Álgebra
Olimpiada STEMSfina India (2021)

Olimpiada STEMSfina India 2021 Problema 23

¿Distribución de probabilidad clásica para estados cuánticos? El objetivo de este problema es tratar de imitar un enfoque de mecánica estadística a la mecánica cuántica. En la mecánica estadística clásica, uno tiene la fórmula habitual de Gibbs-Boltzmann que da la distribución de probabilidad en el espacio de fase a ser: \n\[ \rho(x_1,\dots,x_n,p_1,\dots,p_n) \sim \exp(-\beta H(x_1,\dots,x_n,p_1,\dots,p_n))\] \ndonde $H$ es el Hamiltoniano del sistema. ¿Por qué no podemos exigir una distribución de probabilidad similar sobre el espacio de fase en la mecánica cuántica? Si se da la función de onda $\psi(x_1,\dots,x_n)$ , construimos la siguiente expresión: \n\begin{align*} \n\begin{split} \n& P(x_1,\dots,x_n,p_1,\dots,p_n) \\ \n& = \left(\frac{1}{\pi\hbar}\right)^n \int_{-\infty}^{\infty} \dots \int_{-\infty}^{\infty} dy_1\dots dy_n \psi^*(x_1+y_1,\dots,x_n+y_n) \\ \n& \times \psi(x_1-y_1,\dots,x_n-y_n) \exp\left(\frac{2i}{\hbar}(p_1y_1+\dots+p_ny_n)\right) \n\end{split} \n\end{align*} \nMuestre que, \n\[ \int_{-\infty}^{\infty}\dots\int_{-\infty}^{\infty} dp_1\dots dp_n P(x_1,\dots,x_n,p_1,\dots,p_n) = \left|\psi(x_1,\dots,x_n)\right|^2\] \nque son las probabilidades correctas para las coordenadas. Muestre que, \n\[ \int_{-\infty}^{\infty}\dots\int_{-\infty}^{\infty} dx_1\dots dx_n \, P(x_1,\dots,x_n,p_1,\dots,p_n) = \left|\tilde{\psi}(p_1,\dots,p_n)\right|^2\] \nque son las probabilidades correctas para los momentos donde, \n\[ \tilde{\psi}(p_1,\dots,p_n) = \int_{-\infty}^{\infty}\dots\int_{-\infty}^{\infty} dx_1\dots dx_n \psi(x_1,\dots,x_n) \exp\left(-\frac{i}{\hbar}(x_1p_1+\dots+x_np_n)\right)\] \nes la transformada de Fourier de la función de onda $\psi(x_1,\dots,x_n)$ . Por lo tanto, la función $P$ definida anteriormente parece ser una buena candidata para una distribución de probabilidad en la mecánica cuántica. ¿Esto no contradiría la parte (a)? Dé razones para respaldar su respuesta.

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