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Formalisme hilbertien de la mécanique quantique, et logique quantique de Von Neumann
Nous poursuivons ici par quelques rappels techniques le travail d'évaluation des formalismes "standard" de la mécanique quantique , dûs à Von Neumann. Le but étant de s'acheminer vers la physique des topos.
Le cadre mathématique général est un espace de Hilbert complexe H, à dimension infine et séparable (c'est à dire qu'il existe un ensemble dénombrable dense dans H);
on a donc un produit scalaire, noté (Dirac) φ ι ψ, linéaire en ψ et linéaire conjugué en φ.
B(H) désignera l'espace des opérateurs bornés de H
Si X ∈ B(H) son opérateur adjoint X* est défini par : φ ι X*ψ = Xφ ι ψ
X est dit hermitien, ou auto-adjoint, si X = X* , isométrique si X* X = I (opérateur identité) ; si de plus XX* = I X est dit unitaire.
Une projection est un opérateur auto-adjoint et idempotent : X = X* = X2 ; les projections sont bornées, l'ensemble des projections est noté P(H), des projections particulières sont 0 et I, et si A est un projection non nulle elle est de norme 1.
Deux projections A,B sont dites orthogonales (ou disjointes) si AB = BA = 0
Les quantités Q observables ou mesurables du système étudié sont représentées par les opérateurs auto-adjoints Q de H, qui peuvent être non bornés.
Les valeurs possibles pour Q parcourent le spectre de Q , σ(Q), qui est défini comme C \ R(Q) où R(Q) est la résolvante de Q, soit l'ensemble des nombres complexes q ∈ C tels que l'opérateur (Q - qI) a un inverse borné dans B(H). Si Q est auto-adjoint , donc si c'est un observable, le spectre est un sous-ensemble de R (valeurs mesurées réelles donc : ouf !). Le nombre q est une valeur propre de Q s'il existe un u non nul dans H tel que :
Qu = qu
Si q est une valeur propre alors évidemment q ∈ σ(Q) mais l'inverse n'est pas vrai.
Ainsi par exemple les opérateurs de position et de moment (analogue de la quantité de mouvement) dans l'espace des fonctions complexes de carré intégrable sur R , L2(R) , n'ont pas de valeurs propres mais ont comme spectre (donc comme "valeurs possibles) le corps R : les variables correspondantes peuvent donc être mesurées, contrairement à l' objection de Rosinger dans l'article précédent. Mais cela ne remet pas en cause les doutes de Von Neumann !
L'opérateur de position Q : L2(R) → L2(R) envie une fonction f sur Qf avec : Qf(x) = xf(x) (son domaine de définition est donc l'ensemble des fonctions de carré intégrable telles que xf(x) soit aussi de carré intégrable).
L'opérateur de moment P envoie f sur Pf avec : Pf(x) = -i (d/dx)f(x)
Les opérateurs P et Q se correspondent par la transformation de Fourier, ainsi que par la commutation de Heisenberg (meant aux fameuses relations d'incertitude):
(QP - PQ) f = if
Théorème spectral pour les opérateurs hermitiens.
(article technique, en transformation et élaboration perpétuelle)
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