immediatamente che 1
L = đ?œ•đ??ż
=
đ?œ•đ?‘Ľ
m (� ′ )2
2 đ?œ•
1
( m (đ?‘Ľ ′ )2 ) â&#x;š đ?œ•đ?‘Ľ 2
đ?œ•đ??ż đ?œ•đ?‘Ľ
=
1
đ?œ•
1
m (đ?‘Ľ ′ )2 = 2m0 = 0 2 đ?œ•đ?‘Ľ
Giova ricordare che x’ deve intendersi propriamente come una funzione ovvero risulta che x’ = x’(t). Ma essendo essa la derivata prima della funzione x = x(t)e’ possibile dire che x’(t) = g(x(t)). Questo consente la gestione di đ?œ•
(� ′ = �(�(�) )2
đ?œ•đ?‘Ľ
Risultando quindi che đ?œ• đ?œ•đ?‘Ľ
(đ?‘”(đ?‘Ľ(đ?‘Ą) )2 = 2
đ?œ• đ?œ•đ?‘Ľ
(� ′ ) = 0
Vorrei osservare che dimensionalmente, con riferimento alle unita’ di misura del S.I., risulta ⌋
đ?œ•
đ?‘š
1
đ?‘š
(đ?‘”(đ?‘Ľ(đ?‘Ą) )2 = đ?‘Ľâ€˛ âŚŒ = ( đ?‘ đ?‘’đ?‘?)2 đ?‘š = đ?‘ đ?‘’đ?‘? 2 đ?œ•đ?‘Ľ
Si tratta delle dimensioni fisiche di una accelerazione nel sistema internazionale di misure. Riunendo i risultati trovati si ha đ?œ•đ??ż đ?œ•đ?‘Ľ
=
đ??ťđ?‘œ
1
m
đ?œ•
2 đ?œ•đ?‘Ľ
(� ′ )2 =
dovuto
1
m2h(x) = m h(x) = x’’(t)= 0
2
imporre
che
h(x)
accelerazione in quanto sarebbe
abbia đ?œ• đ?œ•đ?‘Ľ
le
dimensioni
di
una
(� ′ )2 = 2 h(x(t)) e il valore
2 e’ un numero adimensionato, ovvero privo di dimensioni fisiche. đ??żđ?‘’ dimensioni della funzione si conservano. đ?‘†đ?‘’
si
ragionasse
diversamente
non
sarebbe
garantita
la
coerenza dimensionale tra i due membri. In questo caso particolare ho imposto V(x) identicamente nullo. A questo caso e’ ovviamente equiparato il caso sia V(x) = cost. ≠0. In quanto, in questo caso, risulta đ?œ•đ?‘‰ đ?œ•đ?‘Ľ
=0
Nel caso risulti
đ?œ•đ?‘‰ đ?œ•đ?‘Ľ
≠0 allora il secondo principio della
dinamica va inteso in senso lineare, ovvero che la forza F đ?œ•đ??ż
= đ?œ•đ?‘Ľ risulti tale che đ?œ•đ??ž
F = đ?œ•đ?‘Ľ -
đ?œ•đ?‘‰ đ?œ•đ?‘Ľ
= m(đ?‘Ž1 − đ?‘Ž2 ) = 0 - mđ?‘Ž2
Tali riflessioni sono estensibili al caso di piu’ dimensioni introducendo
quindi
dei
pedici
per
le
x,
ovvero
usando
scritture del tipo đ?‘Ľđ?‘– = đ?‘Ľđ?‘– (t).
Applicando la regola di von Leibnitz risulta đ?œ•đ??ż đ?œ•đ?‘Ľ
đ?œ•đ?‘Ą đ?œ•đ?‘Ľ
=
đ?œ•đ??ż đ?œ•đ?‘Ą đ?œ•đ?‘Ą đ?œ•đ?‘Ľ
deve intendersi nota in quanto essendo nota x = x(t) risulta nota, o
meglio determinabile,
đ?œ•đ?‘Ľ đ?œ•đ?‘Ą
ovvero
đ?œ•đ?‘Ą đ?œ•đ?‘Ľ
=
1 đ?œ•đ?‘Ľ đ?œ•đ?‘Ą
Lavorando sul primo membro dell’equazione risulta 1
đ?œ•đ??ż
�′′
đ?œ•đ?‘Ľâ€˛
⌋( )(
đ?‘‘ đ?‘‘đ?‘Ľ
(
đ?œ•đ??ż đ?œ•đ?‘Ľâ€˛
) =
đ?‘‘ đ?‘‘đ?‘Ľ
(
đ?œ•đ??ż đ?‘Ľâ€˛â€˛đ?œ•đ?‘Ą
) =
đ?‘‘ đ?‘‘đ?‘Ľ
)âŚŒ
Dal punto di vista dimensionale la grandezza fisica corrispondente a 1
đ?œ•đ??ż
�′′
đ?œ•đ?‘Ľâ€˛
⌋( )(
)âŚŒ risulta, nel S.I., espressa come
đ?‘—đ?‘Žđ?‘˘đ?‘™đ?‘’ đ?‘ đ?‘’đ?‘? 2 đ?‘ đ?‘’đ?‘?
đ?‘š
=
đ?‘—đ?‘Žđ?‘˘đ?‘™đ?‘’ đ?‘ đ?‘’đ?‘? đ?‘š
.
Derivando la grandezza corrispondente viene divisa per sec quindi il primo membro risulta avere le dimensioni fisiche di una forza. Infatti una grandezza misurata in tra una energia e una velocita’.
đ?‘—đ?‘Žđ?‘˘đ?‘™đ?‘’ đ?‘ đ?‘’đ?‘? đ?‘š
e’ un impulso in quanto rapporto
Ma derivando rispetto al tempo, si ottiene, c.v.d., che al primo membro si ha una forza.
Ma
la
descrizione
del
moto
di
un
oggetto
puntiforme
(detto
comunemente punto materiale, o particella) puo’ essere intesa secondo n distinte direzioni mutuamente ortogonali. In questo senso e’ come se lo stesso oggetto si muovesse lungo dette direzioni, o come se n oggetti puntiformi si muovessero secondo dette direzioni‌.. L e’ una energia, quindi una grandezza scalare. Pertanto e’ immediato scrivere che đ???đ?‘ł đ???đ?‘ż
=
∑đ?‘›đ?‘–=1
đ???đ?‘ł đ???đ?’™đ?’Š
Fatta questa introduzione di carattere generale e’ bene introdurre i sistemi olonomi, per giungere agli sviluppi e alle specificazioni di quanto introdotto. Non
mancano
sistemazioni
formali
e
rigorose
della
teoria
⌋Benvenuti, Maschio, Cap. 8âŚŒ.
Ho
preferito
considerare
un
caso
particolare,
sicuramente
didattico, limitandomi al caso di un sistema costituito da N = 3 punti materiali.
E’ sempre riferito lo spazio ad un sistema ortogonale cartesiano Oxyz, di data origine O ≥ (0,0,0). I corpi materiali puntiformi 1, 2 e 3 sono associati alle loro coordinate spaziali che devono essere intese come funzioni scalari di una variabile reale nel dominio del tempo, come segue. �1 (�) , �1 (t), �1 (t) per il corpo 1 �2 (�) , �2 (t), �2 (t) per il corpo 2 �3 (�) , �3 (t), �3 (t) per il corpo 3 Esistono quindi 3N ovvero nove funzioni del tempo e k vincoli di posizione. Viene, quindi, definita una proprieta’ del sistema detta gradi di liberta’. Il numero dei gradi di liberta’ n risulta essere n = 3N – k. Conoscendo n incognite si descrive lo stato cimematico del sistema. Se si fissa k si considerano i k corpi allora le coordinate dei corpi da k+1 a N sono ponibili in funzione delle prime k coordinate. E’ sostanzialmente quello che si dice nella meccanica classica.
Per descrivere il moto di un punto nello spazio sono necessarie tre coordinate, quindi tre gradi di liberta’, ma se il movimento avviene su un piano il numero di essi
risultera’ essere due e
infine se il moto avviene lungo una curva, o, al limite, su una retta, il numero dei gradi di liberta’ si ridurra’ ad uno solamente. Solitamente nel moto dei corpi operano i cosiddetti vincoli di posizione. In generale, “per un sistema, si dice “vincoloâ€? ogni configurazione che limita la liberta’ di movimento dei punti del sistema e che analiticamente e’ rappresentabile mediante una equazione o una inequazione, finita, o differenziale, nelle coordinate dei punti del sistema.â€? ⌋ZeuliâŚŒ. Ogni vincolo di posizione e’ caratterizzato da una equazione del tipo đ?œ‘đ?‘– ( đ?‘Ľ1 (đ?‘Ą) , đ?‘Ś1 (t),đ?‘§1 (t) đ?‘Ľ2 (đ?‘Ą) , đ?‘Ś2 (t), đ?‘§2 (t), đ?‘Ľ3 (đ?‘Ą) , đ?‘Ś3 (t), đ?‘§3 (t)) = 0
Ogni vincolo come quello introdotto e’ detto vincolo di posizione bilaterale. Ove, per contro, fossero stati introdotti vincoli per i quali risulti đ?œ‘đ?‘– ( đ?‘Ľ1 (đ?‘Ą) , đ?‘Ś1 (t),đ?‘§1 (t) đ?‘Ľ2 (đ?‘Ą) , đ?‘Ś2 (t), đ?‘§2 (t), đ?‘Ľ3 (đ?‘Ą) , đ?‘Ś3 (t), đ?‘§3 (t)) ≼ 0 si
dovrebbe
unilateriale.
propriamente
parlare
di
vincoli
di
posizione
Nella tassonomia dei vincoli poi si distingue tra vincoli fissi, detti sclerodromi, che non dipendono dal tempo e vincoli che dipendono dal tempo, sono quindi variabili nel tempo e detti reonomi.
Comunque, in generale poiche’ deve essere
n = 3N – k > 0 si ha
ovviamente che k < 3đ?&#x2018; Si ammette che le funzioni đ?&#x153;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;
siano continue unitamente alle
funzioni derivata prima e seconda parziale di esse. Sono moti ammissibili solo quelli che prevedono contemporaneamente sia đ?&#x153;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; = 0, â&#x2C6;&#x20AC; i â&#x2030;¤ đ?&#x2018;&#x2DC;. Per esempio, se si considera k = 2 il sistema eâ&#x20AC;&#x2122; descritto dalla seguente matrice di Jacobi đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ (đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018; 1 2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ1
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś1
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§1
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ2
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś2
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§3 ) đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x153;&#x2018;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§3
Se n eâ&#x20AC;&#x2122; il numero dei gradi di libertaâ&#x20AC;&#x2122; eâ&#x20AC;&#x2122; allora possibile per ogni punto i introdurre i parametri (đ?&#x2018;&#x17E;1 , đ?&#x2018;&#x17E;2 â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x203A; ) e i punti â&#x2020;&#x2019;
đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2013;
sono
definiti nel termine seguente â&#x2C6;&#x20AC; i â&#x2030;¤ N â&#x2020;&#x2019;
đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2013;
= â&#x2020;&#x2019; (đ?&#x2018;&#x17E;1 , đ?&#x2018;&#x17E;2 â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x203A; ) đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2013;
Equivalentemente le equazioni scalari, che nel caso dellâ&#x20AC;&#x2122;esempio erano nove, risultano ponibili come segue
đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; = đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; (đ?&#x2018;&#x17E;1 , đ?&#x2018;&#x17E;2 â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x203A; ) đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; = đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; (đ?&#x2018;&#x17E;1 , đ?&#x2018;&#x17E;2 â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x203A; ) đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013; = đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013; (đ?&#x2018;&#x17E;1 , đ?&#x2018;&#x17E;2 â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x203A; )
Tanto premesso, viene introdotta una ulteriore matrice jacobiana avente n righe, eguale al numero dei gradi libertaâ&#x20AC;&#x2122;, e 3N colonne che ho sintetizzato con il seguente formalismo quando n = 2.
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E; (đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ 1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§1 1 1 1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;1 ) đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§3 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
In effetti, lâ&#x20AC;&#x2122;equazione di Lagrange Eulero eâ&#x20AC;&#x2122; esprimibile anche in termini di variabili generalizzate, potendo quindi scrivere đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż
(đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛ ) đ?&#x2018;&#x2013;
đ??żđ?&#x2018;&#x17D; quantitaâ&#x20AC;&#x2122;
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x2013;
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
= 0
eâ&#x20AC;&#x2122; chiamata momento coniugato generalizzato di đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x2013; .
Per ognuno degli N punti materiali viene definita la velocitaâ&#x20AC;&#x2122; vettoriale đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2013; = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;â&#x201E;&#x17D;=1
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x201E;&#x17D;
đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛â&#x201E;&#x17D;
đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;r ognuno degli i â&#x2030;¤ N corpi puntiforimi la velocitaâ&#x20AC;&#x2122; vettoriale risulta la risultante vettoriale delle velocitaâ&#x20AC;&#x2122; lungo n direzioni. Eâ&#x20AC;&#x2122; bene ricordare che da đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2013; = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;â&#x201E;&#x17D;=1 đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą â&#x201E;&#x17D;
ovvero risulta â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;â&#x201E;&#x17D;=1
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x201E;&#x17D; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą â&#x201E;&#x17D;
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x201E;&#x17D;
= â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;â&#x201E;&#x17D;=1
đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛â&#x201E;&#x17D; si puoâ&#x20AC;&#x2122; notare che đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛â&#x201E;&#x17D; = â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
Si consideri il caso dello spazio a tre dimensioni, ovvero sia N = 3. Se eâ&#x20AC;&#x2122; assegnato un vincolo i corpi sono vincolati a muoversi, ad esempio, su un piano. In termini di coordinate generalizzate per i punti 1, 2 e 3 risulta che đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014;1 (đ?&#x2018;Ą) = â&#x2C6;&#x2018;2â&#x201E;&#x17D;=1
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; 1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x201E;&#x17D;
đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014;2 (đ?&#x2018;Ą) = â&#x2C6;&#x2018;2â&#x201E;&#x17D;=1
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; 2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x201E;&#x17D;
đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014;3 (t) = â&#x2C6;&#x2018;2â&#x201E;&#x17D;=1 đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2030;¤3 (t)
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;1 ( đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛1 + đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛â&#x201E;&#x17D; = đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E; 1
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;2 ( đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛1 + đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛â&#x201E;&#x17D; = đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; 3 đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛â&#x201E;&#x17D; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x201E;&#x17D;
1
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;3 ( đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛1 + = đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;
= 0 quando
1
đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x2013;
đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
)
đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
)
)
= 0 (assenza di moto)
â&#x20AC;˛
đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛ 2
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;1
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;2 = ( đ?&#x2018;&#x17E; 1 + đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014;2 (đ?&#x2018;Ą) = đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014;3 (t) â&#x;š đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;3 ( đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛1 + ) = đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;1
đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;2
â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;2 (đ?&#x2018;Ą) = đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192; â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014;3 (t) )â&#x;š đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;&#x192;
Questa argomentazione eâ&#x20AC;&#x2122; vera sicuramente quando đ?&#x2018;&#x192;(đ?&#x2018;Ą)2 = đ?&#x2018;&#x192;(đ?&#x2018;Ą)3 â&#x2C6;&#x20AC; t â&#x2030;Ľ 0, in questo caso i due punti sono identicamente, nel dominio del tempo, il medesimo punto.
Eâ&#x20AC;&#x2122;
peroâ&#x20AC;&#x2122;
intravedibile
una
soluzione
ulteriore
del
problema
coerente con la teoria vettoriale per la quale due vettori possono essere intesi eguali quando hanno il medesimo modulo, la medesima direzione e il medesimo verso.
Nei due casi i vettori sono eguali, ovvero paralleli, aventi lo stesso modulo e medesimo verso. Un vettore puoâ&#x20AC;&#x2122; sempre essere inteso come la differenza di due vettori.
Eâ&#x20AC;&#x2122; possibile introdurre una formulazione generalizzata detta equazione simbolica della dinamica per la quale a partire
dalla relazione â&#x2C6;&#x201A;W = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2013; =1 đ??šđ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2013; ove le grandezze vanno intese in senso vettoriale e il prodotto entro sommatoria quale un prodotto scalare. Applicando la teoria di Dâ&#x20AC;&#x2122;Alembert essa viene scritta come â&#x2C6;&#x201A;W = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2013; =1(đ??šđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; )đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2013; = 0 Tale formulazione eâ&#x20AC;&#x2122; nota come equazione simbolica della dinamica o equazione simbolica del moto. Per
i
sistemi
che
solitamente
si
considerano,
detti
conservativi, si ammette la conservazione dellâ&#x20AC;&#x2122;energia. Per essi risulta d(V+K) = 0 ove V e K sono, rispettivamente, lâ&#x20AC;&#x2122;energia potenziale e quella cinetica.
Ho rinvenuto in un pregevole volume âŚ&#x2039;ZeuliâŚ&#x152; il ragionamento che sta alla base del principio di Dâ&#x20AC;&#x2122;Alembert. Esso
eâ&#x20AC;&#x2122;
espressione
di
un
â&#x20AC;&#x153;metodo
generale
per
i
problemi
dinamiciâ&#x20AC;?. Lâ&#x20AC;&#x2122;applicazione
di
detto
principio
presuppone
note
le
đ??šđ?&#x2018;&#x2013;
che
garantiscono la staticitaâ&#x20AC;&#x2122;, ovvero lâ&#x20AC;&#x2122;equilibrio del sistema. Note le đ??šđ?&#x2018;&#x2013; la presenza di â&#x20AC;&#x153;limitazioni qualitativeâ&#x20AC;? al moto induce delle reazioni, dette vincolari, aventi le dimensioni fisiche di una forza, indicate come đ?&#x153;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; .
Esse, ovviamente si intendono in senso vettoriale.
Lâ&#x20AC;&#x2122;applicazione del secondo principio della dinamica porta a scrivere đ??šđ?&#x2018;&#x2013; + đ?&#x153;&#x2018;1 = đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2021;&#x201D; (đ??šđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; ) + đ?&#x153;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; = 0. Anche
lâ&#x20AC;&#x2122;accelerazione
đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013;
deve
intendersi
quale
grandezza
vettoriale. Scrive
lâ&#x20AC;&#x2122;autore
citato
âŚ&#x2039;ZeuliâŚ&#x152;
che
â&#x20AC;&#x153;ammettiamo
che
le
condizioni che limitano le đ?&#x153;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; nel caso dellâ&#x20AC;&#x2122;equilibrio siano le stesse che nel caso del motoâ&#x20AC;?. Sovviene, credo di poter dire, un esempio elementare. Intendo, ad esempio, riferirmi al moto di un corpo nel campo di gravitaâ&#x20AC;&#x2122;. Nel caso di assenza di vincoli la condizione di equilibrio eâ&#x20AC;&#x2122; immediata.
Se
si
introduce
un
vincolo
alla
caduta
accelerata
la
situazione diviene
La quantitaâ&#x20AC;&#x2122; đ??šđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; assume la denominazione di forze perdute. Con un artificio matematico assolutamente legittimo si scrive đ??šđ?&#x2018;&#x2013; = đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; â&#x20AC;&#x201C; (đ??šđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; ) đ??šđ?&#x2018;&#x2013; eâ&#x20AC;&#x2122; detta forza attiva. đ??¸đ?&#x2018; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x17D; eâ&#x20AC;&#x2122; costituita da due componenti vettoriali la prima delle quali eâ&#x20AC;&#x2122; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; . đ??¸đ?&#x2018; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x17D; eâ&#x20AC;&#x2122; interpretabile come quella forza che viene esercitata effettivamente sul corpo per effetto della contemporanea presenza, e, quindi, dei conseguenti effetti delle varie forze e dei vincoli introdotti. đ??żđ?&#x2018;&#x17D; seconda componente (đ??šđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; ) denota la parte delle forze che â&#x20AC;&#x153;va perduta per effetto dei vincoliâ&#x20AC;? âŚ&#x2039;ZeuliâŚ&#x152;.
Eâ&#x20AC;&#x2122; bene introdurre la funzione di Hamilton, detta anche hamiltoniana.
Come detto, la funzione lagrangiana dipende sostanzialmente da tre variabili, dalla coordinata q, dalla sua derivata temporale, qâ&#x20AC;&#x2122;, e dal tempo t. Si ha L = L( q, qâ&#x20AC;&#x2122;, t) Se ci si riferisce a n gradi di libertaâ&#x20AC;&#x2122;, risulta đ?&#x2018;&#x2018;đ??ż đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż
= ( â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; +đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛ đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; ) + đ?&#x2018;&#x2013;
đ?&#x2018;&#x2013;
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
La forma entro parentesi tonde eâ&#x20AC;&#x2122; interpretabile come il teorema di von Leibnitz della derivata del prodotto di due funzioni (in effetti anche derivata prima e seconda sono sempre funzioniâ&#x20AC;Ś..). Ponendo
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x2013;
= đ?&#x2018;?â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
Risulta evidentemente che đ?&#x153;&#x2022;đ??ż
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż
( â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; +đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛ đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; )= đ?&#x2018;&#x2013;
đ?&#x2018;&#x2018;đ??ż đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
=
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
đ?&#x2018;&#x2013;
+
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
Integrando indefinitamente, a meno di una costante risulta, L =
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; + Ď&#x2020; â&#x;š L - â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
=Ď&#x2020;
La quantitaâ&#x20AC;&#x2122; - Ď&#x2020; eâ&#x20AC;&#x2122; detta funzione di Hamilton e la si indica con la lettera H avendosi quindi H = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; â&#x20AC;&#x201C; L
Sulla base della impostazione utilizzata âŚ&#x2039;Susskind, HrabovskyâŚ&#x152; eâ&#x20AC;&#x2122; stato agevole trovare â&#x20AC;&#x153;a very simple formâ&#x20AC;?â&#x20AC;Ś.. Infatti
da
H = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; â&#x20AC;&#x201C; L, applicando
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
, ad essa, tenendo
conto pure della proprietaâ&#x20AC;&#x2122; di linearitaâ&#x20AC;&#x2122;, risulta đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
H =
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; -
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
L
đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x17D; giaâ&#x20AC;&#x2122; si era trovato che
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
L =
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
+
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
.
Pertanto, sostituendo in formula, si ottiene đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
-
H =
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; â&#x20AC;&#x201C; (
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
Ovvero, c.v.d. đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
H = -
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
+
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
) =
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013; â&#x20AC;&#x201C;
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
Uno
strumento
ulteriore
utile
alla
meccanica
quantistica
eâ&#x20AC;&#x2122;
lâ&#x20AC;&#x2122;operatore â&#x2C6;&#x2021; utile alla definizione della nozione di divergenza. Per definizione risulta â&#x2C6;&#x2021; â&#x2030;?
đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
+
đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś
+
đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§
Sia quindi assegnato un vettore dello spazio đ?&#x2018;&#x2030;đ?&#x2018;&#x153;3 Sia esso v = â&#x;¨đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;Ľ , đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;Ś , đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;§ â&#x;Š La divergenza, che eâ&#x20AC;&#x2122; una grandezza scalare, eâ&#x20AC;&#x2122; il prodotto scalare seguente đ?&#x153;&#x2022;
â&#x2C6;&#x2021;v
đ?&#x153;&#x2022;
đ?&#x153;&#x2022;
= (đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ + đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś + đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§ ) (đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;Ľ , đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;Ś , đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;§ ) =
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;Ľ đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
+
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;Ś đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś
+
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;§ đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§
Lâ&#x20AC;&#x2122;uso della divergenza eâ&#x20AC;&#x2122; particolarmente utile per lo studio dello spazio delle fasi.
Vorrei
condurre
una
riflessione
ulteriore
sulla
derivata
della
lagrangiana rispetto al tempo. đ?&#x2018;&#x2018;đ??ż đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
=
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
xâ&#x20AC;&#x2122; +
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
Ho considerato il caso di un solo grado di libertaâ&#x20AC;&#x2122;, ma la sostanza delle cose non muta se si munisce la x di un indice i, ovvero considerando i vari đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; . Una prima manipolazione, peraltro giaâ&#x20AC;&#x2122; utilizzata, ammette che đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
= xâ&#x20AC;&#x2122; â&#x2021;&#x201D;đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ = xâ&#x20AC;&#x2122; â&#x2C6;&#x201A;t .
Da essa si ricava immediatamente che
â&#x2C6;&#x201A;t =
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛
Ma ho poi potuto constatare che si puoâ&#x20AC;&#x2122; ammettere sia dt â&#x2030;Ą â&#x2C6;&#x201A;t . A questo punto, cioâ&#x20AC;&#x2122; premesso, risulta essere đ?&#x2018;&#x2018;đ??ż đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
=
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
xâ&#x20AC;&#x2122; +
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛
1
1
1
1
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
= â&#x2C6;&#x201A;L ( + ) = â&#x2C6;&#x201A;L ( + ) = 2â&#x2C6;&#x201A;L ( )
Risultando quindi
đ?&#x2018;&#x2018;đ??ż đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż
= 2( ) đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
Nel caso di n gradi di libertaâ&#x20AC;&#x2122; la relazione assume la sembianza seguente đ?&#x2018;&#x2018;đ??ż đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
=(n+1)
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
Da essa posso scrivere che dL =(n+1)â&#x2C6;&#x201A;L Ho quindi formalizzato una conclusione provvisoria del tipo
Se eâ&#x20AC;&#x2122; nota
đ???đ?&#x2018;ł đ???đ?&#x2019;&#x2022;
allora eâ&#x20AC;&#x2122; ricavabile
đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2018;ł đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2022;
, secondo la relazione seguente che contiene gli n
gradi n di libertaâ&#x20AC;&#x2122;. Si ha đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2018;ł đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2022;
đ???đ?&#x2018;ł
=(n+1) đ???đ?&#x2019;&#x2022;
Questo risultato puoâ&#x20AC;&#x2122; essere coordinato ottenendo che dL dt
= -(n+1)
dH dt
Tale relazione eâ&#x20AC;&#x2122; ponibile nella forma d dt
L = -(n+1)
d dt
H
Integrando indefinitamente, a meno di una costante additiva, si ha L = -(n+1)H Ma questo eâ&#x20AC;&#x2122; un caso estremamente particolare, che ho dovuto usare mio malgrado per impratichirmi delle quesitoni, e va quindi generalizzato quando le varie â&#x2C6;&#x201A;L non possono (non potendo, per conseguenza, raccogliere â&#x2C6;&#x201A;L a fattore comune), come solitamente eâ&#x20AC;&#x2122;, considerarsi eguali. In questo caso risulta legittimo scrivere đ?&#x2018;&#x2018;đ??ż 1 = â&#x2C6;&#x2018; đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą Ovvero dL = â&#x2C6;&#x2018; đ?&#x153;&#x2022;đ??ż.
Occorre ora considerare lo spazio delle fasi, prevedendo di poter descrivere il moto con 2n parametri, ovvero le n coordinate lagrangiane đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x2013; e i momenti associati, ovvero i momenti đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; . Per definizione risulta đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2030;?
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż(đ?&#x2018;&#x17E;,đ?&#x2018;&#x17E; â&#x20AC;˛ ,đ?&#x2018;Ą) đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2013;
đ??ˇđ?&#x2018;&#x17D; detta definizione di ottiene âŚ&#x2039;ZeuliâŚ&#x152; la forma detta delle equazioni di Lagrange ovvero đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
=
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż(đ?&#x2018;&#x17E;,đ?&#x2018;&#x17E; â&#x20AC;˛ ,đ?&#x2018;Ą) đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x2013;
Se si ragiona su un solo grado di libertaâ&#x20AC;&#x2122;, ma la sostanza delle cose non muta per n gradi di libertaâ&#x20AC;&#x2122; se si utilizza un indice i che varia da 1 a n. si ha, a partire dallâ&#x20AC;&#x2122;equazione di Lagrange, che đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
=
Per
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż(đ?&#x2018;&#x17E;,đ?&#x2018;&#x17E; â&#x20AC;˛ ,đ?&#x2018;Ą) đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;
una
â&#x;š
pâ&#x20AC;&#x2122; =
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż 1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛
relazione
in quanto
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
precedentemente
= qâ&#x20AC;&#x2122; â&#x;š â&#x2C6;&#x201A;q =â&#x2C6;&#x201A;t qâ&#x20AC;&#x2122; introdotta
possiamo
scrivere pâ&#x20AC;&#x2122; =
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż 1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛
đ?&#x153;&#x2022;đ??ť 1
â&#x;š pâ&#x20AC;&#x2122; = â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛ = â&#x2C6;&#x2019;
đ?&#x153;&#x2022;đ??ť đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x17E;
Quella indicata eâ&#x20AC;&#x2122; la seconda equazione canonica del moto di Hamilton.
La prima equazione canonica non mi eâ&#x20AC;&#x2122; risultata immediatamente ricavabile algebricamente da essa. Infatti, ho potuto notare che da
đ?&#x153;&#x2022;đ??ť 1
pâ&#x20AC;&#x2122; = â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛ si ricava
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;? đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
=
đ?&#x153;&#x2022;đ??ť 1
â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x17E;â&#x20AC;˛.
Lâ&#x20AC;&#x2122;oscillatore armonico eâ&#x20AC;&#x2122; considerato âŚ&#x2039;Susskind, FriedmanâŚ&#x152; un formalismo utile a â&#x20AC;&#x153;comprendere un gran numero di fenomeni.â&#x20AC;? I sistemi fisici riconducibili al caso dellâ&#x20AC;&#x2122;oscillatore armonico sono tutti caratterizzati da una funzione dellâ&#x20AC;&#x2122;energia potenziale del tipo
V(x) =
đ?&#x2018;&#x2DC; 2
đ?&#x2018;Ľ2
in quanto â&#x20AC;&#x153;quasi tutte le funzioni regolari si comportano come una parabola nei pressi di un punto di minimoâ&#x20AC;?. Alla lagrangiana del modello introdotto da Bohr ho preferito quella di Susskind e Friedman (ma in altra parte ho indicato i passaggi che le rendono equivalentiâ&#x20AC;Ś.) Si ha L = La
1 2
đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛2 -
1 2
đ?&#x153;&#x201D;2 đ?&#x2018;Ľ 2
giustificazione
delle
formule
che
si
evidenziano
eâ&#x20AC;&#x2122;
abbastanza
evidente. đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛
=
đ?&#x153;&#x2022;
(
1
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛ 2
đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛2 ) -
đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛
(
1 2
đ?&#x153;&#x201D;2 đ?&#x2018;Ľ 2 ) =
1 2
2 (xâ&#x20AC;&#x2122;) - 0 = xâ&#x20AC;&#x2122;
đ??ˇđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D; quantitaâ&#x20AC;&#x2122; come eâ&#x20AC;&#x2122; noto eâ&#x20AC;&#x2122; detta momento coniugato a x. đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛
= xâ&#x20AC;&#x2122; eâ&#x20AC;&#x2122; derivabile rispetto al tempo.
đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D; che
đ?&#x2018;&#x2018;
(
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż
đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛
= xâ&#x20AC;&#x2122;) = xâ&#x20AC;&#x2122;â&#x20AC;&#x2122;
Questo risultato eâ&#x20AC;&#x2122; evidente in quanto la derivata prima di una derivata prima eâ&#x20AC;&#x2122; una derivata seconda, rispetto al tempoâ&#x20AC;Ś. Diventa poi evidente il calcolo di
đ?&#x153;&#x2022;đ??ż đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
=
đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
1
đ?&#x153;&#x2022;
2
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
( đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛2 ) -
(
1 2
đ?&#x153;&#x201D;2 đ?&#x2018;Ľ 2 ) = 0 -
1 2
đ?&#x153;&#x201D;2 2đ?&#x2018;Ľ =
â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x201D;2 đ?&#x2018;Ľ Dallâ&#x20AC;&#x2122;equazione di Lagrange Eulero si ha quindi che xâ&#x20AC;&#x2122;â&#x20AC;&#x2122; = â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x201D;2 đ?&#x2018;Ľ Lo step successivo eâ&#x20AC;&#x2122; costituito dalla definizione della funzione di Hamilton, giaâ&#x20AC;&#x2122; nota che nella forma del Susskind eâ&#x20AC;&#x2122;
H =
1 2
đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛2 +
1 2
đ?&#x153;&#x201D;2 đ?&#x2018;Ľ 2
â&#x2021;&#x201D; H =
1 2
đ?&#x2018;?2 +
1 2
đ?&#x153;&#x201D;2 đ?&#x2018;Ľ 2
, p = xâ&#x20AC;&#x2122;.
Il passaggio eâ&#x20AC;&#x2122; giustificato per la questione sollevata da Born in relazione alla osservabilitaâ&#x20AC;&#x2122; delle grandezze, in quanto la velocitaâ&#x20AC;&#x2122; non eâ&#x20AC;&#x2122; una variabile osservabile.
Nel mondo della fisica classica una delle componenti della funzione di Lagrange e di Hamilton eâ&#x20AC;&#x2122; costituita dalla energia potenziale del sistema, denotata solitamente con la scrittura V(x) che nel caso dellâ&#x20AC;&#x2122;oscillatore armonico risulta essere V(x) =
1 2
đ?&#x153;&#x201D;2 đ?&#x2018;Ľ 2
ove x(t) = đ?&#x2018;Ľ 2 indica la legge oraria del moto, ovvero la posizione ai vari istanti t di tempo come dal grafico seguente
Al tempo t = 0 si ha x(0) = 0 e piuâ&#x20AC;&#x2122; in generale vale la seguente tabella
t
x(t)
0
0
1
1
2
4
3
9
etc. Nella
parte
relativa
alla
funzione
di
Lagrange
si
era
evidenziato che đ?&#x153;&#x2022;đ??ž
F = đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x2030;
-
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
= m(đ?&#x2018;&#x17D;1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x17D;2 ) = 0 - mđ?&#x2018;&#x17D;2
Vi eâ&#x20AC;&#x2122; una forma concisa della meccanica newtoniana âŚ&#x2039;Susskind, FriedmanâŚ&#x152; che sintetizza cioâ&#x20AC;&#x2122; ovvero F(x) = -
đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x2030; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ
=m
đ?&#x2018;&#x2018;2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą 2
x(t)=
đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
6. Quanti dâ&#x20AC;&#x2122;azione Quando, agli inizi del Novecento del secolo scorso, i fisici, ormai convinti, anche per effetto dellâ&#x20AC;&#x2122;impulso interpretativo di John Dalton, grande chimico inglese, dellâ&#x20AC;&#x2122;esistenza degli atomi e delle molecole, fecero le loro prime esperienze con lâ&#x20AC;&#x2122;idrogeno
compresero
che
gli
strumenti
teorici
in
loro
possesso non erano adeguati a comprendere la realtaâ&#x20AC;&#x2122; atomica. La stessa stabilitaâ&#x20AC;&#x2122; degli atomi non si giustificava con le leggi della fisica classica.
Lâ&#x20AC;&#x2122;emissione e lâ&#x20AC;&#x2122;assorbimento di energia da parte degli atomi secondo
il
modo
di
intendere
lâ&#x20AC;&#x2122;evidenza
sperimentale
si
lâ&#x20AC;&#x2122;assorbimento
e
accordava con una ipotesi rivoluzionaria. Si
doveva
lâ&#x20AC;&#x2122;emissione
in
definitiva di
energia
ammettere non
che
potessero
avvenire
con
continuitaâ&#x20AC;&#x2122;, ma in modo discreto, sotto forma di quanti di energia, di valore hν, ove h eâ&#x20AC;&#x2122; il valore di una costante, detta di Planck, e ν eâ&#x20AC;&#x2122; il valore della frequenza della radiazione. Si noti che la frequenza eâ&#x20AC;&#x2122; una grandezza fisica (inverso di un periodo, e quindi misurata in đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019;1 ovvero in hertz) tipica dei fenomeni ondulatori. Albert
Einstein
generalizzoâ&#x20AC;&#x2122;
questo
modo
di
intendere
lâ&#x20AC;&#x2122;energia, o meglio la radiazione, postulando che la luce, e piuâ&#x20AC;&#x2122; in generale, ogni radiazione elettromagnetica, fosse costituita da particelle elementari dette quanti di luce o fotoni. Egli assunse lâ&#x20AC;&#x2122;ipotesi della costanza della velocitaâ&#x20AC;&#x2122; della luce nel vuoto per ogni osservatore che dovesse compiere una misurazione, a prescindere dalle distinte condizioni di moto relativo.
La natura corpuscolare della luce e’ ben evidenziata in relazione all’effetto fotoelettrico, la cui spiegazione valse ad Albert Einstein il Premio Nobel per la fisica nel 1905, unitamente ad altri suoi contributi alla fisica teorica. In ogni caso fin dagli esordi la nuova fisica evidenziava come per la luce la natura ondulatoria e quella corpuscolare (o particellare) coesistessero, o come fu detto da Bohr essi venivano considerati come aspetti “complementari”. In ogni caso una formula molto utile che collega le grandezze rilevanti e’ sicuramente data da c = λν, ove
c
e’
la
velocita’
della
luce,
e
λ e
ν
indicano,
rispettivamente, la lunghezza d’onda e la frequenza della radiazione elettromagnetica. ⦋vedi, Born, Cap. 4, par. 24⦌
7. L’effetto fotoelettrico Nei
termini
piu’
ampi
l’effetto
fotoelettrico,
o
fotoelettronico, consiste nella presenza di una corrente elettrica
dovuta
ad
una
radiazione
elettromagnetica
che
incide sulla superficie di un catodo metallico di un circuito elettrico. Esistono
diverse
modalita’
generatrici
dell’effetto
fotoelettrico la cui spiegazione teorica valse ad Albert Einstein il Premio Nobel per la fisica. Il circuito piu’ semplice e’ dovuto a Lenard ⦋ Born ⦌ anche se esistono
ciuruiti
piu’
sofisticati
⦋Fredon,
Callea,
Magloire⦌. La scoperta sperimentale di esso risale al 1887 ed e’ dovuta al fisico tedesco Hertz. Il circuito di Lenard e’ sostanzialmente il seguente ⦋Born⦌.
Il
verso
convenzionale
della
corrente
e’
dall’anodo
al
catodo. Il verso reale delle cariche negative e’ opposto. Il meccanismo e’ il seguente. La radiazione elettromagnetica incide il catodo K. Il
catodo
metallico
emette
elettroni,
ovvero
particelle
cariche convenzionalmente negativamente. Tra anodo A e catodo K la presenza di una pila genera un campo elettrico
E
per
cui
oltre
l’anodo
si
ha
un
flusso
di
elettroni, quindi una corrente elettrica. Tra catodo e anodo si ammette vi sia il vuoto, situazione equiparabile ad un corto circuito ideale. Il meccanismo qualitativo di spiegazione del fenomeno e’ il seguente. La luce, e piu’ in generale la radiazione elettromagnetica e’ costituita da granuli di energia, detti fotoni o quanti d’azione. Quando uno di essi incide un elettrone di un atomo metallico del catodo K lo stacca dall’atomo e esso si sposta nella direzione dal catodo all’anodo con una condizione di moto data dalla presenza del campo E.
Esiste
una
relazione
energetica
semplice
che
quantitativamente definisce il fenomeno. L’energia E degli elettroni e’ data dalla seguente relazione. E = hν – A Anche questa relazione e’ espressione della conservazione dell’energia in quanto l’energia dell’elettrone e’ data dalla differenza tra l’energia del quanto d’azione hν e il lavoro che
e’
stato
necessario
per
espellere
l’elettrone
piu’
esterno. Questa formula fa comprendere che il fenomeno e’ influenzato, ovvero
dipende
essenzialmente
dalla
frequenza
ν
della
radiazione elettromagnetica incidente, in quanto A e’ una costante sperimentale che dipende dal tipo di metallo. Se hν < A il fenomeno non si verifica. Gli elettroni espulsi sono detti fotoelettroni. Quindi per un dato metallo, cui corrisponde un determinato lavoro di estrazione A, si ha una frequenza minima detta frequenza di soglia, al disotto della quale il fenomeno non si verifica.
8. Il modello atomico di Bohr
Nel 1913 Niels Bohr elaboroâ&#x20AC;&#x2122; la sua teoria atomica della materia
per
radiazione
la
da
quale
parte
lâ&#x20AC;&#x2122;emissione
degli
atomi
o
non
lâ&#x20AC;&#x2122;assorbimento puoâ&#x20AC;&#x2122;
avvenire
di quel
quantitaâ&#x20AC;&#x2122; qualunque ma per quantitaâ&#x20AC;&#x2122; discrete corrispondenti alla differenza tra livelli energetici detti anche stati stazionari discreti. Questo modo di ragionare giustifica le righe di emissione e di assorbimento. Si
consideri,
ad
esempio,
il
caso
dellâ&#x20AC;&#x2122;emissione
di
radiazione. Un atomo viene irraggiato da una radiazione hν e un elettrone di esso dotato di una data energia assorbe una quantitaâ&#x20AC;&#x2122; di energia hν. A questo punto la situazione si complica concettualmente percheâ&#x20AC;&#x2122; si potrebbe pensare che un elettrone inciso dalla radiazione sic et simpliciter si collochi su un livello energetico superiore di energia đ??¸2 = đ??¸1 + hν. Questa argomentazione non eâ&#x20AC;&#x2122; vera in generale. Essa eâ&#x20AC;&#x2122; vera se e solo se In
questa
đ??¸2 eâ&#x20AC;&#x2122; un valore ammesso.
argomentazione
sta
lo
scostamento
dalle
argomentazioni classiche. Infatti, si ricorda âŚ&#x2039; Born âŚ&#x152; che Bohr ammise che â&#x20AC;&#x153;lâ&#x20AC;&#x2122;atomo non si comporta come un sistema della meccanica classica che puoâ&#x20AC;&#x2122;
assorbire
âŚ&#x2039;e
quindi
anche
emettereâŚ&#x152;
energia
in
quantitaâ&#x20AC;&#x2122;
aribitrariamente piccoleâ&#x20AC;?. Le formule possono essere spiegate semplicemente, se ci si riferisce alle righe di emissione, dicendo che lâ&#x20AC;&#x2122;emissione si realizza
quando
un
fotone
ha
una
energia
eguale
alla
differenza tra due livelli energetici ammessi per un dato atomo. La dinamica degli eventi eâ&#x20AC;&#x2122; la seguente. Sono definiti i livelli di energia possibili per un atomo. Essi sono đ??¸1 â&#x20AC;Ś . đ??¸đ?&#x2018;&#x2DC; â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś đ??¸đ?&#x2018;&#x203A; đ??¸1 eâ&#x20AC;&#x2122; detto stato fondamentale. Le frequenze đ?&#x153;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x2013;,đ?&#x2018;&#x2014; per le quali risulta hđ?&#x153;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x2013;,đ?&#x2018;&#x2014; = đ??¸đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ??¸đ?&#x2018;&#x2014; con i > đ?&#x2018;&#x2014; determinano che lâ&#x20AC;&#x2122;elettrone si colloca su un livello piuâ&#x20AC;&#x2122; esterno per poi decadere nel livello energetico originale đ??¸đ?&#x2018;&#x2014; . Se la radiazione incidente ha una frequenza di oscillazione ν tale che hν â&#x2030; đ??¸đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ??¸đ?&#x2018;&#x2014; con i > đ?&#x2018;&#x2014; allora il fenomeno di assorbimento energetico e di successiva emissione non ha luogo.
Alla
stessa
logica
sono
assimilate
le
collisioni
tra
elettroni e atomi âŚ&#x2039; Born âŚ&#x152;.
Il tutto eâ&#x20AC;&#x2122; spiegato sulla base di un principio detto di combinazione di Ritz.
Una banale rappresentazione grafica ne evidenzia il senso. Detto principio venne ricavato sperimentalmente prima della modellistica di Niles Bohr.
Ho
usato
1
per
il
livello
fondamentale
e
non
0
come
nellâ&#x20AC;&#x2122;istruttivo testo di Max Born per coordinarmi meglio con le formule che contengono n relativamente alle osservabili quantizzate.
Si noti che la differenza tra due livelli energetici contigui non eâ&#x20AC;&#x2122; costante. La rappresentazione evidenzia tutte le modalitaâ&#x20AC;&#x2122; equivalenti di ricaduta dell'atomo nello stato fondamentale. I diversi colori usati evidenziano meglio dette alternative.
Giaâ&#x20AC;&#x2122; si eâ&#x20AC;&#x2122; detto âŚ&#x2039;BornâŚ&#x152; che â&#x20AC;&#x153;le leggi del moto classiche cessano di avere valore allâ&#x20AC;&#x2122;interno dellâ&#x20AC;&#x2122;atomoâ&#x20AC;?. Il modello che solitamente si utilizza eâ&#x20AC;&#x2122; quello dellâ&#x20AC;&#x2122;atomo di idrogeno con nucleo centrale, costituito da un protone e da un elettrone orbitante, ammettendo che la sua orbita sia circolare. La
forza
centrifuga
tra
le
particelle
cariche
eâ&#x20AC;&#x2122;
controbilanciata
dallâ&#x20AC;&#x2122;attrazione coulombiana, avedosi immediatamente che
đ?&#x2018;&#x; 2 đ?&#x153;&#x201D;3 =
đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019; 2 đ?&#x2018;&#x161;
Vale il principio di conservazione dellâ&#x20AC;&#x2122;energia avendosi che eâ&#x20AC;&#x2122; costante la somma dellâ&#x20AC;&#x2122;energia cinetica e di quella potenziale, ovvero đ?&#x2018;&#x161; 2 2 đ?&#x2018;&#x; đ?&#x153;&#x201D; 2
â&#x2C6;&#x2019;
đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019; 2 đ?&#x2018;&#x;
=
E
đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x; il caso dellâ&#x20AC;&#x2122;idrogeno risulta Z = 1. E indica il lavoro che eâ&#x20AC;&#x2122; necessario compiere contro le forze del campo per portare lâ&#x20AC;&#x2122;elettrone orbitante ad una distanza infinita dal nucleo in condizioni di quiete.
3 đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;? 2 đ?&#x2018;&#x2019; 4 đ?&#x153;&#x201D;2
In questo caso risulta che detto lavoro vale E = - â&#x2C6;&#x161;
8
Per gli atomi idrogenoidi sono âŚ&#x2039; vedi BornâŚ&#x152; stati ricavati i valori dei raggi delle orbite e delle velocitaâ&#x20AC;&#x2122; angolari dei livelli energetici ricavati sperimentalmente. Risulta đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x203A; = đ?&#x2018;&#x;1
đ?&#x2018;&#x203A;2 đ?&#x2018;?
đ?&#x153;&#x201D;đ?&#x2018;&#x203A; = đ?&#x153;&#x201D;1
đ?&#x2018;?2 đ?&#x2018;&#x203A;3
đ??żđ?&#x2018;&#x17D; grandezza đ?&#x2018;&#x;1 eâ&#x20AC;&#x2122; detta raggio di Bohr. đ??´đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;?â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2019;
il
momento
della
quantitaâ&#x20AC;&#x2122;
di
moto
p
eâ&#x20AC;&#x2122;
quantizzato,
e
tale
quantizzaizone eâ&#x20AC;&#x2122; immediatamente ricavabile dalla definizione, avendosi che đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x203A; = mvđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x203A; = mđ?&#x2018;&#x;1 2 đ?&#x153;&#x201D;1 đ?&#x2018;&#x203A; =
â&#x201E;&#x17D; 2đ?&#x153;&#x2039;
n
Max Born ha ricordato come Heisemberg criticoâ&#x20AC;&#x2122; la formalizzazione di Bohr in
quanto
â&#x20AC;&#x153;Se
si
vuole
costruire
una
meccanica
atomica
logicamente
coerente non si devono introdurre nella teoria se non quelle entitaâ&#x20AC;&#x2122; che sono fisicamente osservabili (â&#x20AC;Ś.) le frequenze e le intensitaâ&#x20AC;&#x2122; della luce emessa dallâ&#x20AC;&#x2122;atomo essendo queste osservabiliâ&#x20AC;?. Heisemberg, Born e Jordan elaborarono la meccanica delle matrici. Assegnati i livelli m ed n la frequenza relativa alla transizione di stato 1
risulta essere đ?&#x153;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x161; = (đ??¸đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2019; đ??¸đ?&#x2018;&#x161; ) â&#x201E;&#x17D;
Detto frequenze sono rappresentabili in una matrice quadrata nm ovvero avendosi [đ?&#x153;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x161; ] đ??źđ?&#x2018;&#x203A; essa eâ&#x20AC;&#x2122; đ?&#x153;&#x2C6;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x161; = 0 quando n = m. Lo sviluppo del calcolo matriciale prevede lâ&#x20AC;&#x2122;introduzione di altre matrici riferite ad altre grandezze fisiche. La moltiplicazione delle matrici di Heisemberg obbedisce alla regola del prodotto delle matrici come noto dallâ&#x20AC;&#x2122;algebra lineare.
Ma vi eâ&#x20AC;&#x2122; una relazione di fondamentale importanza quando si considerano le coordinate q e i momenti cinetici p risultando la non commutativitaâ&#x20AC;&#x2122; e valendo quindi pq â&#x20AC;&#x201C; qp
â&#x201E;&#x17D;
=
2đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x2013;
In una trattazione relativa allâ&#x20AC;&#x2122;oscillatore armonico secondo la meccanica quantistica âŚ&#x2039; BornâŚ&#x152; E =
1 đ?&#x2018;?2 2 đ?&#x2018;&#x161;
+
1 2
viene utilizzata la seguente espressione dellâ&#x20AC;&#x2122;energia
fđ?&#x2018;&#x17E; 2
e vengono definite le equazioni del moto. Questo
eâ&#x20AC;&#x2122;
un
altro
modo
di
esprimere
lâ&#x20AC;&#x2122;energia
cinetica
e
quella
potenziale rispetto ad altre formulazioni âŚ&#x2039;Susskind, FriedmanâŚ&#x152;.
In particolare
1 đ?&#x2018;?2 2 đ?&#x2018;&#x161;
eâ&#x20AC;&#x2122; un modo alternativo di indicare lâ&#x20AC;&#x2122;energia cinetica
come i passaggi seguenti evidenziano
1 đ?&#x2018;?2 2 đ?&#x2018;&#x161;
=
1 (đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ł)2 2
đ?&#x2018;&#x161;
=
1 2
mđ?&#x2018;Ł 2
Born ha introdotto nel suo â&#x20AC;&#x153;Fisica atomicaâ&#x20AC;? una appendice matematica, la numero
15,
contenente
la
formalizzazione
matematica
dellâ&#x20AC;&#x2122;oscillatore
armonico secondo la meccanica quantistica. Viene dato conto delle equazioni del moto. Vorrei precisarle con le osservazioni seguenti. La seconda di esse eâ&#x20AC;&#x2122; in effetti sviluppabile come segue. qâ&#x20AC;&#x2122; =
đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x161;
=
đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ł đ?&#x2018;&#x161;
= v =
đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
Vale la conservazione dellâ&#x20AC;&#x2122;energia, quindi đ?&#x2018;&#x2018;đ??¸ đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą
= 0
9. Il campo vettoriale Il
concetto
di
campo
ha
una
connotazione
essenzialmente
matematica. Dato đ?&#x2018;&#x2026; đ?&#x2018;&#x203A; se eâ&#x20AC;&#x2122; dato un X â&#x160;&#x2020; đ?&#x2018;&#x2026; đ?&#x2018;&#x203A; il campo vettoriale F eâ&#x20AC;&#x2DC; definito dalla funzione F che associa ad ogni punto di X uno ed uno solo elemento di un insieme di vettori. In
altre
parole
â&#x2C6;&#x20AC;
(đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;Ľ )
â&#x2C6;&#x160; X â&#x2C6;&#x192;! F : (đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x203A; ) â&#x2021;&#x2020;
F(đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x203A; ). đ??š
(đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;Ľ ) â&#x2020;&#x2019; F(đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x203A; ). Solitamente si scrive F: X â&#x2020;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2030;0đ?&#x2018;&#x203A; . Vi sono due esempi canonici di campo, quello gravitazionale e quello elettrico. Il primo campo che solitamente si incontra eâ&#x20AC;&#x2122; quello gravitazionale definito dalla seguente relazione vettoriale F(x) = -
đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x20AC;đ??ş |đ?&#x2018;Ľ|3
x
La grandezza -
đ?&#x2018;Ľ |đ?&#x2018;Ľ|
eâ&#x20AC;&#x2122; un vettore unitario, ovvero un versore.
Per ottenere la formula contenente il quadrato della distanza si puoâ&#x20AC;&#x2122; procedere come segue -
đ?&#x2018;Ľ |đ?&#x2018;Ľ|3
= -
1 |đ?&#x2018;Ľ|2
|
đ?&#x2018;Ľ
|đ?&#x2018;Ľ|
| =â&#x2C6;&#x2019;
1 |đ?&#x2018;Ľ|2
Ma |đ?&#x2018;Ľ|2 = đ?&#x2018;Ľ 2 Quindi si ottiene la relazione forse piuâ&#x20AC;&#x2122; nota F(x) = -
đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x20AC;đ??ş đ?&#x2018;Ľ2
đ?&#x2018;ĽĚ&#x201A;
Il segno meno indica il carattere attrattivo della gravitazione. Il secondo esempio elementare di campo eâ&#x20AC;&#x2122; certamente quello elettrico. Date due cariche q e Q tra esse si esercita una ben nota forza, attrattiva o repulsiva, a seconda del segno convenzionale di esse, d definita dalla seguente relazione vettoriale F(x) = Âą Îľ
đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x201E; đ?&#x2018;Ľ2
đ?&#x2018;ĽĚ&#x201A;
Va osservato che Îľ eâ&#x20AC;&#x2122; una grandezza, costante di proporzionalitaâ&#x20AC;&#x2122;, il cui valore varia a seconda del â&#x20AC;&#x153;mezzoâ&#x20AC;? nel quale si trovano le cariche, vuoto, aria, etc.. In realtaâ&#x20AC;&#x2122; da questa legge (detta di Coulomb) si ottiene una formulazione che presuppone di definire il campo elettrico in relazione ad una carica di prova q. Si ha E(x)=
đ??š(đ?&#x2018;Ľ) đ?&#x2018;&#x17E;
= Âą Îľ
đ?&#x2018;&#x201E; đ?&#x2018;Ľ2
đ?&#x2018;ĽĚ&#x201A;
Ho considerato le cariche in modulo. Il vettore E(x) eâ&#x20AC;&#x2122; detto vettore campo elettrico. Ho deciso di dare una semplice rappresentazione grafica, sia nel caso gravitazionale, sempre attrattivo, che di quello elettrico.
Nel caso elettrico attrattivo le due cariche devono avere segno convenzionale opposto.
Questo
in
generale.
Quando
poi
si
tratta
di
definire
operativamente si ammette che la carica di prova q sia positiva. Quindi si pone q = đ?&#x2018;&#x17E; + , si considera convenzionalmente positiva la carica di prova, mentre si ammette che Q sia la carica generatrice del campo elettrico. Per queste convenzioni la riflessione espressa dai diagrammi evidenziati diviene sostanzialmente la seguente, ove sono possibili due soli casi, ovvero che Q sia una carica positiva (e concorde, quindi, con q), oppure una carica negativa.
Se eâ&#x20AC;&#x2122; data ed assegnata la carica generatrice del campo elettrico, e, in ultima analisi, se eâ&#x20AC;&#x2122; dato quindi E, allora eâ&#x20AC;&#x2122; possibile determinare direzione, intensitaâ&#x20AC;&#x2122; e verso per una qualunque distribuzione di cariche, che in questo caso, per mera semplicitaâ&#x20AC;&#x2122; ho supposto complanari.
Il vettore campo elettrico in caso di presenza di due cariche oltre quella data, considerata generatrice del campo, eâ&#x20AC;&#x2122; la risultante vettoriale dei vettori E risultanti dalla presenza delle singole cariche. đ?&#x2018;&#x201E; + puoâ&#x20AC;&#x2122; intendersi come la carica di prova. Ma a questo punto la stessa configurazione delle tre cariche definisce in modo univoco direzione, verso e intensitaâ&#x20AC;&#x2122; del vettore campo elettrico, indicato in figura come đ?&#x2018;Źđ?&#x2018;š
Il principio e’ noto in fisica come sovrapposizione degli effetti.
Mutuando
da
un
testo
istituzionale
di
fisica
⦋Halliday,
Resnick, Walker⦌ vorrei ricordare (peraltro semplificando una pregevole figura in esso contenuto) che il campo elettrico e’ rappresentato nel modo seguente.
Vi e’ un che di convenzionale nel considerare il verso di E dalla carica di prova alla carica assegnata, in questo caso negativa. I capp. 21 e 22 del testo citato definiscono bene i concetti basici
del
campo
elettrostatico
definizione
delle
linee
di
ed
campo
in e
particolare
della
la
particolare
condizione di tangenza che le lega al vettore E.
Nel caso di carica positiva la situazione corrispondente e’ la seguente.
Per semplicitaâ&#x20AC;&#x2122;, rispetto al testo citato, ho considerato puntiformi le due cariche. Nella configurazione con due cariche e carica di prova la carica di prova đ?&#x2018;&#x17E;+ eâ&#x20AC;&#x2122; sottoposta ad una forza F = đ?&#x2018;&#x17E;+ E. Essa ha direzione e verso coincidenti con E. Giova osservare che E deve considerarsi dato (per la presenza delle cariche đ?&#x2018;&#x201E;1+ đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x201E;2â&#x2C6;&#x2019; ). Ma la relazione puoâ&#x20AC;&#x2122;, almeno astrattamente, essere letta in molti modi anche per ricavare il vettore campo elettrico. Possono essere usate in astratto distinte cariche di prova avendo distinte F, essendo costante E. Nella definizione del campo elettrico si pone đ?&#x2018;&#x17E; + â&#x2020;&#x2019; 0. Occorre ora introdurre i campi di gradiente. I campi vettoriali possono, come eâ&#x20AC;&#x2122; noto, essere definiti mediante il gradiente, che eâ&#x20AC;&#x2122; una grandezza vettoriale. In đ?&#x2018;&#x2026; 3
il vettore gradiente di una funzione f(x, y, z) eâ&#x20AC;&#x2122;
correttamente definito dalla seguente relazione
â&#x2C6;&#x2021; f(x, y, z) = đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;Ľ (x,y, z)i + đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;Ś (x,y,z)j + ove
đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;§ (x, y, z)k
đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;Ľ , đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;Ś e đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;§ sono le derivate parziali di f(x,y, z).
Se si hanno n variabili il vettore gradiente eâ&#x20AC;&#x2122; definito dalla seguente â&#x2C6;&#x2021; f(đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś . . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x203A; ) = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; (đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś . . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x203A; )đ?&#x2018;ŁĚ&#x201A; đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; indica la derivata parziale prima rispetto alla variabile indipendente đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; . đ?&#x2018;ŁĚ&#x201A; đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; eâ&#x20AC;&#x2122; il versore della direzione i-esima. Viene quindi associato ad un punto di đ?&#x2018;&#x2026; đ?&#x2018;&#x203A; denotato dalla n-pla (đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś . . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x203A; ) un vettore â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; (đ?&#x2018;Ľ1 , đ?&#x2018;Ľ2 , â&#x20AC;Ś . . , đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x203A; )đ?&#x2018;ŁĚ&#x201A; đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; quando eâ&#x20AC;&#x2122; definito il gradiente e quando eâ&#x20AC;&#x2122; data la f.
Eâ&#x20AC;&#x2122; opportuno ritornare sul concetto di campo elettrico riferendosi alla carica di prova positiva. Si realizza una immediata condizione di equilibrio elettrostatico quando eâ&#x20AC;&#x2122;
data
una
distribuzione
simmetrica
di
cariche
elettriche
che
per
semplicitaâ&#x20AC;&#x2122; ho supposto puntiformi. Date due cariche, supposto il tutto visto nel piano, di segno opposto e in modulo di cariche non eguali eâ&#x20AC;&#x2122; sempre possibile considerare un riferimento cartesiano e ammettere che risulti đ?&#x2018;&#x17E;+ â&#x2030;Ą (0, 0) e đ?&#x2018;&#x201E;2â&#x2C6;&#x2019; â&#x2030;Ą (-Îą , 0) e che la particella carica positivamente sia đ?&#x2018;&#x201E;1+ â&#x2030;Ą (x, y) per semplicitaâ&#x20AC;&#x2122; nel I quadrante cartesiano.
Graficando eâ&#x20AC;&#x2122; immediato dimostrare che una distribuzione simmetrica di đ?&#x2018;&#x201E;2â&#x2C6;&#x2019; â&#x2030;Ą (Îą , 0)
cariche per le quali siano introdotte due cariche tali che e
đ?&#x2018;&#x201E;1+ â&#x2030;Ą (x, -y) eâ&#x20AC;&#x2122; tale che la particella di prova đ?&#x2018;&#x17E;+ â&#x2030;Ą (0, 0) non eâ&#x20AC;&#x2122;
sottoposta a forze nette e in particolare risulta E(0,0) = â&#x2020;&#x2019; 0
Tale osservazione eâ&#x20AC;&#x2122; vera â&#x2C6;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x17E;+ â&#x2030;Ą (0, 0). Deve, per contro, ritenersi che ponendo đ?&#x2018;&#x17E;+ â&#x2030;Ą (x, y)â&#x2030; (0,0) sia in generale E(0,0) â&#x2030; â&#x2020;&#x2019; . 0
Cioâ&#x20AC;&#x2122; dovrebbe risultare vero â&#x2C6;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x17E;+ .
Ho pensato di introdurre un ulteriore caso, credo abbastanza â&#x20AC;&#x153;didatticoâ&#x20AC;?.
Il vettore campo elettrico risultante eâ&#x20AC;&#x2122; la differenza vettoriale tra i vettori dovuti alla presenza delle due particelle denotati con đ?&#x2018;Źđ?&#x;? e con đ?&#x2018;Źđ?&#x;? . Eâ&#x20AC;&#x2122; immediata la dipendenza da x. Risulta quindi che E(x) =
đ?&#x2018;Źđ?&#x;? (x) - đ?&#x2018;Źđ?&#x;? (x)
Eâ&#x20AC;&#x2122; possibile ricercare un x = đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x153; per il quale sia E(đ?&#x2018;Ľ0 ) = 0đ?&#x2018;&#x2030;02
Ricercare un punto nel quale sia nullo il campo elettrico equivale a ricercare un punto nel quale sia nullo il modulo del vettore che lo definisce. In ultima analisi deve risultare đ??š1 đ?&#x2018;&#x17E; + = đ??š2 đ?&#x2018;&#x17E; + â&#x;š |đ??š1 | = |đ??š2 | A questo punto il problema diviene puramente algebrico e nei passaggi algebrici successivi non diviene rilevante il valore della carica di prova, come deve ovviamente essere. I successivi passaggi chiariscono la situazione.
Poicheâ&#x20AC;&#x2122; negli sviluppi si era giunti ad una relazione di eguaglianza tra modulo di forze allora negli sviluppi algebrici successivi le cariche elettriche
che
nellâ&#x20AC;&#x2122;esercizio
erano
supposte
positive
si
intendono,
ovviamente, in modulo, cosa abbastanza lapalissianaâ&#x20AC;Ś.. Sono immediati i seguenti passaggi đ?&#x153;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x201E;1 đ?&#x2018;&#x17E; + đ?&#x2018;Ľ2
=
đ?&#x153;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x201E;2 đ?&#x2018;&#x17E; + (đ?&#x2018;&#x2018;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Ľ)2
â&#x;š
đ?&#x2018;&#x201E;1 đ?&#x2018;Ľ2
=
đ?&#x2018;&#x201E;2 (đ?&#x2018;&#x2018;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Ľ)2
â&#x2021;&#x201D; đ?&#x2018;&#x201E;1 (đ?&#x2018;&#x2018; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ľ)2 = đ?&#x2018;&#x201E;2 (đ?&#x2018;Ľ)2 â&#x2021;&#x201D; đ?&#x2018;&#x201E;2 (đ?&#x2018;Ľ)2 = đ?&#x2018;&#x201E;1 (đ?&#x2018;&#x2018;)2 - 2 đ?&#x2018;&#x201E;1 dx +
đ?&#x2018;&#x201E;1 (đ?&#x2018;Ľ)2 â&#x2021;&#x201D; đ?&#x2018;Ľ 2 (đ?&#x2018;&#x201E;2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x201E;1 )+ 2dđ?&#x2018;&#x201E;1 x - đ?&#x2018;&#x201E;1 đ?&#x2018;&#x2018; 2 = 0. Questa ultima relazione eâ&#x20AC;&#x2122; una equazione di secondo grado, risolubile con la solita formula
x =
â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;?Âąâ&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;? 2 â&#x2C6;&#x2019;4đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;? 2đ?&#x2018;&#x17D;
ponendo
đ?&#x2018;&#x201E;2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x201E;1 = đ?&#x2018;&#x17D;, b = 2dđ?&#x2018;&#x201E;1 e c = - đ?&#x2018;&#x201E;1 đ?&#x2018;&#x2018; 2 .
La relazione đ?&#x2018;Ľ 2 (đ?&#x2018;&#x201E;2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x201E;1 )+ 2dđ?&#x2018;&#x201E;1 x - đ?&#x2018;&#x201E;1 đ?&#x2018;&#x2018; 2 = 0 ha una immediata riformulazione nel caso particolare đ?&#x2018;&#x201E;2 = đ?&#x2018;&#x201E;1 . đ?&#x2018;&#x201E;2 =đ?&#x2018;&#x201E;1
đ?&#x2018;Ľ 2 (đ?&#x2018;&#x201E;2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x201E;1 )+ 2dđ?&#x2018;&#x201E;1 x - đ?&#x2018;&#x201E;1 đ?&#x2018;&#x2018; 2 = 0 â&#x2021;&#x201D;
2dđ?&#x2018;&#x201E;1 x - đ?&#x2018;&#x201E;1 đ?&#x2018;&#x2018; 2 = 0 â&#x2021;&#x201D; 2x = d
đ?&#x2018;&#x2018;
Quindi 2x = d ovvero x =
2
In buona sostanza si ricava un dato evidente. Infatti, se le cariche sono eguali allora collocando nel punto x =
đ?&#x2018;&#x2018;
una
2
carica di prova su di essa non si avraâ&#x20AC;&#x2122; un effetto netto di forza e in particolare in detto punto il vettore campo elettrico saraâ&#x20AC;&#x2122; nullo. Se le due cariche sono entrambe negative la sostanza delle cose non cambia, ma si dovrebbe avere lâ&#x20AC;&#x2122;accortezza di disegnare correttamente le componenti đ?&#x2018;Źđ?&#x;? đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;Ź2 del campo dovuto alle due caricheâ&#x20AC;Śâ&#x20AC;Ś
Prima
di
introdurre
ulteriori
sviluppi
saraâ&#x20AC;&#x2122;
utile
dare
significato al formalismo â&#x2C6;&#x2021;f in forma vettoriale, formalismo comunemente detto gradiente. Trattasi di un vettore ottenuto con le logiche tipiche di un prodotto interno.. Nel dare un senso al fomalismo standard me ne sono capacitato considerando â&#x2C6;&#x2021;f(x,y,z) come segue. đ?&#x153;&#x2022;
đ?&#x153;&#x2022;
đ?&#x153;&#x2022;
đ?&#x153;&#x2022;
đ?&#x153;&#x2022;
đ?&#x153;&#x2022;
â&#x2C6;&#x2021;f(x,y,z)= âŚ&#x2039;(i +j +k) *(đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ + đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś + đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§)âŚ&#x152; f(x, y , z)= âŚ&#x2039;(iđ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ + đ?&#x2018;&#x2014; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ś + đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§)âŚ&#x152;f(x, y , z) Da
intendersi,
quindi
come
un
prodotto
interno
non
sviluppabile e da un successivo moltiplicare per una funzione alla stregua del prodotto di un vettore per uno scalareâ&#x20AC;Ś..
Quando sono date due funzione F e f per le quali risulta F = â&#x2C6;&#x2021;f
allora
il
campo
definito
dalla
F
eâ&#x20AC;&#x2122;
detto
campo
conservativo e la funzione f eâ&#x20AC;&#x2122; detta potenziale del campo conservativo. Nella fisica sono essenziali i campi conservativi, ove si conservano lâ&#x20AC;&#x2122;energia e la quantitaâ&#x20AC;&#x2122; di moto. Occorre
ora
introdurre
la
funzione
lapaciana
detta
comunemente laplaciano. Data la funzione f nello spazio ordinario a tre dimensioni eâ&#x20AC;&#x2122; formalmente definibile il gradiente di essa, ovvero â&#x2C6;&#x2021;f che, come detto piuâ&#x20AC;&#x2122; sopra eâ&#x20AC;&#x2122; una grandezza vettoriale. Eâ&#x20AC;&#x2122; stato dato
un
significato
alla
scrittura
â&#x2C6;&#x2021;(â&#x2C6;&#x2021;f) â&#x2030;Ą
đ?&#x203A;ť 2 đ?&#x2018;&#x201C; che viene
comunemente chiamata operatore di Laplace o laplaciano. Esso
eâ&#x20AC;&#x2122;
un
operatore
lineare
ed
eâ&#x20AC;&#x2122;
sostanzialmente
una
divergenza.
In realtaâ&#x20AC;&#x2122; câ&#x20AC;&#x2122;eâ&#x20AC;&#x2122; una certa ambivalenza nel senso che si attribuisce pure significato ad un formalismo quale il seguente â&#x2C6;&#x2021;(â&#x2C6;&#x2021;Î&#x2018;) â&#x2030;Ą
đ?&#x203A;ť2 A
ove A eâ&#x20AC;&#x2122; un assegnato vettore dello spazio, solitamente a tre dimensioni. In questo caso viene definito il laplaciano vettoriale.
In definitiva si tratta di ottenere un vettore le cui componenti sono le derivate parziali seconde del vettore dato.
Esiste evidentemente anche un problema inverso. Quindi dato â&#x2C6;&#x2021;f (in forma vettoriale) eâ&#x20AC;&#x2122; necessario ottenere f, ovvero il potenziale del campo. Se si opera con riferimento ad una variabile reale ovvero per F: R â&#x2020;&#x2019; R eâ&#x20AC;&#x2122; sicuramente possibile affermare che â&#x2C6;&#x2021;f(x) â&#x2030;Ą
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ
f(x)
Ho definito come đ?&#x203A;ť â&#x2C6;&#x2019; come lâ&#x20AC;&#x2122;operatore che riproduce la funzione f(x) ovvero nel senso che đ?&#x2018;&#x2018;
(đ?&#x203A;ť â&#x2C6;&#x2019; (â&#x2C6;&#x2021;)) f(x) â&#x2030;Ą ((đ?&#x203A;ť â&#x2C6;&#x2019; )(đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ)) f(x) (đ?&#x203A;ť â&#x2C6;&#x2019; )â&#x2030;Ą â&#x2C6;Ť(. )d(.) đ?&#x2018;&#x2018;
đ?&#x2018;&#x2018;
Ma ((đ?&#x203A;ť â&#x2C6;&#x2019; )(đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ)) f(x) â&#x2030;Ą (đ?&#x203A;ť â&#x2C6;&#x2019; )(đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ f(x)) = (đ?&#x203A;ť â&#x2C6;&#x2019; )fâ&#x20AC;&#x2122;(x)=
â&#x2C6;Ť đ?&#x2018;&#x201C;â&#x20AC;˛(đ?&#x2018;Ľ)d(x)
Se si ragiona in una logica di consistenza dimensionale il dx eâ&#x20AC;&#x2122; necessario e non eâ&#x20AC;&#x2122; certo un motivo di appesantimento. Con riferimento ad una funzione reale di una variabile reale si puoâ&#x20AC;&#x2122; schematizzare come segue, vista ad esempio, come in cinematica, nel dominio del tempo đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ
f(t) â&#x2020;&#x2019;
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ
â&#x2C6;Ť đ?&#x2018;&#x201C;(.)đ?&#x2018;&#x2018;(.)
f(t) = fâ&#x20AC;&#x2122;(t) â&#x2020;&#x2019;
â&#x2C6;Ť đ?&#x2018;&#x201C;â&#x20AC;˛(đ?&#x2018;Ą)đ?&#x2018;&#x2018;(đ?&#x2018;Ą) = f(t) + cost.
Possono essere fatte ulteriori osservazioni che mi pare abbiano un significato solo formale. (đ?&#x203A;ť â&#x2C6;&#x2019; )â&#x2030;Ą â&#x2C6;Ť(. )d(.) puoâ&#x20AC;&#x2122; essere inteso (?) come â&#x2C6;Ť(. ) =
(đ?&#x203A;ťâ&#x2C6;&#x2019; ) đ?&#x2018;&#x2018;(.)
đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x17D;, se cioâ&#x20AC;&#x2122; fosse corretto si dovrebbe dare un senso alla scrittura â&#x2C6;Ť(. ) =
1 đ?&#x2018;&#x2018;
đ??śon uno sviluppo come quello seguente si realizza una equivalenza formale. â&#x2C6;Ť đ?&#x2018;&#x201C;â&#x20AC;˛(đ?&#x2018;Ľ)d(x) =
f(x) =
1 đ?&#x2018;&#x2018; f(x) đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ
dx = f(x)
Equivalentemente questi passaggi equivalgono a considerare il caso f(x) =
1 đ?&#x2018;&#x2018;
d(f(x) =
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;
f(x) = f(x)
Essa eâ&#x20AC;&#x2122; suscettibile di interpretazione come segue. Alla funzione f eâ&#x20AC;&#x2122; applicato lâ&#x20AC;&#x2122;operatore d e al risultato dellâ&#x20AC;&#x2122;operazione
lâ&#x20AC;&#x2122;operatore
inverso
che
riproduce
la
funzione.
10.
La natura ondulatoria dellâ&#x20AC;&#x2122;elettrone. Il principio di
De Broglie
Lâ&#x20AC;&#x2122;intuizione
di
De
Broglie
che
ad
una
particella
fosse
associabile unâ&#x20AC;&#x2122;onda cosiâ&#x20AC;&#x2122; come ad unâ&#x20AC;&#x2122;onda fosse associabile una particella eâ&#x20AC;&#x2122; alla base della meccanica ondulatoria. La formula che collega le grandezze fisiche rilevanti eâ&#x20AC;&#x2122; la seguente â&#x201E;&#x17D;
Îť=đ?&#x2018;? immaginando â&#x20AC;&#x153;lâ&#x20AC;&#x2122;atomo come un moto ondoso attorno ad un dato punto, il nucleo.â&#x20AC;? âŚ&#x2039; Born âŚ&#x152; Si opera nellâ&#x20AC;&#x2122;approssimazione dellâ&#x20AC;&#x2122;onda piana e si ammette la condizione di quantizzazione del momento angolare dovuta a Bohr, avendosi p =
â&#x201E;&#x17D; đ?&#x153;&#x2020;
â&#x201E;&#x17D;
da cui n2đ?&#x153;&#x2039; =
â&#x201E;&#x17D; đ?&#x153;&#x2020;
ovvero nÎť = 2Ď&#x20AC;r
Nella teoria viene introdotta una equazione differenziale detta equazione dâ&#x20AC;&#x2122;onda intesa come legge del moto. Ad unâ&#x20AC;&#x2122;onda eâ&#x20AC;&#x2122; associata una funzione dâ&#x20AC;&#x2122;onda. Ď&#x2020; = đ?&#x2018;&#x2019; 2Ď&#x20AC;i(Ď&#x201E;xâ&#x2C6;&#x2019;vt) = đ?&#x2018;&#x2019; (2Ď&#x20AC;i/ h)(pxâ&#x2C6;&#x2019;Et) , ove ν eâ&#x20AC;&#x2122; la frequenza e Ď&#x201E; il numero di onde. In particolare, oltre alla relazione di Planck E = hν, occorre ricordare che Ď&#x201E; =
1 Îť
11. Giaâ&#x20AC;&#x2122;
Gli operatori della meccanica quantistica si
eâ&#x20AC;&#x2122;
detto
della
rappresentazione
degli
stati
quantistici mediante i vettori ket che costituiscono uno spazio vettoriale. Essi âŚ&#x2039;Susskind, FriedmanâŚ&#x152; vengono tenuti nettamente distinti dalle â&#x20AC;&#x153;osservabili fisicheâ&#x20AC;? ovvero dalle grandezze fisiche osservabili quali la quantitaâ&#x20AC;&#x2122; di moto o il momento angolare. Le grandezze fisiche sono descritte da operatori lineari hermitiani. Occorre quindi dire quando un operatore eâ&#x20AC;&#x2122; lineare e quando esso eâ&#x20AC;&#x2122; pure hermitiano. Giaâ&#x20AC;&#x2122; il termine operatore evoca qualcosa che agisce â&#x20AC;&#x201C; che opera, appunto â&#x20AC;&#x201C; su una grandezza per fare in modo che se ne ottenga, unâ&#x20AC;&#x2122;altra, secondo un criterio di univocitaâ&#x20AC;&#x2122;. Essi possono essere indicati da lettere maiuscole quali la M grassetta, avendosi, ad esempio quando si considerano vettori ket formalismi del genere M â&#x17D;š Aâ&#x;Š = â&#x17D;š Bâ&#x;Š
đ?&#x2018;&#x20AC;
â&#x2030;Ą â&#x17D;š Aâ&#x;Š â&#x2020;&#x2019;â&#x17D;š Bâ&#x;Š
Gli operatori della meccanica quantistica sono lineari. Un operatore eâ&#x20AC;&#x2122; detto lineare quando gode di determinate proprietaâ&#x20AC;&#x2122;.
La
prima
di
esse
eâ&#x20AC;&#x2122;
rappresentata
dalla
unicitaâ&#x20AC;&#x2122;
del
risultato. Detta proprietaâ&#x20AC;&#x2122; se riferita ai ket si esprime nel modo seguente. Dato un operatore M
e un qualunque â&#x17D;š Aâ&#x;Š allora non eâ&#x20AC;&#x2122;
garantita la sola esistenza di un
â&#x17D;š Bâ&#x;Š : â&#x17D;š Bâ&#x;Š = M â&#x17D;š Aâ&#x;Š ma â&#x17D;š Bâ&#x;Š eâ&#x20AC;&#x2122;
unico. Formalmente â&#x2C6;&#x20AC; â&#x17D;š Aâ&#x;Š â&#x2C6;&#x192;! â&#x17D;š Bâ&#x;Š = M â&#x17D;š Aâ&#x;Š La formalizzazione M â&#x17D;š Aâ&#x;Š = â&#x17D;š Bâ&#x;Š
đ?&#x2018;&#x20AC;
â&#x2030;Ą â&#x17D;š Aâ&#x;Š â&#x2020;&#x2019;â&#x17D;š Bâ&#x;Š eâ&#x20AC;&#x2122; sempre vera
nel senso che comunque si prenda â&#x17D;š Aâ&#x;Š ovvero â&#x2C6;&#x20AC; â&#x17D;š Aâ&#x;Š esiste sempre un â&#x17D;š Bâ&#x;Š , risultato dellâ&#x20AC;&#x2122;operazione quando eâ&#x20AC;&#x2122; assegnato M. Vale anche la seguente proprietaâ&#x20AC;&#x2122;. â&#x17D;š Bâ&#x;Š = M â&#x17D;š Aâ&#x;Š
â&#x;š M zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š = zâ&#x17D;š Bâ&#x;Š â&#x2C6;&#x20AC; z â&#x2C6;&#x2C6; â&#x201E;&#x201A;.
Essa puoâ&#x20AC;&#x2122; essere intesa in termini di predicibilitaâ&#x20AC;&#x2122; di un risultato nel senso che se eâ&#x20AC;&#x2122; noto che â&#x17D;š Bâ&#x;Š eâ&#x20AC;&#x2122; il risultato dellâ&#x20AC;&#x2122;operazione condotta su â&#x17D;š Aâ&#x;Š
allora dato zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š mediante
lâ&#x20AC;&#x2122;operatore M si ottiene il vettore ket zâ&#x17D;š Bâ&#x;Š. Al solito, il numero z deve intendersi complesso. Dalla lettura di un ottimo testo introduttivo âŚ&#x2039;Susskind, FriedmanâŚ&#x152; non traspare che gli operatori matematici della
meccanica quantistica debbano, in generale, essere tali che sia verificata la condizione M â&#x17D;š Aâ&#x;Š = â&#x17D;š Bâ&#x;Š
â&#x;š
M â&#x17D;š Aâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š = â&#x17D;š Bâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š : â&#x17D;š Bâ&#x;Š â&#x2030; â&#x17D;š Bâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š
â&#x2C6;&#x20AC; coppia di ket â&#x17D;š Aâ&#x;Š â&#x2030; â&#x17D;š Aâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š Restando nel dominio dellâ&#x20AC;&#x2122;analisi matematica tale situazione si verifica per il caso dellâ&#x20AC;&#x2122;operatore di derivata
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ
quando,
ad esempio, si consideri una funzione f: R â&#x2020;&#x2019; R. Infatti, data una funzione derivabile f(.) allora risulta per ogni costante reale k che đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ
f(x) =
đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ
âŚ&#x2039;f(x)+ kâŚ&#x152; â&#x2C6;&#x20AC;k : k â&#x2C6;&#x2C6; R.
Vale anche una proprietaâ&#x20AC;&#x2122; piuâ&#x20AC;&#x2122; familiare, ovvero che M (â&#x17D;š Aâ&#x;Š + â&#x17D;š Bâ&#x;Š ) =
M â&#x17D;š Aâ&#x;Š + Mâ&#x17D;š Bâ&#x;Š )
Il testo citato âŚ&#x2039;Susskind, FriedmanâŚ&#x152; non la indica espressamente ma deve ritenersi valga anche la seguente proprietaâ&#x20AC;&#x2122; M (zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š + wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š ) =
M zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š
+ M wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š )
ove z e w sono due numeri complessi qualunque. Posto M zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š = zâ&#x17D;š Aâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š
quando M â&#x17D;š Aâ&#x;Š = â&#x17D;š Aâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š
Ed eâ&#x20AC;&#x2122; anche M wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š = wâ&#x17D;š Bâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š
quando M â&#x17D;š Bâ&#x;Š = â&#x17D;š Bâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š
Il secondo membro eâ&#x20AC;&#x2122; riscrivibile come M zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š
+ M wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š = zâ&#x17D;š Aâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š
+ wâ&#x17D;š Bâ&#x20AC;&#x2122;â&#x;Š.
Mi sorge, quindi, una questione che riguarda il primo membro. La linearitaâ&#x20AC;&#x2122; viene assunta come un dato ? Se si non vi eâ&#x20AC;&#x2122; nulla da dimostrare. Se si ammette per ipotesi che lâ&#x20AC;&#x2122;operatore M sia lineare allora si ammette vero che M (zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š + wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š ) =
M zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š
+ M wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š )
ove z e w sono due numeri complessi qualunque. Ma il primo membro della relazione deve essere visto anche da un altro punto di vista. Infatti, la scrittura M (zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š + wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š ) evoca lâ&#x20AC;&#x2122;idea che sia definita la somma di vettori ket, e non puoâ&#x20AC;&#x2122; che essere altrimentiâ&#x20AC;Śâ&#x20AC;Ś Gli step logici sono quindi i seguenti â&#x17D;š Aâ&#x;Š , â&#x17D;š Bâ&#x;Š
đ?&#x2018;§,đ?&#x2018;¤
â&#x2020;&#x2019;
+
đ?&#x2018;&#x20AC;
zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š, wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š â&#x2020;&#x2019; (zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š + wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š ) â&#x2020;&#x2019; M (zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š + wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š )
La somma (zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š + wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š ) eâ&#x20AC;&#x2122; una operazione interna quindi deve esistere un ket tale che sia yâ&#x17D;š Câ&#x;Š =
zâ&#x17D;š Aâ&#x;Š + wâ&#x17D;š Bâ&#x;Š, ove y eâ&#x20AC;&#x2122; un complesso.
Deve quindi determinarsi
yâ&#x17D;š Câ&#x;Š.
Cosiâ&#x20AC;&#x2122;
giungere
operando
si
deve
al
medesimo
eguaglianza con il secondo membro. Questo sviluppo dovraâ&#x20AC;&#x2122; essere rivisto.
Gli sviluppi sono abbastanza tranquilli.
risultato,
quindi
alla
Ogni vettore ket puoâ&#x20AC;&#x2122; essere definito in modo univoco quando sia assegnata una base di vettori normalizzati (lâ&#x20AC;&#x2122;equivalente dei
vettori
i,
j,
k,
unitari,
detti
anche
versori
ortonormali). Per semplicitaâ&#x20AC;&#x2122; e familiaritaâ&#x20AC;&#x2122; con lo spazio tridimensionale e con i vettori a tre componenti eâ&#x20AC;&#x2122; possibile considerare i vettori ket le cui componenti ortonormali sono rappresentate dal ket generico â&#x17D;š jâ&#x;Š ove j assume i valori 1, 2, 3. Se un vettore v puoâ&#x20AC;&#x2122; essere inteso come combinazione lineare reale dei vettori della base normale (i, j, k) ovvero se sono assegnati tre scalari, non contemporaneamente nulli, (a, b, c) per i quali sia v = ai + bj + ck
allo stesso modo un
vettore ket puoâ&#x20AC;&#x2122; essere inteso come la somma (quindi, come una combinazione lineare) di ket normalizzati. Un ket qualunque â&#x17D;š Aâ&#x;Š puoâ&#x20AC;&#x2122; essere scritto come segue â&#x17D;š Aâ&#x;Š = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2014; â&#x17D;š jâ&#x;Š Se si ragiona nello spazio tridimensionale detto vettore ket eâ&#x20AC;&#x2122; sviluppabile come segue â&#x17D;š Aâ&#x;Š = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2014; â&#x17D;š jâ&#x;Š = đ?&#x2018;&#x17D;1 â&#x17D;š 1â&#x;Š +đ?&#x2018;&#x17D;2 â&#x17D;š 2â&#x;Š + đ?&#x2018;&#x17D;3 â&#x17D;š 3â&#x;Š
â&#x17D;š j =1, 2, della
3â&#x;Š
eâ&#x20AC;&#x2122; un formalismo che indica il numero dâ&#x20AC;&#x2122;ordine
dimensione,
insomma
il
numero
dâ&#x20AC;&#x2122;ordine
degli
assi
cartesiani, ovvero delle tre direzioni ortogonali. Cioâ&#x20AC;&#x2122; posto risulta sviluppabile la relazione M â&#x17D;š Aâ&#x;Š = â&#x17D;š Bâ&#x;Š come segue â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014; đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2014; â&#x17D;š jâ&#x;Š =â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014; đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2014; â&#x17D;š jâ&#x;Š. In generale si esegue in prodotto interno utilizzando un vettore bra â&#x;¨đ?&#x2018;&#x2DC;â&#x192;&#x2019; e si ha che â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;¨đ?&#x2018;&#x2DC;|đ?&#x2018;&#x20AC;|đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2014; = â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;¨đ?&#x2018;&#x2DC;|đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2014; La sommatoria â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;¨đ?&#x2018;&#x2DC;|đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2014;
si sbroglia facilmente ed eâ&#x20AC;&#x2122; uno
scalare đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2DC; . La gestione del primo membro diviene piuâ&#x20AC;&#x2122; complessa in quanto â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;¨đ?&#x2018;&#x2DC;|đ?&#x2018;&#x20AC;|đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2014; presuppone considerare gli elementi â&#x;¨đ?&#x2018;&#x2DC;|đ?&#x2018;&#x20AC;|đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š ovvero riferirsi
alla
particolare
interpretazione
di
detto
formalismo. đ??ˇđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;
formalismo si interpreta come segue. Eâ&#x20AC;&#x2122; assegnato un
ket â&#x192;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š
quindi lâ&#x20AC;&#x2122;operatore M agisce su di esso e si ottiene
un ket Mâ&#x192;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š quindi si ha il prodotto interno il cui risultato non eâ&#x20AC;&#x2122; un vettore bensiâ&#x20AC;&#x2122; un numero complesso. đ??źđ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x17D; sostanza posso scrivere đ?&#x2018;&#x20AC;
â&#x;¨đ?&#x2018;&#x2DC;|đ?&#x2018;&#x20AC;|đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š â&#x2030;Ą â&#x192;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š â&#x2020;&#x2019;
M
đ?&#x2018;?.đ?&#x2018;&#x2013;.
â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š â&#x2020;&#x2019; â&#x;¨đ?&#x2018;&#x2DC;|đ?&#x2018;&#x20AC;|đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š = đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x2014;
đ??ˇđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2013;
elementi definiscono al variare dei due indici una
matrice quadrata di đ?&#x2018; 2 elementi, ove N eâ&#x20AC;&#x2122; la base dello spazio fisico che si considera, solitamente tridimensionale. đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;&#x2013; ha quindi la seguente rappresentazione matriciale đ?&#x2018;&#x161;11 (đ?&#x2018;&#x161;21 đ?&#x2018;&#x161;31 I
đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;32
due
đ?&#x2018;&#x161;13 đ?&#x2018;&#x17D;1 đ?&#x203A;˝1 đ?&#x2018;&#x161;23 ) (đ?&#x2018;&#x17D;2 ) =(đ?&#x203A;˝2 ) đ?&#x2018;&#x161;33 đ?&#x2018;&#x17D;3 đ?&#x203A;˝3
autori
âŚ&#x2039;Susskind,
FriedmanâŚ&#x152; affermano
đ?&#x2018;&#x161;11 scrivere lâ&#x20AC;&#x2122;equazione simbolica M = (đ?&#x2018;&#x161;21 đ?&#x2018;&#x161;31
che
đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;32
â&#x20AC;&#x153;possiamo
đ?&#x2018;&#x161;13 đ?&#x2018;&#x161;23 )â&#x20AC;? e poi đ?&#x2018;&#x161;33
scrivono ulteriormente che â&#x20AC;&#x153;Questa equazione contiene un lieve abuso di notazione che farebbe venire il mal di pancia ad un puristaâ&#x20AC;? . Ma francamente questa â&#x20AC;&#x153;equazione simbolicaâ&#x20AC;? ha un che di superfluo. Valgono le regole standard della moltiplicazione tra matrici risultando, al variare di j â&#x2030;¤ đ?&#x2018; che eâ&#x20AC;&#x2122; đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2014; = đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2014;1 đ?&#x2018;&#x17D;1 +
đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2014;2 đ?&#x2018;&#x17D;2 + â&#x20AC;Śâ&#x20AC;Ś + đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2014;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;
Vengono definiti gli autovettori. Esistono particolari operatori lineari per i quali risulta M|Îťâ&#x;Š =Îť |Îťâ&#x;Š
I vettori |Îťâ&#x;Š e Îť |Îťâ&#x;Š hanno la medesima direzione. Al dunque si tratta di risolvere dei sisteminiâ&#x20AC;Ś.. đ?&#x2018;&#x17D;1 Solitamente eâ&#x20AC;&#x2122; assegnato il ket |Îťâ&#x;Š = (đ?&#x2018;&#x17D;2 ) ed eâ&#x20AC;&#x2122; assegnata la đ?&#x2018;&#x17D;3 đ?&#x2018;&#x161;11 matrice (đ?&#x2018;&#x161;21 đ?&#x2018;&#x161;31
đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;32
đ?&#x2018;&#x161;13 đ?&#x2018;&#x161;23 ) . đ?&#x2018;&#x161;33
Se esiste uno scalare reale o un complesso k per il quale risulta
đ?&#x2018;&#x161;11 (đ?&#x2018;&#x161;21 đ?&#x2018;&#x161;31
đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;32
đ?&#x2018;&#x161;13 đ?&#x2018;&#x161;23 ) đ?&#x2018;&#x161;33
autovalore, mentre il ket
đ?&#x2018;&#x17D;1 (đ?&#x2018;&#x17D; 2 ) đ?&#x2018;&#x17D;3
đ?&#x2018;&#x17D;1 =đ?&#x2018;&#x2DC; (đ?&#x2018;&#x17D;2 ) đ?&#x2018;&#x17D;3
allora
k
eâ&#x20AC;&#x2122;
detto
đ?&#x2018;&#x17D;1 (đ?&#x2018;&#x17D;2 ) eâ&#x20AC;&#x2122; detto autovettore. đ?&#x2018;&#x17D;3
đ?&#x2018;&#x17D;1 Dato un ket (đ?&#x2018;&#x17D;2 ) viene definito un corrispondente bra secondo đ?&#x2018;&#x17D;3 la seguente relazione đ?&#x2018;&#x17D;1 |Aâ&#x;Š = (đ?&#x2018;&#x17D;2 ) â&#x2020;&#x201D; â&#x;¨đ??´| = (đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛1 , đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛2 , đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛3 ) đ?&#x2018;&#x17D;3 đ?&#x2018;&#x17D;1 Ovvero â&#x;¨đ??´| Aâ&#x;Š = (đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛1 , đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛2 , đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛3 ) (đ?&#x2018;&#x17D;2 ) eâ&#x20AC;&#x2122; un numero reale. đ?&#x2018;&#x17D;3 Un operatore M eâ&#x20AC;&#x2122; applicabile anche ad un bra â&#x;¨đ??´| e si scrive â&#x;¨đ??´|đ?&#x2018;&#x20AC; risultando che đ?&#x2018;&#x161;11 đ?&#x2018;&#x161; â&#x;¨đ??´|đ?&#x2018;&#x20AC; = (đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛1 , đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛2 , đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛3 ) ( 21 đ?&#x2018;&#x161;31
đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;32
đ?&#x2018;&#x161;13 đ?&#x2018;&#x161;23 ) đ?&#x2018;&#x161;33
Data
la
matrice
đ?&#x2018;&#x161;11 (đ?&#x2018;&#x161;21 đ?&#x2018;&#x161;31
đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;32
đ?&#x2018;&#x161;13 đ?&#x2018;&#x161;23 ) đ?&#x2018;&#x161;33
eâ&#x20AC;&#x2122;
possibile
definire
la
matrice trasposta di essa, ottenuta scambiando ordinatamente le righe con le colonne. đ?&#x2018;&#x161;11 đ?&#x2018;&#x161; ( 21 đ?&#x2018;&#x161;31
đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;32
đ?&#x2018;&#x161;13 đ?&#x2018;&#x161;11 đ?&#x2018;&#x2021; đ?&#x2018;&#x161;23 ) â&#x2020;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;33 đ?&#x2018;&#x161;13
đ?&#x2018;&#x161;21 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;23
đ?&#x2018;&#x161;31 đ?&#x2018;&#x161;32 đ?&#x2018;&#x161;33
đ??źđ?&#x2018;&#x203A; buona sostanza nella trasposizione di matrici, ovvero nella definizione della trasposta di una matrice data risulta che (đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x2014; ) â&#x2020;&#x2019; (đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2013; ) Nella
trasposizione
di
matrici
quadrate
si
conserva
la
diagonale principale. Si eâ&#x20AC;&#x2122; detto che dato un ket si ottiene un bra secondo la relazione seguente đ?&#x2018;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x17D; |Aâ&#x;Š = ( 2 ) â&#x2020;&#x201D; â&#x;¨đ??´| = (đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛1 , đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛2 , đ?&#x2018;&#x17D;â&#x20AC;˛3 ) đ?&#x2018;&#x17D;3 đ?&#x2018;&#x161;11 Data la matrice trasposta đ?&#x2018;&#x161;12 đ?&#x2018;&#x161;13 quella
i
cui
elementi
siano
đ?&#x2018;&#x161;21 đ?&#x2018;&#x161;22 đ?&#x2018;&#x161;23 i
đ?&#x2018;&#x161;31 đ?&#x2018;&#x161;32 eâ&#x20AC;&#x2122; possibile ottenere đ?&#x2018;&#x161;33 complessi
componenti di essa, ovvero la matrice
đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛11 đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛12 đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛13
coniugati
đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛21 đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛22 đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛23
đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛31 đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛32 đ?&#x2018;&#x161;â&#x20AC;˛33
dei
Questa ultima matrice eâ&#x20AC;&#x2122; detta coniugata hermitiana. Essa viene indicata come đ?&#x2018;&#x20AC; â&#x20AC; In definitiva risulta che M â&#x17D;š Aâ&#x;Š = â&#x17D;š Bâ&#x;Š â&#x2021;&#x201D; â&#x;¨đ??´|đ?&#x2018;&#x20AC;â&#x20AC; =â&#x;¨đ??ľ| Le grandezze fisiche osservabili della meccanica quantistica sono rappresentate da operatori per i quali risulta M = đ?&#x2018;&#x20AC;â&#x20AC; Gli operatori hermitiani si indicano con la lettera L. Risulta per definizione che L = đ??żâ&#x20AC; In essi il valore k o a volte indicato con la lettera greca lambda, Îť, ovvero lâ&#x20AC;&#x2122;autovalore eâ&#x20AC;&#x2122; un numero reale.
12.
I postulati della meccanica quantistica
Lo stato di un sistema quantistico eâ&#x20AC;&#x2122; definito da un elemento dello spazio vettoriale i cui elementi sono bra o ket. Grandezza fisica osservabile eâ&#x20AC;&#x2122; sinonimo di misurabile. Dette
quantitaâ&#x20AC;&#x2122;
hermitiani.
sono
rappresentate
da
operatori
lineari
Gli
autovalori
individuano
i
possibili
valori
delle
misurazioni. Si puoâ&#x20AC;&#x2122; distinguere in modo non ambiguo uno stato quantistico da un altro solo che si considerino vettori ortogonali nel senso che se i vettori sono ortogonali allora essi definiscono stati non ambigui, ovvero distinguibili. La meccanica quantistica eâ&#x20AC;&#x2122; probabilistica nel senso che viene definita la probabilitaâ&#x20AC;&#x2122; che una grandezza osservabile abbia misura Îť. P(Îť) = â&#x;¨đ??´|đ?&#x153;&#x2020;â&#x;Šâ&#x;¨đ?&#x153;&#x2020;|đ??´â&#x;Š 0 <
P(Îť)< 1
Poiche
vi
sono
diverse
possibilitaâ&#x20AC;&#x2122;
di
misura
(sono
ammissibili valori diversi) si mette un opportuno indice e, almeno astrattamente, deve risultare â&#x2C6;&#x2018; đ?&#x2018;&#x192;(đ?&#x153;&#x2020;đ?&#x2018;&#x2013; ) = 1 Occorre ricordare che quando si ottengono i vari autovalori ovvero i valori numerici per i quali i vettori dati (bra o ket) e quelli ottenuti mediante L hanno la medesima direzione, indicano lâ&#x20AC;&#x2122;insieme delle possibili misure per la grandezza definita dal corrispondente vettore bra o ket.
13.
Le matrici di Pauli
Vanno ora introdotti gli operatori di spin. Pauli formalizzo’ la vicenda che si descrive usando le cosiddette matrici di Pauli. Il termine spin deriva dall’inglese to spin, che significa rotazione attorno ad un asse. Gli operatori di spin non sono bra o ket, quindi non rientrano nei cosiddetti vettori di stato a componenti complesse. Gli operatori di spin sono assimilabili a vettori dello spazio tridimensionale (detti anche trivettori). Ho focalizzato l’attenzione su questi passaggi ⦋Susskind, Friedman⦌ ovvero sulla circostanza che “un operatore di spin puo’ solo fornire informazioni sulla componente di spin lungo una direzione specifica” , risultando, come conseguenza che “per misurare lo spin lungo una direzione differente e’ necessario ruotare l’apparato.” E pertanto, in pratica, “c’e’ un operatore di spin per ogni direzione lungo la quale e’ possibile orientare l’apparato sperimentale”. Per detti operatori e’ data una forma matriciale, di matrici quadrate del secondo ordine, dette matrici di Pauli che definiscono le componenti dello spin lungo le tre dimensioni
spaziali, ovvero i tre distinti operatori di spin, uno per ogni direzione spaziale. Ognuno di questi operatori eâ&#x20AC;&#x2122; lineare. Si definisce una direzione, quindi gli autovettori che sono due vettori ket ortogonali e i due corrispondenti autovalori che sono convenzionalmente Âą1 . Pauli introdusse un formalismo che ho sintetizzato come đ?&#x153;&#x17D;11 (đ?&#x153;&#x17D;
đ?&#x153;&#x17D;12 1 1 đ?&#x153;&#x17D;22 ) (0) = (0)
đ?&#x153;&#x17D;11 (đ?&#x153;&#x17D;
đ?&#x153;&#x17D;12 0 0 đ?&#x153;&#x17D;22 ) (1) = - (1)
21
21
Questa eâ&#x20AC;&#x2122; la rappresentazione dello spin con riferimento ad una direzione. Il
testo
di
riferimento
âŚ&#x2039;Susskind,
FriedmanâŚ&#x152;
parte
dalla
quota, ovvero da z. Ecco
quindi
la
possibilitaâ&#x20AC;&#x2122;
e
lâ&#x20AC;&#x2122;opportuno indice avendo quindi đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 11 (đ?&#x153;&#x17D;
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§12 1 1 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§22 ) (0) = (0)
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§11 (đ?&#x153;&#x17D;
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§12 0 0 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§22 ) (1) = - (1)
đ?&#x2018;§ 21
đ?&#x2018;§21
lâ&#x20AC;&#x2122;opportunitaâ&#x20AC;&#x2122;
di
mettere
Una
sola
matrice
soddisfa
queste
relazioni
contemporaneamente. Essa eâ&#x20AC;&#x2122; đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 11 (đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;§ 21
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§12 1 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§22 ) = (0
0) â&#x2C6;&#x2019;1
Occorre evidenziare i passaggi che giustificano questa asserzione. Cominciamo da đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 11 (đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;§ 21
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§12 1 1 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§22 ) (0) = (0)
Si procede come per le matrici a coefficienti reali, molriplicando la prima riga per la colonna a secondo membro per ottenere il valore degli elementi della prima riga incognita. 1 Risulta (đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 12 + đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 21 ) ( ) = 1 0 ed anche
1 (đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 21 + đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 22 ) ( ) = 0 0
Deve essere Ed anche
1 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 12 + 0đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 21 = 1 1đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 21 + 0đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 22
= 0
La soluzione eâ&#x20AC;&#x2122; quindi scrivibile nella forma
[
1 đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2019; ] 0 đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2019;
(tenendo conto della legge di annullamento del prodotto). Passiamo alla seconda equazione matriciale
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§11 (đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;§21
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§12 0 0 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§22 ) (1) = - (1)
0 0 Occorre ricordare che - ( ) = ( ) 1 â&#x2C6;&#x2019;1 Deve essere
0 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 12 + 1đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 21 = 0
Ed anche
0đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 21 + 1đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;§ 22
= - 1
La soluzione eâ&#x20AC;&#x2122; ponibile nella forma
[
đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2019;
0 ] â&#x2C6;&#x2019;1
La soluzione generale eâ&#x20AC;&#x2122; ponibile nella forma Per avere la soluzione, ovvero la matrice che verifica entrambe le condizioni, basta considerare la prima matrice e osservare che la seconda colonna puoâ&#x20AC;&#x2122; contenere valori qualunque, quindi anche i valori della seconda colonna della seconda matrice. Cioâ&#x20AC;&#x2122; considerato si pone come soluzione la seguente (
1 0 ) 0 â&#x2C6;&#x2019;1
Analogamente si ragiona per le altre due matrici di Pauli.
Cioâ&#x20AC;&#x2122; posto eâ&#x20AC;&#x2122; bene considerare una seconda direzione. Poicheâ&#x20AC;&#x2122; i vettori normali che definiscono lo stato sono una sovrapposizione
lineare
dei
ket
del
precedente
stato
si
ricava immediatamente che i due vettori di stato sono definiti come segue 1 â&#x2C6;&#x161;2 Âą1 ( â&#x2C6;&#x161;2 ) Ovvero đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ 11 (đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;Ľ 21
1
1
â&#x2C6;&#x161;2
â&#x2C6;&#x161;2
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ12 â&#x2C6;&#x161;2 â&#x2C6;&#x161;2 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ22 ) ( 1 ) = ( 1 )
ed anche đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ11 (đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;Ľ21
1
1
â&#x2C6;&#x161;2
â&#x2C6;&#x161;2
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ12 â&#x2C6;&#x161;2 â&#x2C6;&#x161;2 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ22 ) (â&#x2C6;&#x2019;1) = - (â&#x2C6;&#x2019;1)
đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x2013;slvendo si ottiene una unica soluzione đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ11 (đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;Ľ21
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ12 0 1 đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ22 ) = (1 0)
Ripetendo il ragionamento con riferimento allâ&#x20AC;&#x2122;asse y, ovvero alla terza dimensione spaziale si ottiene la rappresentazione matriciale del terzo operatore. Detta matrice risulta đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ś11 (đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;Ś21
đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ś12 0 â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2013; ) đ?&#x153;&#x17D;đ?&#x2018;Ś22 ) = ( đ?&#x2018;&#x2013; 0
Ma vi sono altre due direzioni, rispetto alle quali vanno fatte
ulteriori
riflessioni…..
che
attendono
alla
sovrapposizione. E’ comunque evidente che si puo’ partire da una direzione per poi procedere in riferimento alle altre matrici.
14.
La funzione d’onda
De Broglie, come e’ noto, pose la questione di una generale dualita’ tra onde e particelle, nel senso che un’onda, quale quella
elettromagnetica,
poteva
essere
intesa
in
senso
corpuscolare (come i fotoni di Einstein) e una particella poteva, per contro, essere intesa come un’onda, come capita con la diffrazione degli elettroni. Il fisico austriaco Erwin Schrȫdinger ha proposto l’introduzione di un campo scalare a valori complessi detto funzione d’onda. Essa viene scritta come Ψ = Ψ (M, t) . Non si tratta di una vera e propria grandezza fisica ma dello strumento matematico formale a partire dal quale e’ possibile determinare
la
probabilita’
che
particella,
di
massa
infinitesimale
di
un
m
si
trovi
in
raggio
dr
centrato
oggetto, un nel
ovvero
intorno punto
M,
una
sferico le
cui
coordinate sono riferite ad un sistema di riferimento assegnato.
Detta probabilitaâ&#x20AC;&#x2122; dP vale dP(M, t) = â&#x17D;¸đ?&#x203A;š (đ?&#x2018;&#x20AC;, đ?&#x2018;Ą)â&#x17D;¸2dr Detta probabilitaâ&#x20AC;&#x2122; eâ&#x20AC;&#x2122; detta di presenza, o anche densitaâ&#x20AC;&#x2122; di probabilitaâ&#x20AC;&#x2122;. La funzione dâ&#x20AC;&#x2122;onda Ψ (M, t) eâ&#x20AC;&#x2122; detta ampiezza di probabilitaâ&#x20AC;&#x2122;. Ma eâ&#x20AC;&#x2122; ben evidente che la particella si trova comunque in un volume V, quindi la probabilitaâ&#x20AC;&#x2122; che essa si trovi in V deve valere 1, ovvero deve risultare â&#x2C6;Ťđ?&#x2018;&#x2030; â&#x17D;¸đ?&#x203A;š (đ?&#x2018;&#x20AC;, đ?&#x2018;Ą)â&#x17D;¸2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x; = 1 Essa esprime lâ&#x20AC;&#x2122;evento certo. In effetti, giaâ&#x20AC;&#x2122; nel 1924 il fisico francese di origini italiane L. De Broglie
introdusse,
sotto
forma
di
postulato,
lâ&#x20AC;&#x2122;ipotesi
che
ad
una
particella di massa m in moto con velocitaâ&#x20AC;&#x2122; scalare v potesse essere associata unâ&#x20AC;&#x2122;onda la cui lunghezza dâ&#x20AC;&#x2122;onda valesse Îť=
â&#x201E;&#x17D; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ł
Tale ipotesi fu confermata sperimentalmente nel 1927 da Davisson e Germer che
riuscirono
ad
evidenziare
la
natura
ondulatoria
dellâ&#x20AC;&#x2122;elettrone
difratto da un cristallo. Lâ&#x20AC;&#x2122;interpretazione probabilistica della funzione dâ&#x20AC;&#x2122;onda eâ&#x20AC;&#x2122; dovuta a Max Born.
Va osservato che la particella eâ&#x20AC;&#x2122; dotata di una energia potenziale V(M, t). Ho considerato questi aspetti della meccanica quantistica solo nel caso piuâ&#x20AC;&#x2122; semplice (si fa per dire !) del moto in una sola dimensione. Ulteriormente si pone che V non sia dipendente dal tempo. In altri termini risulta Lâ&#x20AC;&#x2122;equazione
di
đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
V = 0.
SchrČŤdinger
semplificata
ha
la
seguente
sembianza iâ&#x201E;?
đ?&#x153;&#x2022;
đ?&#x203A;š(đ?&#x2018;Ľ, đ?&#x2018;Ą) = đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą
In essa â&#x201E;? = Se
đ?&#x203A;š1 đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x203A;š 2
â&#x201E;?2
đ?&#x153;&#x2022;2
2đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ľ 2
đ?&#x203A;š(đ?&#x2018;Ľ, đ?&#x2018;Ą) +V(x) đ?&#x203A;š(đ?&#x2018;Ľ, đ?&#x2018;Ą)
â&#x201E;&#x17D; 2đ?&#x153;&#x2039;
sono
due
soluzioni
dellâ&#x20AC;&#x2122;equazione
combinazione complessa di esse lo eâ&#x20AC;&#x2122; pure. In alcuni casi particolari risulta đ?&#x203A;š(đ?&#x2018;Ľ, đ?&#x2018;Ą) = Ď&#x2020;(x)f(t) da cui â&#x17D;¸đ?&#x203A;š(đ?&#x2018;Ľ, đ?&#x2018;Ą) â&#x17D;¸2 = â&#x17D;¸ đ?&#x153;&#x2018;(đ?&#x2018;Ľ)đ?&#x2018;&#x201C;(đ?&#x2018;Ą) â&#x17D;¸2 I due termini sono integrabili e si ha â&#x2C6;Ťđ?&#x2018;&#x2030; â&#x17D;¸đ?&#x203A;š (đ?&#x2018;&#x20AC;, đ?&#x2018;Ą)â&#x17D;¸2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ = â&#x2C6;Ťđ?&#x2018;&#x2030; â&#x17D;¸đ?&#x153;&#x2018;(đ?&#x2018;Ľ)đ?&#x2018;&#x201C;(đ?&#x2018;Ą) â&#x17D;¸2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ = 1
allora
ogni
o anche â&#x17D;¸f(t)â&#x17D;¸2 â&#x2C6;Ťđ?&#x2018;&#x2030; â&#x17D;¸đ?&#x203A;š (đ?&#x2018;&#x20AC;, đ?&#x2018;Ą)â&#x17D;¸2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ = 1 potendo porre
â&#x17D;¸f(t)â&#x17D;¸= 1.
La funzione dâ&#x20AC;&#x2122;onda viene quindi scritta in questa forma Ψ(x,t) = Ď&#x2020;(x) exp(iÎą(t)). Gli
sviluppi
matematici
portanto
ad
una
equazione
indipendente dal tempo âŚ&#x2039;vedi ad esempio, AA.VV. citati in bibliografiaâŚ&#x152;.
15. Il
Indeterminazione. Il principio di Heisemberg principio
di
indeterminazione
di
Heisemberg
viene
solitamente scritto nella forma Î&#x201D;x Î&#x201D;p â&#x2030;Ľ
â&#x201E;&#x17D; 4đ?&#x153;&#x2039;
In detta relazione h eâ&#x20AC;&#x2122; la costante di Planck, mentre Î&#x201D;x indica lâ&#x20AC;&#x2122;incertezza nella posizione della particella e Î&#x201D;p indica lâ&#x20AC;&#x2122;incertezza sulla quantitaâ&#x20AC;&#x2122; di moto e, in ultima analisi, sulla velocitaâ&#x20AC;&#x2122; in quanto si ammette che sia m costante. La teoria postula che maggiore eâ&#x20AC;&#x2122; la precisione sulla misura di
x,
ovvero
tanto
lâ&#x20AC;&#x2122;incertezza su Î&#x201D;p.
minore
eâ&#x20AC;&#x2122;
Î&#x201D;x
tanto
piuâ&#x20AC;&#x2122;
elevata
eâ&#x20AC;&#x2122;
16. Entanglement Si puoâ&#x20AC;&#x2122; intendere detto termine inglese quale sinonimo di â&#x20AC;&#x153;stati quantistici correlatiâ&#x20AC;?. Tale concetto eâ&#x20AC;&#x2122; dovuto al genio di Einstein. Esso presuppone una pluralitaâ&#x20AC;&#x2122; di sistemi. Ci si riferisce solitamente al caso piuâ&#x20AC;&#x2122; semplice di due soli sistemi A e B. A due sistemi distinti corrispondono due distinti spazi degli stati, indicati formalmente come đ?&#x2018;&#x2020;đ??´ đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2020;đ??ľ . I
due sistemi possono costituire un sistema composto.
Si ammetta che il sistema A si caratterizzi per due stati distinguibili H e K. Eâ&#x20AC;&#x2122; ammissibile ogni altro stato che sia una sovrapposizione di stati H e K e detti stati ulteriori, non basici, viene formalizzata come segue Îąđ??ť â&#x17D;š đ??ťâ&#x;Š + đ?&#x203A;źđ??ž â&#x17D;š đ??žâ&#x;Š Formalmente posso scrivere che đ?&#x2018;&#x2020;đ??´ = {Îąđ??ť â&#x17D;š đ??ťâ&#x;Š + đ?&#x203A;źđ??ž â&#x17D;š đ??žâ&#x;Š }
Se si considera un secondo sistema B, distinto da A, e si considerano i vettori ket di base, per esempio in numero di sei, e definiti da corrispondenti vettori ket come segue â&#x17D;š 1â&#x;Š, â&#x17D;š 2â&#x;Š, â&#x17D;š 3â&#x;Š, â&#x17D;š 4â&#x;Š, â&#x17D;š 5â&#x;Š, â&#x17D;š 6â&#x;Š. đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x2013;sulta pertanto đ?&#x2018;&#x2020;đ??ľ = {â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014; â&#x2030;¤6 đ?&#x203A;źđ?&#x2018;&#x2014; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š} đ??śđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153;â&#x20AC;˛ premesso si puoâ&#x20AC;&#x2122; ottenere il sistema combinato. đ??ˇđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2013; sistemi A e B occorre considerare il sistema AB, come un unico sistema detto anche sistema composto. Cioâ&#x20AC;&#x2122; equivale a considerare lo spazio degli stati del sistema composto indicato con il formalismo đ?&#x2018;&#x2020;đ??´đ??ľ . Detto spazio degli stati eâ&#x20AC;&#x2122; detto prodotto tensoriale e si ha la seguente formalizzazione đ?&#x2018;&#x2020;đ??´đ??ľ = đ?&#x2018;&#x2020;đ??´ â&#x160;&#x2014; đ?&#x2018;&#x2020;đ??ľ đ??ˇđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x17D; situazione e delle combinazioni di stati si puoâ&#x20AC;&#x2122; dare una rappresentazione grafica utilizzando una tabella a doppia entrata introducendo nel senso della riga gli stati di B e nel senso della colonna gli stati di A.
1
2
3
4
H
5
6
H4
K
Il
senso
della
costruzione
degli
stati
composti
eâ&#x20AC;&#x2122;
ben
evidente ovvero allâ&#x20AC;&#x2122;intersezione riga colonna corrisponde lo stato
composto
corrispondente,
come
nel
caso
di
quello
indicato H4. Il corrispondente vettore di stato, eâ&#x20AC;&#x2122; il ketâ&#x17D;š đ??ť4â&#x;Š. Ognuno di detti vettori ket, quali â&#x17D;š đ??ť4â&#x;Š, base dello spazio tensoriale
eâ&#x20AC;&#x2122; detto vettore di
đ?&#x2018;&#x2020;đ??´đ??ľ = đ?&#x2018;&#x2020;đ??´ â&#x160;&#x2014; đ?&#x2018;&#x2020;đ??ľ .
Si evidenzia immediatamente che il numero dei vettori di base di uno spazio tensoriale eâ&#x20AC;&#x2122; il prodotto del numero delle dimensioni degli spazi di partenza, riferiti a sistemi distinti.
Se si ha a disposizione uno spazio tensoriale riconducibile ad una matrice di n righe e k colonne posso scrivere che đ?&#x2018;&#x2020;đ??´đ??ľ = {â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014; â&#x2030;¤đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x203A;ź1đ?&#x2018;&#x2014; â&#x17D;š 1đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š + đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;?â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2019; se
nel
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014; â&#x2030;¤đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x203A;ź2đ?&#x2018;&#x2014; â&#x17D;š 2đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š +â&#x20AC;Ś.. +
proseguo
della
lettura
â&#x2C6;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2014; â&#x2030;¤đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x203A;źđ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2014; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2014;â&#x;Š} del
testo
constatato che esiste una regola piuâ&#x20AC;&#x2122; semplice.
piuâ&#x20AC;&#x2122;
volte
citato
ho
Eâ&#x20AC;&#x2122; possibile passare agli spin con riferimento a sistemi costituiti da due sistemi indipendenti A e B. Si usano le lettere u e d per denotare le due condizioni opposte e si puoâ&#x20AC;&#x2122; realizzare la seguente matrice (meglio, tabella a doppia entrata). u
d
u
uu
ud
d
du
dd
situazione cui corrispondono i ket del sistema complesso che vengono rappresentati come segue â&#x17D;š đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;˘â&#x;Š , â&#x17D;š đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š, â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;˘â&#x;Š, â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š. I vettori dei due spazi non sono sommabili. A volte per essi si usa un distinto formalismo. Credo che questa distinzione di rappresentazione formale sia particolarmente utile quando si considera lo spazio prodotto che definisce lo stato prodotto, che viene inteso come un ket. Se si hanno due spazi e i ket di base allora anche le corrispondenti sovrapposizioni sono stati accettabili. Risulta che sono dati i ket seguenti
Îąđ?&#x2018;˘ â&#x17D;š đ?&#x2018;˘} + đ?&#x203A;źđ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;} e đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;š đ?&#x2018;˘â&#x;Š + đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š Lo stato prodotto viene cosiâ&#x20AC;&#x2122; sintetizzato â&#x17D;š đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;â&#x;Š = {Îąđ?&#x2018;˘ â&#x17D;š đ?&#x2018;˘} + đ?&#x203A;źđ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;}}â&#x160;&#x2014;{đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;š đ?&#x2018;˘â&#x;Š + đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š} A questo punto bisogna considerare le regole del prodotto che sono
abbastanza
facili
da
ricordare,
molto
simili
alla
moltiplicazione ordinaria dellâ&#x20AC;&#x2122;algebra. Va ricordata la regola per la quale
â&#x17D;š đ?&#x2018;˘}â&#x17D;š đ?&#x2018;˘â&#x;Š = â&#x17D;š đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;˘â&#x;Š.
Fatta questa precisazione risulta che {Îąđ?&#x2018;˘ â&#x17D;š đ?&#x2018;˘} + đ?&#x203A;źđ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;}}â&#x160;&#x2014;{đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;š đ?&#x2018;˘â&#x;Š + đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š} â&#x2021;&#x201D; Îąđ?&#x2018;˘ đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;š đ?&#x2018;˘} â&#x17D;¸ đ?&#x2018;˘â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;˘ đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;š đ?&#x2018;˘} â&#x17D;¸ đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;} â&#x17D;¸ đ?&#x2018;˘â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;š đ?&#x2018;&#x2018;} â&#x17D;¸ đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š â&#x2021;&#x201D; Îąđ?&#x2018;˘ đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;¸đ?&#x2018;˘ đ?&#x2018;˘â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;˘ đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;¸đ?&#x2018;˘ đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;˘â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š Gli stati â&#x17D;¸đ?&#x2018;˘ đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š
e â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;˘â&#x;Š sono distinti.
Per gli stati valgono le condizioni di normalizzazione. Ad esempio per il primo dei due stati considerati deve risultare đ?&#x203A;źâ&#x20AC;˛đ?&#x2018;˘ đ?&#x203A;źđ?&#x2018;˘ + đ?&#x203A;źâ&#x20AC;˛đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x203A;źđ?&#x2018;&#x2018; = 1. Lo stato composto come definito viene riscritto in forma simbolica come segue Îąđ?&#x2018;˘ đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;¸đ?&#x2018;˘ đ?&#x2018;˘â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;˘ đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;¸đ?&#x2018;˘ đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;˘ â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;˘â&#x;Š + Îąđ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š â&#x2021;&#x201D; đ?&#x203A;šđ?&#x2018;˘đ?&#x2018;˘ â&#x17D;¸đ?&#x2018;˘ đ?&#x2018;˘â&#x;Š + đ?&#x203A;šđ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;¸đ?&#x2018;˘ đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š + đ?&#x203A;šđ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;˘ â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;˘â&#x;Š + đ?&#x203A;šđ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018; â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š
Anche in questo caso si deve ammettere la condizione di normalizzaizone. Vi sono stati che non possono essere espressi da un prodotto tensoriale, come nel caso del singoletto definito come â&#x17D;¸đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;â&#x;Š =
1 â&#x2C6;&#x161;2
(â&#x17D;¸đ?&#x2018;˘ đ?&#x2018;&#x2018;â&#x;Š - â&#x17D;¸đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;˘â&#x;Š)
Dati due sistemi distinti e due distinti apparati sperimentali eâ&#x20AC;&#x2122; possibile avere distinte componenti di spin. Quando si ragiona sugli stati composti (prodotto tensore) le componenti di spin agiscono sulla parte di ket corrispondente allo stato del sistema riferito al sistema su cui opera lâ&#x20AC;&#x2122;operatore di spin.
APPENDICE Osservazioni elementari sui segnali Gradino unitario La formalizzazione del gradino unitario eâ&#x20AC;&#x2122; immediata. Il grafico eâ&#x20AC;&#x2122; il seguente
La funzione gradino unitario U(x) eâ&#x20AC;&#x2122; U(x) = 1 per x â&#x2030;Ľ 0 e U(x) = 0 per x < 0. La funzione gradino unitario puoâ&#x20AC;&#x2122; assumere anche la forma U(x¹ν) che
ha
due
seguenti, con ν â&#x2C6;&#x160; đ?&#x2018;&#x2026; + .
distinte
rappresentazioni
che
sono
le
Nel secondo caso si ha
Hanno senso scritture del tipo k(U(x) che hanno una immediata rappresentazione, come per k > 0.
Onda quadra Essa eâ&#x20AC;&#x2122; studiata nel dominio del tempo
La descrizione matematica di essa e la seguente (U(x) â&#x20AC;&#x201C; U(x -Îą)) +
(U(x-2Îą) â&#x20AC;&#x201C; U(x -3Îą))+ â&#x20AC;Śâ&#x20AC;Śâ&#x20AC;Śâ&#x20AC;Ś
Usando il formalismo delle serie si ottiene â&#x2C6;&#x2018;+â&#x2C6;&#x17E; đ?&#x2018;&#x2DC;=1(đ?&#x2018;&#x2C6;(đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x203A;ź) â&#x20AC;&#x201C; đ?&#x2018;&#x2C6;(đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019; (đ?&#x2018;&#x2DC; + 1)đ?&#x203A;ź))
ove k eâ&#x20AC;&#x2122; un intero e 2Îą = T.
FUNZIONE DELTA DI DIRAC La funzione δ di Dirac eâ&#x20AC;&#x2122; detta anche funzione impulso, o impulsiva. Essa viene definita a partire da f(x)=
1 đ?&#x153;&#x20AC;
2
quando â&#x17D;š xâ&#x17D;š â&#x2030;¤ đ?&#x153;&#x20AC; con Îľ â&#x2C6;&#x2C6; â&#x201E;?+ đ?&#x153;&#x20AC;
đ?&#x153;&#x20AC;
f(x)= 0 â&#x2C6;&#x20AC; x â&#x2C6;&#x2C6; (â&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E;, â&#x2C6;&#x2019;2 ) â&#x2039;&#x192; ( 2 , +â&#x2C6;&#x17E;) δ(x)= lim đ?&#x2018;&#x201C;(đ?&#x2018;Ľ) đ?&#x153;&#x20AC;â&#x2020;&#x2019;0
La funzione eâ&#x20AC;&#x2122; normalizzata in quanto risulta đ?&#x153;&#x20AC;
+â&#x2C6;&#x17E;
â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x17D;
â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx =â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E;2
đ?&#x153;&#x20AC;
+â&#x2C6;&#x17E;
đ?&#x2018;&#x201C;(đ?&#x2018;Ľ)dx + â&#x2C6;Ť2đ?&#x153;&#x20AC; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx+ â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x20AC;+đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;&#x201C;(đ?&#x2018;Ľ)dx â&#x2C6;&#x2019;
2
2
đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;&#x2019;â&#x20AC;˛ una quantitaâ&#x20AC;&#x2122; infinitesima. Per quanto ipotizzato si puoâ&#x20AC;&#x2122; scrivere đ?&#x153;&#x20AC;
â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x17D;
â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E;2
đ?&#x153;&#x20AC;
đ?&#x153;&#x20AC;
+â&#x2C6;&#x17E;
â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x17D;
0dx + â&#x2C6;Ť2đ?&#x153;&#x20AC; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx+ â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x20AC;+đ?&#x153;&#x17D; 0dx â&#x;š 0â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E;2 â&#x2C6;&#x2019; 2
2
đ?&#x153;&#x20AC;
đ?&#x153;&#x20AC;
â&#x;š 0 + â&#x2C6;Ť2đ?&#x153;&#x20AC; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx + 0 = â&#x2C6;Ť2đ?&#x153;&#x20AC; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019; 2
Pertanto
+â&#x2C6;&#x17E; â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx
2
đ?&#x153;&#x20AC; 2 đ?&#x153;&#x20AC; â&#x2C6;&#x2019; 2
=â&#x2C6;Ť đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx
đ?&#x153;&#x20AC;
+â&#x2C6;&#x17E;
đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ + â&#x2C6;Ť2đ?&#x153;&#x20AC; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx+ 0â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x20AC;+đ?&#x153;&#x17D; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019;
2
2
Tutto
sommato
questo
integrale
puoâ&#x20AC;&#x2122;
essere
calcolato
elementarmente con la considerazione che al variare di Îľ gli estremi
inferiore
e
superiore
di
integrazione
devono
considerarsi determinati. Ma assegnato Îľ eâ&#x20AC;&#x2122; definito pure il valore della funzione che risulta đ?&#x203A;ż(x) =
1 đ?&#x153;&#x20AC;
Essa eâ&#x20AC;&#x2122; interpretabile come una costante e quindi eâ&#x20AC;&#x2122; possibile scrivere đ?&#x153;&#x20AC;
đ?&#x153;&#x20AC;
â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;2đ?&#x153;&#x20AC; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx = δ(x) â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;2đ?&#x153;&#x20AC; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ = 2
2
1 đ?&#x153;&#x20AC;
đ?&#x153;&#x20AC;
( â&#x2C6;&#x2019; (â&#x2C6;&#x2019; 2))=
đ?&#x153;&#x20AC; 2
1 đ?&#x153;&#x20AC;
đ?&#x153;&#x20AC;
đ?&#x153;&#x20AC; =đ?&#x153;&#x20AC; = 1
+â&#x2C6;&#x17E;
đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E; đ?&#x203A;ż(đ?&#x2018;Ľ)dx = 1 Per chiarire la questione elementarmente si puoâ&#x20AC;&#x2122; utilizzare il grafico sottostante
La curva δ=δ(ε) e’ un ramo di iperbole equilatera e questo coerentemente con il fatto che per ε→0+ la funzione impulso delta di Dirac tende a +∞. Vanno
ora
considerate
anche
le
altre
proprieta’
della
funzione δ di Dirac. Occorre, in particolare, ricordare che la funzione di Dirac e’ una funzione pari. Risulta pertanto che δ(x) = δ(-x) La rappresentazione della funzione e’ immediata e i grafici sottostanti ricomprendono tutti i casi possibili.
LA FUNZIONE SCALINO UNITARIO Viene studiata nel dominio del tempo ed eâ&#x20AC;&#x2122; immediata y = u(t â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Ą0 )=
1 quando t > t 0 0 altrimenti
Per đ?&#x2018;Ą0 = 0 si ha y = u(t â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Ą0 )= u(t) = 1 â&#x2C6;&#x20AC;t â&#x2030;Ľ 0. Essa ha una rappresentazione grafica molto semplice. Nel primo caso si ha
Nel caso piuâ&#x20AC;&#x2122; particolare risulta
LA FUNZIONE RAMPA UNITARIA Data la funzione scalino unitario eâ&#x20AC;&#x2122; possibile calcolare lâ&#x20AC;&#x2122;integrale improprio seguente. đ?&#x2018;Ą
r(Ď&#x201E;) = â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E; đ?&#x2018;˘(đ?&#x153;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ą0 )dĎ&#x201E; Lâ&#x20AC;&#x2122;indice muto di tempo Ď&#x201E; si rende necessario per evitare confusione. Va osservato che eâ&#x20AC;&#x2122; dato un t particolare detto đ?&#x2018;Ą0 per il quale risulta đ?&#x2018;˘(đ?&#x153;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ą0 ) = 1 per ogni Ď&#x201E; â&#x2030;Ľ đ?&#x2018;Ą0 . Ho quindi ritenuto di applicare la proprietaâ&#x20AC;&#x2122; di linearitaâ&#x20AC;&#x2122; dellâ&#x20AC;&#x2122;integrale avendo đ?&#x2018;Ą
đ?&#x2018;Ą â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x153;&#x17D;
đ?&#x2018;Ą
0 â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E; đ?&#x2018;˘(đ?&#x153;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ą0 )dĎ&#x201E; = â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E; đ?&#x2018;˘(đ?&#x153;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ą0 )dĎ&#x201E; + â&#x2C6;Ťđ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;˘(đ?&#x153;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ą0 )dĎ&#x201E; 0
đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x17D; per la limitazione fatta sugli estremi di integrazione la funzione integranda in esso contenuto eâ&#x20AC;&#x2122; identicamente eguale a zero, quindi il primo integrale vale zero. đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;, si puoâ&#x20AC;&#x2122; scrivere đ?&#x2018;Ą
đ?&#x2018;Ą
â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E; đ?&#x2018;˘(đ?&#x153;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ą0 )dĎ&#x201E; = â&#x2C6;Ťđ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;˘(đ?&#x153;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ą0 )dĎ&#x201E; 0
Ma, nellâ&#x20AC;&#x2122;intervallo âŚ&#x2039;đ?&#x2018;Ą0 , +â&#x2C6;&#x17E;) la funzione đ?&#x2018;˘(đ?&#x153;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ą0 ) eâ&#x20AC;&#x2122; costante ed identicamente eguale a 1 quindi eâ&#x20AC;&#x2122; possibile scrivere t
t
t
0
0
â&#x2C6;Ťâ&#x2C6;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E; u(Ď&#x201E; â&#x2C6;&#x2019; t 0 )dĎ&#x201E; = â&#x2C6;Ťt u(Ď&#x201E; â&#x2C6;&#x2019; t 0 )dĎ&#x201E; = u(Ď&#x201E; â&#x2C6;&#x2019; t 0 ) â&#x2C6;Ťt dĎ&#x201E; =1(t â&#x2C6;&#x2019;t 0 ) = t â&#x2C6;&#x2019;t 0
La solita rappresentazione grafica
si giustifica ampiamente dal fatto che si puo’ ammettere che t
r(τ)= ∫t u(τ − t 0 )dτ sotto la condizione u(τ − t 0 ) = 1 per τ ≥ t 0 . 0
Per τ < t 0 risulta ovviamente r(τ)= 0.
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PROPRIETA’ LETTERARIA
Questo breve saggio non ha finalita’ commerciali o lucrative. Ne e’ autorizzata la divulgazione, anche totale, a condizione che essa non abbia finalita’ commerciali o lucrative purche’ essa avvenga con la citazione dell’autore e del soggetto diffusore dell’opera.
pubblicazione a cura di Pascal McLee
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