Quiero aprender mecánica cuántica. ¿Qué necesito saber antes de comenzar?

Mecánica cuántica, ha pasado un tiempo …

Entonces, el objeto principal en QM es la ecuación de Schrödinger:
Entonces, ¿qué necesitas saber para comenzar con esto?

El primer símbolo que observa es el [math] i [/ math], este es, por supuesto, el símbolo complejo que tiene el atributo de: [math] i ^ 2 = -1 [/ math]. Esta podría ser la primera vez que vea esto en alguna teoría física real ([math] i [/ math] también aparece en la electrodinámica, pero es posible que no haya estudiado eso), y es importante saber las cosas más elementales al respecto. (Que se ajusta a menos uno, que puede representar un número complejo en un gráfico bidimensional y cómo puede usarlos en poderes complejos del exponente)

La barra h no es más que una constante, su valor no es realmente importante, aunque tal vez la unidad sea (Energía * tiempo). Y, por supuesto, necesitas poder trabajar con símbolos.

Obviamente necesitas saber derivados. La definición exacta no es necesaria, pero debe estar algo familiarizado con la forma en que funcionan en ciertos objetos. En el lado opuesto, también debes estar familiarizado con las integrales. Sin embargo, la mayoría de ellos son bastante fáciles.

La definición de [math] \ Psi [/ math] es algo que aprenderá cuando estudie QM. Por lo general, es una función y se parece a una onda. El cuadrado (complejo) de esta onda, se asemeja a una distribución aleatoria. Esto es muy importante, en cualquier teoría cuántica usarás más adelante, esto devuelve: El cuadrado de la función de onda da una probabilidad.

[math] \ hat {H} [/ math] es otro símbolo. Este es el hamiltoniano, la transformada de Legendre del Lagrangiano. Deberías saber qué es esto.
Sin embargo, si observas con cuidado, notarás que esta H tendrá un sombrero. Esto le da un significado especial al símbolo: H ya no es una función, sino un operador. Un operador es un tipo de función u operación que no significa necesariamente nada por sí solo. El derivado o una integral son ambos operadores, pero necesitan actuar sobre / sobre algo para mostrarnos completamente lo que hacen.

Ahora, las soluciones de la ecuación diferencial anterior (otra cosa que es útil conocer, si solo entiendes lo que te dice) te darán funciones de onda, y esas funciones de onda cuadradas te darán una probabilidad. Una vez que tenga una probabilidad, puede calcular los valores promedio del momento / posición, etc.

Si la mayoría de lo que le dije es familiar, debería poder comenzar con el aprendizaje de QM. Si este es el caso, te daré dos consejos:

Si no está familiarizado con el álgebra lineal, investigue un poco. En particular, la definición de una matriz, vectores y valores propios. Son nociones bastante simples, pero recuerdo haber seguido un curso de gestión de la calidad con personas que no sabían acerca de estos objetos y lucharon para lograrlo.

Manten una mente abierta. Esto se aplica a muchas cosas diferentes en el campo de QM. Tu intuición te fallará cuando estudies este tema, porque tu intuición nunca se encontró con cosas como esta antes. Si puede hacerlo, despeje su mente de todas las nociones concebidas anteriores de qué son las partículas y cómo se ve el mundo, comprenda que todo lo que ve es simplemente un comportamiento de las cosas en escalas grandes, no en escalas pequeñas.

Un estudiante de secundaria, ¿eh? Te hablaré sobre esto, pero se volverá vago y ondulado a mano muy rápido.

Primero, asumo que estás familiarizado con la física de la escuela secundaria. Tal vez la joya de la corona de esa sea la segunda ley de Newton, [math] F = ma [/ math]. ¿Qué hace esto? Te permite predecir cómo se mueven las cosas. Hay dos aspectos para saber cómo se mueven las cosas: primero, si conoces todas las fuerzas de un objeto en un momento determinado en el tiempo , puedes decir cómo se moverá (… qué es la aceleración) en ese momento en particular . Esto es sólidamente dentro de la física de nivel de secundaria.

Un poco más poderoso, si conoce todas las fuerzas sobre un objeto durante un período de tiempo particular , entonces puede describir su movimiento a lo largo de ese período de tiempo . Hay un caso especial que estudian los estudiantes de secundaria, y son los objetos que se mueven bajo la fuerza constante de la gravedad. Podría estudiar algunos escenarios comunes de fuerza no constante, como los objetos que se mueven en un resorte. Pero tal vez no.

Puede que no tenga la maquinaria matemática para hacer esto explícitamente, pero probablemente no le sorprenda que si supiera todas las fuerzas que actúan sobre un objeto de masa conocida durante un período de tiempo, incluso si esas fuerzas no son constantes, puede Describe la aceleración del objeto a lo largo de ese período de tiempo. Y viceversa: dadas las aceleraciones no constantes, puede determinar las fuerzas correspondientes.

A mediados del siglo XIX, se desarrolló un paradigma diferente, llamado mecánica lagrangiana o hamiltoniana. (Los dos son ligeramente diferentes, pero esa diferencia no es importante en este nivel de detalle). Da las mismas predicciones teóricas que la mecánica newtoniana, pero no utiliza el concepto de fuerza. En su lugar, utiliza un concepto relacionado con la energía total del objeto. Ese concepto se llama “acción”, pero no intentaré definirlo aquí … basta con decirlo, está relacionado con la energía total del objeto. En este paradigma, la joya de la corona no es [math] F = ma [/ math] (ya que realmente no hay una ” F “), sino el “principio de acción mínima”. Es decir: el movimiento real de un objeto es ese movimiento que minimiza la acción asociada con ese movimiento.

La maquinaria matemática que necesita para resolver estos problemas es una versión ligeramente más sofisticada del cálculo de la escuela secundaria. (Se llama cálculo de variaciones, en caso de que te gusten las etiquetas). Si esto da las mismas respuestas que la mecánica newtoniana pero usa las matemáticas más difíciles, ¿cuál es el punto? Un punto es que hay momentos en que es mucho más fácil hablar de energías que de fuerzas. Esta podría haber sido la motivación histórica para el desarrollo.

Pero otro punto, tal vez un feliz accidente histórico, es que es mucho más fácil formular la mecánica cuántica por analogía con una formulación hamiltoniana. De hecho, la estructura matemática de la mecánica hamiltoniana clásica y la mecánica cuántica es extremadamente similar.

Entonces, ¿qué necesitas para aprender mecánica cuántica? Diría que para comprender de manera significativa la mecánica cuántica, al menos deberías estar familiarizado con la formulación hamiltoniana de la mecánica clásica. Si tiene ese requisito previo, debe estar en buena forma para tomar un libro de mecánica cuántica y leerlo.

Por supuesto, esto viene junto con el equipaje matemático, que otros han descrito. Cálculo, ecuaciones diferenciales, álgebra lineal, etc. Acabo de agregar una pequeña nota de precaución: dominar todas las matemáticas no lo pondrá en una posición para entender la mecánica cuántica.

Hay una razón por la que un físico no es solo un tipo especializado de matemático: hay habilidades y conocimientos separados asociados con la física. Los requisitos previos matemáticos son importantes, seguro. Y a menudo, la comprensión de la física se expresa en las matemáticas. Pero las matemáticas no son de donde viene la idea … la visión viene de la física .

No hace falta decir que debe tener una buena comprensión del cálculo (derivadas, integrales, integrales múltiples, gradientes, ecuaciones diferenciales básicas, etc.) que en los campos STEM, especialmente la física, es tan ubicua como la aritmética básica. Si no puedes resolver ecuaciones diferenciales básicas (por ejemplo, el oscilador armónico simple), por ejemplo, no llegarás muy lejos en un típico libro de texto de mecánica cuántica de introducción.

Aparte de eso, el álgebra lineal (preferiblemente en el nivel de división superior) es absolutamente esencial para comprender la mecánica cuántica. La matemática que subyace a la mecánica cuántica * es la de los espacios vectoriales: los estados están representados por vectores, los observables están representados por operadores hermitianos y los estados se transforman a través de operadores unitarios. Además, estos espacios vectoriales son complejos, por lo que debe saber una o dos cosas sobre exponenciales complejos.

Si puede responder las siguientes preguntas, diría que está en una buena posición para comenzar a aprender mecánica cuántica:

  • ¿Cómo se llega y resuelve la ecuación diferencial para un oscilador armónico simple?
  • ¿Qué es una base y qué significa que algo sea independiente de una base?
  • ¿Qué es un eigenvector y qué tienen de especial los valores propios de los operadores de Hermitian?
  • ¿Qué sucede cuando Fourier transforma una distribución gaussiana?
  • ¿Cuál es la forma polar de un número complejo? ¿Cómo se relaciona esta forma con el plano complejo?

Cualquiera que sea el libro de texto de mecánica cuántica que elija, lo guiará a través de los conceptos básicos del álgebra lineal, pero cuanto más sepa de antemano, mejor. Cuando empieces, primero aprenderás los postulados de la mecánica cuántica seguidos por algunos problemas simples de valores propios disfrazados de ecuaciones diferenciales (tal vez con algunas transformadas de Fourier entre la posición y el espacio de impulso). A medida que avance, el álgebra lineal se volverá más significativo a medida que avanza desde la simple solución de la ecuación de Schrödinger en el espacio de posición hasta la exploración real de los fundamentos teóricos de lo que significa ser un estado cuántico, un operador, etc.


* Al menos en el nivel en el que se encuentra actualmente. Puede preocuparse por las categorías y los paquetes de fibra más adelante si así lo desea.

Necesitas saber álgebra lineal básica, y luego extender la teoría a una base del tamaño de la recta numérica real, necesitas la teoría de las distribuciones de Dirac (no es exactamente un análisis funcional, hay un montón de formalismo irrelevante agregado en la versión matemática de eso). campo, y es una distracción). Puede aprender todas las matemáticas del libro de Dirac “Los principios de la mecánica cuántica”, que comienza con una discusión de las funciones delta y las funciones de prueba para definir la función delta.

La intuición es un poco más rápida si primero trabajas a través de la mecánica de matrices (o simultáneamente). Esto se puede hacer utilizando la página de Wikipedia. La matemática se definió al abstraerla de la física en este caso, y el formalismo matemático del análisis funcional es difícil de aprender sin la motivación proporcionada por la mecánica cuántica, por lo que es mejor aprender primero la física.

La mecánica cuántica implica más matemáticas. Esto hace que, la mayoría de nosotros nos alejemos de este tema.

Al principio, QM habla sobre la función de onda, que es una función compleja. El número imaginario en el número complejo hace que las personas restantes se vayan.

Podemos apreciar esta teoría solo si tenemos la idea general y subyacente. De lo contrario, es otro tema con lleno de alfabetos griegos y matemáticas!

QM es la única solución para todas las ramas de la física, como mecánica clásica, teoría electromagnética, termodinámica, luz, espectroscopia, atómica, nuclear, física de partículas, electrónica, etc. (excepto la teoría gravitacional). Al estudiar QM, se dan ejemplos de diferentes ramas de la física. Así que deberíamos tener el conocimiento sobre todas estas ramas. Además, la evolución de esta teoría de la gestión de la calidad o su historia proporciona ventajas adicionales.

Los siguientes son algunos libros ponen algo de luz sobre el tema:

“Mecánica cuántica” Vol. I, II y III de G Venkatraman. Pequeño libro fácil de leer y proporciona la sensación del tema.

“La perspectiva de la física moderna” de Beiser es buena para la introducción de la física atómica.

“Las conferencias de Feynman sobre Física” Vol. I, II y III son buenas para entender la física.

La “mecánica cuántica” de Cohen-Tannoudji es buena tanto para las matemáticas como para la física.

“Cuento imaginario la historia de suareroot de -1” por Nahin es bueno para la idea acerca de los números imaginarios.

La “física matemática” de Arfken es buena para la comprensión matemática.

“Física del estado sólido” por Kittel es un buen libro.

“Introducción a la electrodinámica” de Griffths para la teoría EM.

“La mecánica cuántica” de Dirac es un buen libro pequeño.

“La mecánica cuántica” de Bohm es un buen libro.

Además, hay muchos otros libros disponibles escritos por Landau, Shiff, etc. Pero son un buen libro de texto. Así que, una vez que aprendas sobre el tema, estos libros te darán una comprensión adicional y te harán seguirlos.

Por favor, no sientas que estoy tratando de asustarte. Realmente vale la pena tener la sensación de este tema, esto nos hace entender cómo piensan las personas inteligentes y por qué estas personas se llaman genio.

Un buen comienzo para aprender QM es leyendo la Introducción a la mecánica cuántica de David J. Griffiths.

Para comprender el contenido del libro, debe tener al menos un fondo en lo siguiente:

  • Mecánica de Ondas
  • Óptica
  • Fisica moderna
  • Mecanica clasica
  • Algo de electrodinámica

Para la parte de Matemáticas, al menos debes tener un conocimiento práctico en lo siguiente:

  • Ecuaciones diferenciales
  • Análisis matemático
  • Estadística
  • Cálculo
  • Álgebra lineal

Le sugiero que domine el cálculo, ya que los problemas de gestión de calidad tienen muchos cálculos.

Si quieres desafiarte, intenta leer Modern Quantum Mechanics de JJ Sakurai. 🙂

Sin embargo, si no quiere aprender lo esencial de QM y solo quiere aprender un poco sobre QM y las cosas asombrosas que ha hecho QM, le sugiero que lea el libro El extraño mundo de la mecánica cuántica de Daniel F. Styer. Es un buen libro si quieres tener un buen fondo de QM.

Estoy estudiando QM ahora, tomando el curso de Stanford QM para científicos e ingenieros en su plataforma edX. Para mi matemática, solo necesitaba mejorar la velocidad en Álgebra Lineal y Cálculo Vectorial. Hay toneladas de referencias a variables complejas, ecuaciones diferenciales y cálculo general, pero su método de licenciatura debería haberlo cubierto. Para tener una comprensión más profunda, las transformaciones serían útiles.

Para entender el lenguaje matemático de QM, necesita análisis funcional.

Para comprender los trucos y representaciones habituales, necesitas álgebra lineal.

Para entender la naturaleza cuántica, estos requisitos necesarios pero lamentablemente no son suficientes.

Probablemente quieras una guía fácil con poco de matemáticas para aprenderla. Solo necesita poder hacer integrales y derivados con la guía de física de Giancoli: Principios con aplicaciones, 6 / E

Es un libro bastante bueno y lo utilicé en mi primer año en la universidad para aprender mecánica newtoniana, electrostática, relatividad y física cuántica.

Sólo sé esto siguiendo una línea. Eso es.

“Todos y todas tienen partes, singularidades, conexiones, influencias, inestabilidad, usos, sustitutos como propiedades específicas”. Debe verlos para obtener conocimiento de todos y de todo.

Fuente: Catherine.pdf

Escucha el discurso en este video. Te dará una buena idea sobre la mecánica cuántica. El primer minuto es divertido.

Creo que necesitarías un poco de conocimiento de la mecánica de onda.
Como eres de posgrado, probablemente conozcas el cálculo y el álgebra lineal .

MIT ofrece cursos en línea en su canal en youtube. Encontrarás curso de mecánica cuántica. Podría darte una pista de lo que te enfrentas.

1. calculo

2. álgebra lineal

3. variables complejas

4. ecuaciones diferenciales

5. Análisis (recomendado pero no obligatorio)

Usar la introducción del libro de David Griffith a la mecánica cuántica es el mejor libro de texto que he leído.


La parte más importante es el análisis funcional. Por supuesto, es necesario comprender el cálculo avanzado, las ecuaciones diferenciales parciales, etc. No creo que la teoría del caos sea relevante para comprender la gestión de la calidad.

Este es probablemente el mejor libro que hay para comenzar a aprender sobre mecánica cuántica por el fantástico Richard Feynman: http: //www.feynmanlectures.calte