Symmetrien in der Quantenmechanik Armin Krauß HS: Theoretische Physik 06. Juni 2012 Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 1 / 29 Gliederung 1 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der klassischen Mechanik Das Noether-Theorem in der Quantenmechanik 2 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Vorbemerkungen Zeitumkehr Dirac-Matrizen Transformationsoperatoren, Drehimpuls, Parität Zeitumkehr und Ladungskonjugation 3 Chaos in der Quantenmechanik? Zeitumkehr und Kramers Entartung Gaußsches Orthogonal Esemble (GOE) 4 Zusammenfassung Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 2 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der klassischen Mechanik Klassische Mechanik Allgemeine Koordinatentransformation mit dem kontinuierlichen Parameter α: qi −→ qi′ = qi′ (q1 , . . . , q3N−k , t, α) i = 1, . . . , 3N − k Diese ist invertierbar: ′ , t, α qi = qi q1′ , . . . , q3N−k i = 1, . . . , 3N − k Muss für α stetig und differenzierbar sein. Und für α = 0 muss gelten: qi′ (q1 , . . . , q3N−k , t, α = 0) = qi ⇒ Identische Transformation Abkürzende Schreibweise: qi′ = qi′ (q, t, α) und qi = qi (q ′ , t, α) Substitution der neuen Koordinaten liefert: alten mit den d q (q ′ , t, α) , t =: L′ (q ′ , q̇ ′ , t, α) L (q, q̇, t) = L q (q ′ , t, α) , dt Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 3 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der klassischen Mechanik Klassische Mechanik ′ Erhaltungssatz Funktion L von α: aus Abhängigkeit der 3N−k d ′ P ∂L ∂qi (q′ ,t,α) ∂ ( dt qi (q ,t,α)) ∂L′ + ∂∂L ∂α = ∂qi ∂α q̇i ∂α i =1 = = 3N−k P i =1 d dt h d ∂L dt ∂ q̇i 3N−k P i =1 ∂qi (q ′ ,t,α) ∂α ∂L ∂qi (q ′ ,t,α) ∂ q̇i ∂α + ∂L ∂ q̇i d ∂qi (q ′ ,t,α) dt ∂α i Dies gilt ∀α ∈ R ⇒ α=0 3N−k P ∂L ∂qi (q′ ,t,α) ∂L′ d = dt ∂α ∂ q̇i ∂α α=0 i =1 α=0 Interessant: Koordinatentransformationen, die Lagrange invariant lassen: L (q, q̇, t) = L′ (q ′ , q̇ ′ , t, α) = L (q ′ , q̇ ′ , t) Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 4 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der klassischen Mechanik Klassische Mechanik Die neuen Koordinaten qi′ erfüllen dieselbe Lagrange-Funktion und somit dieselben Bewegungsgleichungen. Die neuen Bewegungsgleichungen hängen nicht mehr von α ab, so ∂L′ =0 dass: ∂α α=0 Dies führt zum Noether-Theorem: Die Funktion: I (q, q̇, t) := 3N−k P i =1 ∂L ∂qi (q ′ ,t,α) ∂ q̇i ∂α α=0 ist eine Erhaltungsgröße, wenn die Langrange-Funktion unter der kontinuierlichen, stetigen Koordinatentransformation invariant ist. Zu jeder Transformation, die die Lagrange-Funktion nicht ändert, gehört eine Erhaltungsgröße [1]. Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 5 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der Quantenmechanik Lagrange-Dichte Übergang zu Lagrange-Dichte: qi (t) −→ q (x, t): Z Feld L (qi , q̇i , t) −→ L (q (x, t) , ∂x q (x, t) , ∂t q (x, t)) dx Bewegungsgleichungen haben die Gestalt: ∂L ∂L ∂ ∂µ ∂q, − = 0 mit ∂ = , ∇ µ ∂q ∂(ct) µ und q,µ = ∂µ q Beispiel: (i) Spin-0-Felder Aus Lagrange-Dichte: Lφ = 12 φ,µ φ,µ − m2 φ2 folgt direkt aus der Euler-Lagrange-Gleichung: + m2 φ = 0 die Klein-Gordon Gleichung. Komplexe Felder: φ, φ∗ , ∂µ φ und ∂µ φ∗ müssen als unabhängige Variable betrachtet werden. ⇒ zwei Bewegungsgleichungen. Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 6 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der Quantenmechanik Lagrange-Dichte Beispiel: (ii) Spin- 21 -Felder (explizit) Lagrangedichte: Lψ = i 2 ψγ µ ψ,µ −ψ, µ γ µ ψ − mψψ mit ψ = ψ † γ0 ∂L ∂ψ,k ∂L ∂ψ = = − 2i ∂L ∂ψ,k ⇒ ψγ k ∂µ ψ γ µ − mψ ∂L ∂ψ = − 2i γ k ψ = i 2 ∂L ∂k ∂ψ, = k ⇒ ∂L − ∂µ ∂ψ, µ ⇒ ∂L ∂ψ i 2 γ µ ∂µ ψ ∂L ∂µ ∂ψ, − µ =0 ⇔ i 2 ∂k ψγ k i ∂µ ψγ µ + mψ = 0 ∂L ∂k ∂ψ, = − 2i γ k ∂k ψ ⇒ k − mψ ∂L ∂ψ Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) =0 ⇔ i γ µ ∂µ ψ − mψ = 0 Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 7 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der Quantenmechanik Lagrange-Dichte Beispiel: (iii) Spin-1-Felder: e.m. Feld Lagrangedichte: L = 12 Aµ,ν Aµ,ν − m2 Aµ Aµ φ ~ 1 µ,ν µ mit A = c , A bzw.: L = 2 Aµ,ν A Nebenbedingung: ∂µ Aµ = 0 (Lorenzeichung) Jedoch nicht Eichinvariant. Eichinvariante L-Dichte lautet: ⇒ Aµ − ∂ µ ∂ν Aν = Aµ = 0 L = − 14 Fµν F µν mit Fµν = ∂ν Aµ − ∂µ Aν Lagrangedichte für massives Feld: L = − 41 Fµν F µν + 12 m2 Aµ Aµ ⇒ Aµ − ∂ µ ∂ν Aν + m2 Aµ = Aµ + m2 Aµ = 0 Eichinvarianz wird durch Masseterm zerstört! Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 8 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der Quantenmechanik Eichinvarianz 1. und 2. Art. Das Noether-Theorem Spin-0-Felder und Spin- 21 -Felder zeigen bei folgender Ersetzung ebenso Invarianzeigenschaften: φ −→ φ′ = exp (i α) φ ψ −→ ψ ′ = exp (i α) ψ α = const: Eichtransformation 1. Art (globale Eichtransformation) α = α (x): Eichtransformation 2. Art (lokale Eichtransformation) Gegenüber lokalen Eichtransformation sind Lψ und Lφ nicht invariant! Betrachte Invarianzeigenschaften der L-Dichten gegenüber inneren Symmetrietransformationen Unitäre Transformationen werden durch eine gewisse Anzahl von Generatoren Mi erzeugt. n P αk Mk Darstellung eines Symmetrieelements: T = exp −i k=1 Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 9 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der Quantenmechanik Eichinvarianz 1. und 2. Art. Das Noether-Theorem Symmetriegruppe charakterisiert durch Strukturkonstanten: k P cikl Ml [Mi , Mk ] = i l=1 Transformation der Felder: n P ′ αk Mk φ φ −→ φ = exp −i k=1 n P ∗ ∗′ ∗ φ −→ φ = φ exp i αk Mk k=1 ∂L ∂ ′ , φ∗′ , φ′ , φ∗′ = L φ ,µ ,µ ∂αk α =0 ∂αk αk =0 k′ ′ ∗′ ∂φ∗′ ∂φ,µ ∂L ∂φ ∂L ∂φ ∂L ,µ ∂L = ∂α + + + ′ ∂αk ∂φ∗′ ∂αk ∂φ′ ∂αk ∂φ∗′ k ∂φ ,µ ∂φ′j ∂αk = −i ∂φ∗′ l ∂αk =i P l P j ,µ αk =0 (⋆) Mjlk φl = −iMk φ φ∗j Mjlk = i φ∗ Mk Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 10 / 29 Das Noether-Theorem Das Noether-Theorem in der Quantenmechanik Eichinvarianz 1. und 2. Art. Das Noether-Theorem ⇒ (⋆)= 1 i ∂L ∂φ Mk φ − ∂L φ∗ Mk ∂φ ∗ + ∂L ∂φ,µ Mk φ,µ ∂L − φ∗,µ Mk ∂φ ∗ ,µ Euler-Lagrange ∂L ∂L ∂L ∂L bzw. ∂φ = ∂λ ∂φ,λ ∂φ∗ = ∂λ ∂φ∗,λ ∂L ∗ M ∂ ∂L + ∂L M φ − φ∗ M ∂L ⇒ (⋆)= 1i ∂λ ∂φ M φ − φ ∗ ∗ ,µ k k λ k k ,µ ∂φ,λ ∂φ,µ ∂φ,µ ,λ ∂L ∂L ∂L mit = ∂λ jkλ Mk φ − φ∗ Mk ∂φ ⇒ ∂α jkλ := 1i ∂φ ∗ k ,λ ,λ Invarianz heißt hierbei: L (φ, φ∗ , φ,µ , φ∗ ) = L φ′ , φ∗′ , φ′,µ , φ∗′ ⇐⇒ ∂L ∂αk = 0 ∀k ⇒ ∂k jkλ = 0 “Zu jeder Erzeugenden einer Symmetriegruppe, unter der eine gegebene Lagrange-Dichte invariant ist, gehört ein erhaltener Strom. Dies ist das Noether-Theorem”[2] Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 11 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Vorbemerkungen Symmetrie des H-Operators und Erhaltungssätze Sei der H-Operator bei Transformationen der Gruppe G invariant: [H, Ti ] = 0 ∀Ti ∈ G Invarianz der Observable Q wird ausgedrückt durch: Ti QTi† = Q Falls Ti† = Ti−1 gilt, ist dies gleichbedeutend mit: [Q, Ti ] = 0 Beispiel: Drehinvarianz und erhaltung des Drehimpulses: Drehoperator: R̂~u (ǫ) = 1 − i ǫ ~J~u Wellenfunktion |ψi ist genau dann drehinvariant, wenn: Ĵ |ψi = 0 gilt. Notwendig und hinreichend, dass Observabe S bei einer Drehung invariant ist: [~J, S] = 0 Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 12 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Vorbemerkungen Symmetrie des H-Operators und Erhaltungssätze Analogie zur kl. Mechanik: Symmetrien des H-Operators führen zu Erhaltungsaussagen. (i) Translationsinvarianz und Gesamtimpulserhaltung: Translationsoperator: T̂ (ǫ) ≈ 1 − ~i (Pǫ) H-Operator in Bezug zu Translation invariant, wenn gilt: [H, P] = 0 ⇒ Gesamtimpuls bleibt erhalten. (ii) Spiegelungsinvarianz und Paritätserhaltung: Einfachste Gruppe, 2 Elemente: S0 und I . Genügt folgenden Vertauschungsrelationen: S0~rS0† = −~r S0~p S0† = −~p S0~s S0† = ~s Reflexion der Wellenfunktion: S0 ψ (~r , µ) = ψ (−~r , µ) S0 ≡ P̃: Paritätsoperator H-Operator in Bezug zu Punktspiegelung invariant, wenn gilt: [H, S0 ] = 0 ⇒ Parität bleibt erhalten. Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 13 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Zeitumkehr Zeitumkehr in der kl. Mechanik und der QM kl. Mechanik: Lkl (q̇, q) = Lkl (−q̇, q) 2 ~p + V (~r ) = H (−~p ,~r ) H (~p ,~r ) = 2m Ist ~r (t) Lösung der Bewegungsgleichung, so auch ~rUmk (t) := ~r (−t) Für Impuls gilt: ~pUmk (t) := −~p (−t) ~ Analog für QM: i ~∂t ψ (~r , t) = − 2m ∇2 + V (~r ) ψ (~r , t) t −→ −t H-Operator reell, Übergang zur komplex konjungierter Gleichung: ~ ∇2 + V (~r ) ψ ∗ (~r , −t) i ~∂t ψ ∗ (~r , −t) = − 2m Ist ψ (~r , t) Lösung der Bewegungsgleichung, so auch ψ ∗ (~r , −t) =: ψUmk (~r , t) Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 14 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Zeitumkehr Zeitumkehroperator Definition des Zeitumkehroperators: K~r K † = ~r K~p K † = −~p Zuerst: K = K0 K0 Operator der Komplexkonjungation: K0 φ = φ∗ [H, K0 ] = 0 Anwendung auf Schrödingergleichung liefert: −i ~∂t K |ψ (t)i = HK |ψ (t)i t −→ −t i ~∂t (K |ψ (−t)i) = H (K |ψ (−t)i) Genügt |ψ (t)i der Bewegungsgleichung, so auch K |ψ (−t)i =: |ψ (t)iUmk Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 15 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Zeitumkehr allgemeiner Zeitumkehroperator Allgemeinere Teilchensysteme erfordern: K~s K † = −~s K ~JK † = −~J Ansatz: K = TK0 Z.B. für Drehung der sy -Komponente um den Winkel π: Sy K = exp −i π ~ K0 Für Spin 21 -Teilchen gilt: K = −i σy K0 Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 16 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Dirac-Matrizen Gamma-Matrizen γ µ erfüllen die Dirac-Algebra: γ 0γ 0 = 1 γ i γ i = −1 0 i i 0 γ γ = −γ γ γ i γ j = −γ j γ i ⇒ für i 6= j {γ µ , γ ν } = 2g µν I Hermitisch bzw. antihermitisch: γ0 † = γ0 γi † = −γ i Äquivalenztransformation zu adjungierten Matrizen: γ 0 γ µ γ 0 = (γ µ )† γ 5 := γ 0 γ 1 γ 2 γ 3 Antivertauscht: γ 5 γ µ = −γ µ γ 5 γ µ in der Dirac-Darstellung: 1 0 0 0 µ γ = γ = −σ i 0 −1 Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) σi 0 γ5 = Symmetrien in der Quantenmechanik 0 1 1 0 06. Juni 2012 17 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Transformationsoperatoren, Drehimpuls, Parität Transformation des Dirac-Operators, Erhaltungssätze Definition: D (A) := γ µ (i ∂µ − eAµ ) Dirac-Operator Invarianzbedingung für Bewegungsgleichung: A′µ = Aµ Transformation der Wellenfunktion: ψ′ = T ψ T : passender linearer Operator Forminvarianz der Dirac-Gleichung: T D (A) T −1 = D (A′ ) Invarianzbedingung somit: [T , D (A)] = 0 Aµ Translationsinvarianz → [~p , HD ] = 0 Aµ Kugelsym. → [~J, HD ] = 0 ⇐⇒ ⇒ [T , HD ] = 0 Impulserhaltung ⇒ Gesamtdrehimpulserhaltung Aµ Punktsym. → [P, HD ] = 0 ⇒ Paritätserhaltung Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 18 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Zeitumkehr und Ladungskonjugation Ladungskonjugation Definiton antiunitärer Operator K K~r K † = ~r K~p K † = −~p K γ µ K † = γ µ Nicht zu verwechseln mit dem Zeitumkehroperator KT (γ µ (i ∂µ − eAµ ) − m) ψ (x) = 0 von rechts K · K vertauscht mit γ µ , ∂µ und Aµ (γ µ (−i ∂µ − eAµ ) − m) K ψ (x) = 0 von rechts γ 5 · {γ 5 , γ µ } = 0 (γ µ (i ∂µ + eAµ ) − m) ψ c (x) = 0 Kc := γ 5 K ψ c (x) := Kc ψ (x) Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 19 / 29 Invarianzeigenschaften der Dirac-Gleichung Zeitumkehr und Ladungskonjugation Zeitumkehr Aµ (x) transformiert wie ein Pseudovektor A′ (t,~r ) = −A (−t,~r ) A′0 (t,~r ) = A0 (−t,~r ) (γ µ (i ∂µ + eAµ (t,~r )) − m) ψ c (t,~r ) = 0 t −→ −t −γ 0 (i ∂0 − eA0 (−t,~r )) + γ k (i ∂k − eAk (−t,~r )) − m ψ c (−t,~r ) = Multiplikation mit γ 5 γ 0 von rechts. Antivertauscht mit γ 0 : {γ 5 γ 0 , γ 0 } = 0 und vertauscht mit γ k : γ 5 γ 0 , γ k = 0 (γ µ (i ∂µ − eAµ (−t,~r )) − m) γ 5 γ 0 ψ c (−t,~r ) = 0 γ µ i ∂µ − eA′µ (t,~r ) − m ψ ′ (t,~r ) = 0 mit ψ ′ (t,~r ) = γ 5 γ 0 ψ c (−t,~r ) = γ 0 K ψ (−t,~r ) also KT = γ 0 K Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Zeitumkehroperator [3] Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 20 / 29 Chaos in der Quantenmechanik? Zeitumkehr und Kramers Entartung Kramers Entartung Invarianter H-Operator unter Zeitumkehr: [H, KT ] = 0 ⇒ Wenn ψ Eigenfunktion zum Eigenwert E , so auch KT ψ Wenn KT2 = 1 ψi := ai φi + KT ai φi KT ψi = ψi Wenn hφj | ψi i = 0 ⇒ hψj | ψi i = 0 Matrixelemente Hij = Hij∗ sind reell. Transformation O ∈ O (n) ai ∈ C | ψi i:Basis H ′ = OHO −1 : orthogonale Wenn KT2 = −1, dann sind ∗ ψ und KT ψ orthogonal: 2 hψ| KT ψi = hKT ψ| KT ψ = − hKT ψ| ψi∗ = − hψ| KT ψi = 0 Demzufolge sind alle Eigenwerte 2-fach entartet. (Kramers Entartung) Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 21 / 29 Chaos in der Quantenmechanik? Zeitumkehr und Kramers Entartung Kramers Entartung Hamiltonian H = H11 H12 ∗ H12 H22 mit Eigenwerte E± = 1 2 (H11 + H22 ) ± q 1 4 (H11 − H22 )2 + |H12 |2 Wichtiger Unterschied zwischen orthogonaler und unitärer Transformation hier sichtbar. Diskriminate D = 41 (H11 − H22 )2 + (Re{H12 })2 + (Im{H12 })2 Orthogonale Transformation ⇒ Allgemeinste unitäre Matrix: F = Im{H12 } = 0 α + iβ γ + iδ −γ + i δ α − i β α2 + β 2 + γ 2 + δ2 = 1 p und Eigenwerten e± = α ± i β 2 + γ 2 + δ2 mit Wiederum 3 nichtnegative Parameter als Diskriminate. Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 22 / 29 Chaos in der Quantenmechanik? Zeitumkehr und Kramers Entartung Energieniveaufolgen ( n = 2, |E+ − E− | abhängig von n = 3, orthogonal unitär Parametern. Betrachte Energieeigenwerte, deren klassisches Analogon sich chaotisch verhält. Bemerkenswert: Verteilung der Energieniveauwerte zeigt universelles Verhalten Vergleichbare Ergebnisse erfordert Transformation des Spektrums: ZE ρ E ′ dE ′ Mittlere Zahl der Niveaus N (E ) = −∞ Wahrscheinlichkeitsverteilung benachbarter Niveausysteme durch Wigner-Fkt. beschrieben: PW (S) = π2 S exp − π4 S 2 Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 23 / 29 Chaos in der Quantenmechanik? Zeitumkehr und Kramers Entartung Ordnung und Chaos ~ Im starken B-Feld hochangeregtes H-Atom: Abbildung: Absorptionsspektrum: Theorie vs. Experiment [4] H = 12 pρ2 + lz2 ρ2 + pz2 − √ Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) 1 ρ2 +z 2 − γ2 lz + γ2 2 8 ρ Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 24 / 29 Chaos in der Quantenmechanik? Gaußsches Orthogonal Esemble (GOE) Gaußsches Orthogonal Esemble (GOE) Z∞ dH11 dH22 dH12 P (H) = 1 Normierung −∞ P (H) = P (H ′ ) H ′ = OHO −1 orthogonale Transformation P (H) = P11 (H11 ) · P22 (H22 ) · P12 (H12 ) keine Korrelation 1 −ε Infinitesimale Transformation: O = ε 1 ⇒ H ′ = OHO −1 ⇔ ′ H11 = H11 − 2εH12 ′ H22 = H22 + 2εH12 ′ H12 = H12 + ε (H11 − H22 ) Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 25 / 29 Chaos in der Quantenmechanik? Gaußsches Orthogonal Esemble (GOE) Gaußsches Orthogonal Ensemble (GOE) Und somit: dP12 dP22 dP11 − 2H − (H − H ) P (H ′ ) = P (H) 1 − ε 2H12 dH 12 11 22 dH22 dH12 11 ⇒ dP11 dP12 dP22 2H12 dH − 2H − (H − H ) =0 12 11 22 dH dH 11 22 12 ⇒ 2 + H 2 + 2H 2 − b (H + H ) P (H) = c · exp −a H11 11 22 22 12 b=0 durch Wahl des Nullenergielevels. a: durch Skalierung der Energie P (H) = c · exp −a SpH 2 ⇒ c: Normierung Reduktion von P (H) mittels Transformation in den Eigenraum: (H11 , H22 , H12 ) −→ (E+ , E− , θ) P (H) −→ P (E ) = a |E+ − E− | exp −a E+2 + E−2 Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 26 / 29 Chaos in der Quantenmechanik? Gaußsches Orthogonal Esemble (GOE) Gaußsches Orthogonal Ensemble (GOE) Niveauabstandsverteilung über: P (S) = Z∞ Z∞ c dE+ dE− δ [S − |E+ − E− |] |E+ − E− | exp −a E+2 + E−2 −∞ −∞ Über Erwartungswert und Normierung a und b bestimmen: Z Z hSi = dS SP (S) = 1 dS P (S) = 1 Damit: P (S) = π2 S exp − π4 S 2 [5] Abbildung: Reguläres Rechteck [4] Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 27 / 29 Chaos in der Quantenmechanik? Gaußsches Orthogonal Esemble (GOE) Gaußsches Orthogonal Ensemble (GOE) Abbildung: Billiards [4] Abbildung: GOE-Verteilung [4] Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 28 / 29 Zusammenfassung Zusammenfassung Noethertheorem: Symmetrien in der QM führen zu Kontinuitätsgleichungen (Stromerhaltung) Anderer Zugang über verschwinden von Kommutatoren: Aus Symmetrien folgen entsprechende Erhaltungsgrößen Forminvarianz der Diracgleichung bei gleichzeitiger Ladungskonjugation und Zeitumkehr (CT-Symmetrie) Letzte Symmetrie: Zeitumkehr-Symmetrie: Wahrscheinlichkeitsverteilung der Niveauabstände über GOE Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 29 / 29 Zusammenfassung [1] Kuypers, Friedhelm Klassische Mechanik. Weinheim : Wiley-VCH, 2010 [2] I. Bender Die Weinbergtheorie der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung. Institut für Hochenergiephysik der Universität Heidelberg. Herbstschule für Hochenergiephysik, Maria Laach 11.-20. Sept. 1974 (Skriptum) [3] Albert Messiah Quantenmechanik 2. Walter de Gruyter. Aus dem Franz. übers. von Joachim Streubel.-Berlin ; New York de Greuyter 3., verb. Aufl. -1990 2010 [4] Wunner Günther Gibt es Chaos in der Quantenmechanik? Physik-Verlag GmbH, D-6940 Weinheim, 1989; Phys. Bl.45 (1989) [5] Fritz Haake Quantum Signatures of Chaos. Second Revised and Enlarged Edition Springer Verlag Berlin Heidelber New York 1921, 2001 Armin Krauß (HS: Theoretische Physik) Symmetrien in der Quantenmechanik 06. Juni 2012 29 / 29