Pangloss ha scritto:
> Tuttavia a volte lo si usa per definire il prodotto scalare (come fa
> ad es. Dirac nel suo mitico libro "I principi della MQ" introducendo
> prima i vettori ket |A>, poi i vettori duali bra <B| ed infine il
> prodotto scalare (complesso) braket <B|A>.
Avevo un ricordo che Dirac pasticciasse un po' su questo argomento.
Ho riletto il capitolo, ed è così.
Ora spiego.
Ecco come procede Dirac.
1. Definisce i ket |v> (adatto la notazione: D. usa lettere greche)
per rappresentare gli stati fisici di un sistema a un dato istante.
L'insieme H dei ket ha proprietà che lo caratterizzano come spazio di
Hilbert su C.
La dimensione di H dipende dal sistema. Per es. nel caso della
polarizzazione dei fotoni, precedentemente discusso a lungo da D., la
dimensione è 2. In altri casi, come per es. un oscillatore armonico,
la dimensione è infinita.
Fin qui tutto bene, anche se mi accorgo che non ho definito uno spazio
di Hilbert, né lo fa D., per cui non è vero che le proprietà dei ket
definiscano uno spazio di Hilbert. manca un ingrediente esseziale: v.
appresso.
Rimedio subito.
Uno spazio di Hilbert (generalmente sottinteso: su C) è uno spazio
vettoriale *dotato di prodotto scalare hermitiano*.
La dimensione può essere finita o infinita; ma se è infinita si assume
che H sia *completo*.
Ciò vuol dire che ogni successione di Cauchy converge.
In realtà la completezza non è un problema, perché uno spazio
(metrico) non completo può sempre essere completato in modo standard.
Il procedimento è lo stesso che fa passare dai razionali (spazio non
completo) ai reali (completo).
Va detto che gli spazi di Hilbert infiniti che si usano in MQ sono
anche *separabili*, il che vuol dire che posseggono una base
numerabile. (Non posso dettagliare ulteriormente.)
Una proprietà degli spazi di Hilbert separabili infiniti su C (a prima
vista incredibile) è che sono tutti isometricamente isomorfi.
Il che vuol dire che in senso astratto c'è un solo spazio di Hilbert,
valido per tutti i sistemi in MQ (quando la dim. è infinita).
Non posso commentare perché pare incredibile e come si spiega
l'apparente paradosso...
2. Definisce i bra come funzioni lineari su H e spende una pagina per
dimostrare che l'insieme delle funzioni lineari su H è uno spazio
vettoriale (lo spazio duale ad H).
Non chiarisce che sta pensando al duale topologico, perché non ha
detto che considera solo funzioni *continue*. Dunque lo spazio dei bra
è H^*.
Non poteva farlo, perché senza prodotto scalare niente topologia,
quindi niente limiti e continuità.
3. Il pasticcio è che se f è un bra, D. pretende d'interpretare f(v)
come "prodotto scalare" tra un bra e un ket, il che non ha senso,
perché il prodotto scalare non è definito tra *due* distinti spazi
vettoriali, ma è un'operazione *interna* a H (non a caso viene anche
chiamato "prodotto interno").
Si deve osservare che questo D. lo sa benissimo, tant'è vero che
scrive (traduco):
"I vettori bra, per come sono stati introdotti, sono un tipo di
vettori del tutto distinto dai ket, e tra loro non c'è alcuna
connessione a parte l'esistenza di un prodotto scalare."
In realtà questo è sbagliato: la connessione è che i bra sono
*funzioni* con dominio H e codominio C.
Naturalmente D. conosce il teorema di Riesz, ma si guarda bene dal
dirlo (è un'operazione che ripete più volte; per es. parlando di
particelle identiche dimostra di saperla lunga sulle rappresentazioni
del gruppo simmetrico, ma ricostruisce la teoria senza dirlo).
Che cosa direbbe il teorema di Riesz? Che *essendo in H definito un
prodotto scalare, a ogni bra f corrisponderà un ket u_f tale che
f(v) = (u_f,v). (1)
Ma se il prodotto scalare non è stato previamente definito, possiamo
usare questa via per definirlo?
Se la dim. è finita non ci sono problemi, ma purtroppo non ci si può
limitare a questo caso speciale.
Se la dim. è infinita, ci ho pensato un po' e non sono proprio sicuro
della risposta che ora scrivo, ma credo che il gioco che fa D. non si
possa fare.
In altre parole, bisogna *prima definire un prodotto scalare (come
assioma, se vogliamo); poi definire il duale topologico come detto
sopra, che è lo spazio H^* dei bra; infine (usando il teorema di
Riesz) assumere l'esistenza di una mappa bigettiva tra bra e ket, che
ci autorizza a fare quello che fa D., ossia usare lo stesso nome per
un ket e per il corrispondente bra.
E soprattutto, consente di usare la geniale notazione di D.: <u|v> col
doppio significato:
1) valore su v della funzione lineare individuata da u;
2) prodotto scalare dei due *ket* |u> e |v> (antilineare sul primo).
La notazione poi si sviluppa quando si scrivono cose cone <u|A|v> per
l'elemento di matrice dell'operatore A tra i due ket |u> e |v>. Ma di
questo non voglio occuparmi.
Su bra e ket voglio dire un'ultima cosa.
L'uso (come notazione) che ne fa D. ormai purtroppo è degenerato.
L'idea di racchiudere bra e ket tra due segni: <...| e |...> permette
di usare lo spazio interno con grande libertà: ci si può scrivere
qualunque cosa, al limite anche un verso della Divina Commedia:
|e se non piangi, di che pianger suoli?>
qualunque cosa che torni comoda per individuare il bra o il ket
particolare.
Invece si è diffuso l'uso confusionario e inutile di scrivere cose come
|psi(x,t)>, per es. nell'eq. di Schroedinger:
i hbar d|psi(x,t)>/dt = H |psi(x,t)>.
Questo è sbagliato perché psi(x,t) è la *funzione d'onda* al tempo t,
e la funzione d'onda *non è un ket*, ma una sua possibile
rappresentazione. La x sta a indicare una coordinata spaziale, quindi
si tratta di quella che viene chiamata "rappresentazione di Schr."
La notazione corretta sarebbe scrivere |s> per indicare il vettore
(ket) di un particolare stato (ma la notazione potrebbe essere più
ricca, magari per ricordare di quale particella si tratta o per
indicare altri dati).
Poi il ket può variare nel tempo (Schr. picture; la traduzione
italiana non credo sia standardizzata, una possibilità è "schema").
Allora si scriverà |s,t> e quindi, per l'eq, di Schr.:
i hbar d|s,t>/dt = H |s,t>.
La funzione d'onda in rappr. di Schr. è invece definita da
psi_s(x,t) = <x|s,t>
dove l'indice s (che si può anche omettere quando non ci sia pericolo
di confusione) sta a indicare che stiamo parlando della funzione
d'onda dello stato s.
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Elio Fabri