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Estudos Avançados

Algumas contribuições de von Neumann à Física Matemática

Walter Felipe Wreszinski

Published Apr 1, 1996• 0 citations
Publisher

Abstract

WRESZINSKIO QUE CARACTERIZA as muitas contribuições de von Neumann à Física Matemática é a profundidade e extrema originalidade das suas idéias, que parecem surgir do nada.Cada uma delas abriu novos caminhos, e muitas conduziram a desenvolvimentos surpreendentes.Nesta palestra, quero concentrar-me em duas dessas idéias e seus desenvolvimentos subseqüentes: a teoria de perturbações, e a dos avoided crossings, com maior ênfase na última.Por completeza, menciono algumas das suas contribuições fundamentais, que não serão aqui abordadas: os métodos matemáticos da mecânica quântica (von Neumann, 1932) (inclusive a teoria dos operadores não limitados e grafos (id., 1929) e o teorema fundamental da unicidade relativo às relações canônicas de comutação (id., 1931); a teoria das álgebras de von Neumann (Dixmier, 1957) e suas aplicações à mecânica estatística (Ruelle, 1969); a teoria dos espaços produto-direto incompletos e suas aplicações, por exemplo, modelo de Dicke do MASER por Hepp & Lieb (1973) e, finalmente, os métodos da teoria ergódica e suas aplicações à mecânica clássica (Koopman-von Neumann (1932).Cada um desses tópicos seria assunto para várias palestras.Por exemplo, o teorema da unicidade é específico a número finito de graus de liberdade: no caso de sistemas de número infinito de graus de liberdade (teoria de campos) não há unicidade, e sim variedade nãoenumerável de representações inequivalentes estranhas das relações de comutação, o que representa uma fonte de graves problemas intrínsecos dessa teoria.O problema da teoria de perturbações é central em análise funcional, particurlarmente a do espectro singular: dado um operador auto-adjunto H com espectro puramente pontual, e uma perturbação compacta V, quando é que (H + V) tem também espectro puramente pontual?O início desse estudo foi o trabalho de von Newmann e Weyl, e o resultado do teorema de Weyl-von Newmann (1935) não é encorajador: qualquer

DOI
10.1590/s0103-40141996000100023

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Mecânica quântica e não-linearidade – dificuldades e possibilidades

Aurino Ribeiro Filho

IntroduçãoA pesquisa em torno de alternativas teóricas que tentam interpretar resultados experimentais em sistemas físicos que apresentam fenômenos não-lineares tem se intensificado nas últimas décadas e criado, além de expectativa, certa perplexidade.Por outro lado, apesar de ser um tópico que incite muitas controvérsias, em vista da seriedade com que tem sido debatido, torna-se de grande interesse a busca de certo roteiro histórico, em torno das contribuições mais discutidas e debatidas na literatura recente.A denominada Física não-linear tem sido discutida fortemente na atualidade, graças aos avanços conseguidos em distintos ramos da Matemática (não-linear), a exemplo de sistemas de equações diferenciais não-lineares, sistemas solitônicos ou ondas solitárias, sistemas fractais, ondas cnoidais, transformadas de Fourier generalizadas (que podem ser não-linearizadas em espaços de uma e duas dimensões), ondaletas, álgebras de operadores não-lineares e outros tópicos.(CROCA, 2003;FOKAS; SING, 2005;LIMA, 2006) Tais objetos matemáticos têm dado grande ajuda para a resolução de vários problemas na Teoria da Relatividade Geral, Eletromagnetismo clássico, Mecânica de Newton, Óptica quântica, Mecânica dos fluidos, sistemas incomensuráveis, Física estatística, teoria de campos clássicos e quânticos, e outros ramos da Física.

•Jan 1, 2011•0 citations

Sobre uma fundamentação não reflexiva da mecânica quântica

Newton C. A. da Costa, Décio Krause, Jonas R. Becker Arenhart +1 more

Este é um artigo de caráter expositivo, no qual discutimos uma variedade de tópicos relacionados aos fundamentos da física quântica, com destaque para os conceitos de identidade e de individualidade das entidades básicas tratadas por essa teoria (ou grupo de teorias). Consideramos que, se se deseja fundamentar a contraparte formal de uma possível visão das entidades quânticas como objetos destituídos de individualidade, há basicamente duas alternativas possíveis: (a) manter-nos no escopo da lógica e da matemática tradicionais, digamos em uma teoria de conjuntos como Zermelo-Fraenkel, e, nesse caso, podemos ou assumir certas condições de simetria que de certo modo nos permitem falar da não individualidade, ou restringir-nos a certas classes nas quais apenas uma relação mais fraca de indistinguibilidade está definida; (b) elaborar uma teoria matemática nova, na qual certa forma de não individualidade está ab initio incorporada para algumas das entidades. Discutimos a primeira hipótese apresentando "modelos internos" de ZFU e ZFC, onde a identidade é restrita de alguma forma, e comentamos vantagens e desvantagens dessa abordagem. Motivada pela segunda hipótese, é então desenvolvida, em seus traços principais, o que poderia ser uma mecânica quântica fundamentada em uma das possíveis teorias de conjuntos distintas das clássicas, a teoria de quase conjuntos. Como a lógica subjacente à teoria de quase conjuntos é uma lógica não reflexiva, a mecânica correspondente é denominada de mecânica quântica não reflexiva.

Scientiae Studia•Jan 1, 2012•3 citations

Teoria das Perturbações em Operadores Espectrais e a Estabilidade de Sistemas Quânticos Complexos: Uma Abordagem Via Análise Funcional

PAULO SÉRGIO DE ANDRADE

Resumo Este artigo explora a Teoria das Perturbações no contexto de operadores espectrais, com foco em suas ramificações para a análise da estabilidade de sistemas quânticos complexos. Através de uma abordagem rigorosa da análise funcional, investigamos como pequenas modificações nos operadores (Hamiltonianos) que governam um sistema podem alterar suas propriedades espectrais, ou seja, seus autovalores (níveis de energia) e autovetores (estados quânticos). Começamos com uma revisão dos fundamentos de espaços de Hilbert e operadores auto-adjuntos ilimitados, essenciais para a formulação da mecânica quântica. Em seguida, detalhamos os principais teoremas da teoria de perturbação, incluindo perturbações limitadas, relativamente limitadas e analíticas, discutindo as condições sob as quais a auto-adjuntura e a estrutura espectral de um operador são preservadas ou alteradas de maneira controlável. A metodologia adotada é puramente teórica e analítica, baseada na dedução formal de resultados e na exploração das condições de validade dos teoremas clássicos de Kato e Rellich. Os resultados demonstram a robustez de certas características espectrais sob perturbações específicas e fornecem ferramentas indispensáveis para a compreensão da física de sistemas onde interações não podem ser tratadas exatamente. Concluímos com uma discussão sobre as implicações práticas e teóricas da teoria, bem como as direções para pesquisas futuras em sistemas quânticos abertos e de muitos corpos.

•Nov 21, 2025•0 citations

Aspects of Field Theory and Statistical Mechanics

Pedro R. S. Gomes

A teoria quântica de campos pode ser vista como um conjunto de métodos e idéias que além de sua importância no estudo das partículas elementares, tem sido amplamente usada em outras áreas. Em especial, ela constitui uma ferramenta indispensável no estudo moderno de transições de fases e fenômenos críticos. A origem dessa constante relação entre a teoria de campos e a matéria condensada deve-se ao fato que, apesar de suas diferenças superficiais, ambas tratam de problemas envolvendo um grande número de graus de liberdade. Assim, não é surpreendente que as mesmas técnicas possam ser úteis nos dois campos. Este trabalho trata de problemas nessas duas áreas e está essencialmente divido em duas partes. A primeira parte é dedicada ao estudo de teorias de campos com uma anisotropia entre o espaço e o tempo, o que implica uma quebra da simetria de Lorentz. Uma das motivações para considerar esse tipo de teoria vem justamente do estudo de transições de fase em sistemas da matéria condensada. Análises do grupo de renormalização com ênfase na possibilidade de restauração da simetria de Lorentz e também uma discussão sobre identidades de Ward são realizadas. Na segunda parte, a atenção é voltada para a mecânica estatística mas com uma abordagem típica da teoria de campos, em especial, voltada para o estudo de transições de fase clássicas e quânticas a partir da versão quantizada do modelo esférico e de sua extensão supersimétrica.

•Feb 15, 2013•0 citations

Postulados da mecânica quântica

Rogério Custódio, André Severo Pereira Gomes, Lucimara Ramos Martins

A compreensão da natureza das propriedades de átomos, moléculas e sistemas mais complexos está diretamente relacionada com a distribuição e o comportamento das partículas microscópicas que os constitui. Diversas evidências experimentais sugeriram que a estrutura de átomos e moléculas não poderiam ser explicadas por princípios baseados na mecânica clássica. Experimentos, tais como: a radiação do corpo negro, capacidade calorífica e espectros atômicos e moleculares, sugeriam que os processos de absorção ou emissão de energia só poderiam ser explicados admitindo-se que a energia envolvida nesses processos seria quantizada e não contínua, como prevê a mecânica clássica. A nova mecânica criada para conciliar os aspectos observados com a hipótese de quantizações de determinadas propriedades microscópicas foi denominada de Mecânica Quântica. Duas versões dessa nova mecânica foram formuladas pelos físicos Erwin Schrödinger e Werner Heisemberg, em trabalhos e métodos matemáticos diferentes, porém equivalentes. A teoria especifica quais são as leis que as partículas de qualquer sistema microscópico obedecem. Observa-se que há uma relação com a teoria de Newton para o movimento de sistemas macroscópicos (princípio da correspondência), sendo a teoria de Newton um caso particular (no limite macroscópico) das equações de Schrödinger, assim como a teoria da relatividade de Einstein é uma generalização que inclui a teoria de Newton como um caso especial, no limite de baixas velocidades. O modelo de Schrödinger está fundamentado em alguns postulados que são descritos a seguir.

Revista Chemkeys•Sep 17, 2018•7 citations

Emaranhadores, estados quânticos e uma contribuição à conjectura de Lehmer

Hevans Vinicius Pereira

Este trabalho apresenta alguns problemas matemáticos ligados à Mecânica Quântica e à Teoria de Números; mais precisamente, este trabalho apresenta três problemas: dois deles no contexto da Mecânica Quântica e o terceiro no âmbito da Teoria de Números. O primeiro problema, dentro do contexto da Mecânica Quântica, trata de determinar a geometria dos estados da esfera de Bloch que representem estados fisicamente realizáveis. Tal geometria herda uma simetria que é preservada por transformacões isoespectrais que compõem um grupo abeliano; nesse sentido, obtivemos os mesmos resultados de Mendas, em [14], e Kimura, em [10] e [11], mas por um método diferente. Em [10] e [11] o problema é abordado inteiramente em coordenadas esféricas, o que conduz a uma formulação ligeiramente diferente na obtenção dos autolavores do operador densidade. Em [14], a mesma ideia de [10] e [11] é abordada mas em dimensão d = 4. Em ambas as referências o ponto principal foi tomar interseção da esfera de Bloch com hiperplanos especiais do espaço, isso permitiu aos autores utilizar métodos computacionais e ilustrar regiões de interesse na tentativa de compreender melhor a geometria do problema. Já o segundo problema trata de descobrir propriedades de sistemas dinâmicos quânticos, como convergência e velocidade de convergência de produto de matrizes unitárias sorteadas aleatoriamente para emaranhadores universais. Conseguimos um resultado interessante que garante a convergência com velocidade exponencial, mesmo sob condições relativamente gerais. Tal resultado é importante devido ao interesse da comunidade acadêmica em entender melhor emaranhadores universais e usá-los em aplicações da computação quântica. Mais especificamente, nosso resultado garante que dado um número finito de elementos u1, ... un ∈... U (n) escolhidos ao acaso, então o produto de elementos aleatoriamente sorteados na vizinhança dos elementos u1, ..., un converge fraco-estrela para um emaranhador universal na medida de Haar em U(n). Tal resultado pode auxiliar no entendimento de propriedades de emaranhadores universais e em aplicações da computação quântica, tópicos que vêm sendo bastante estudados pela comunidade acadêmica. Finalmente, o terceiro problema, pertencente à área de Teoria de Números. É uma conjectura que encontra-se sem solução desde 1932, quando foi formulada por Derrick Henry Lehmer. Uma nova abordagem na tentativa de resolver este problema é apresentada.

•Jan 1, 2018•0 citations
WRESZINSKIO QUE CARACTERIZA as muitas contribuições de von Neumann à Física Matemática é a profundidade e extrema originalidade das suas idéias, que parecem surgir do nada.Cada uma delas abriu novos caminhos, e muitas conduziram a desenvolvimentos surpreendentes.Nesta palestra, quero concentrar-me em duas dessas idéias e seus desenvolvimentos subseqüentes: a teoria de perturbações, e a dos avoided crossings, com maior ênfase na última.Por completeza, menciono algumas das suas contribuições fundamentais, que não serão aqui abordadas: os métodos matemáticos da mecânica quântica (von Neumann, 1932) (inclusive a teoria dos operadores não limitados e grafos (id., 1929) e o teorema fundamental da unicidade relativo às relações canônicas de comutação (id., 1931); a teoria das álgebras de von Neumann (Dixmier, 1957) e suas aplicações à mecânica estatística (Ruelle, 1969); a teoria dos espaços produto-direto incompletos e suas aplicações, por exemplo, modelo de Dicke do MASER por Hepp & Lieb (1973) e, finalmente, os métodos da teoria ergódica e suas aplicações à mecânica clássica (Koopman-von Neumann (1932).Cada um desses tópicos seria assunto para várias palestras.Por exemplo, o teorema da unicidade é específico a número finito de graus de liberdade: no caso de sistemas de número infinito de graus de liberdade (teoria de campos) não há unicidade, e sim variedade nãoenumerável de representações inequivalentes estranhas das relações de comutação, o que representa uma fonte de graves problemas intrínsecos dessa teoria.O problema da teoria de perturbações é central em análise funcional, particurlarmente a do espectro singular: dado um operador auto-adjunto H com espectro puramente pontual, e uma perturbação compacta V, quando é que (H + V) tem também espectro puramente pontual?O início desse estudo foi o trabalho de von Newmann e Weyl, e o resultado do teorema de Weyl-von Newmann (1935) não é encorajador: qualquer
IntroduçãoA pesquisa em torno de alternativas teóricas que tentam interpretar resultados experimentais em sistemas físicos que apresentam fenômenos não-lineares tem se intensificado nas últimas décadas e criado, além de expectativa, certa perplexidade.Por outro lado, apesar de ser um tópico que incite muitas controvérsias, em vista da seriedade com que tem sido debatido, torna-se de grande interesse a busca de certo roteiro histórico, em torno das contribuições mais discutidas e debatidas na literatura recente.A denominada Física não-linear tem sido discutida fortemente na atualidade, graças aos avanços conseguidos em distintos ramos da Matemática (não-linear), a exemplo de sistemas de equações diferenciais não-lineares, sistemas solitônicos ou ondas solitárias, sistemas fractais, ondas cnoidais, transformadas de Fourier generalizadas (que podem ser não-linearizadas em espaços de uma e duas dimensões), ondaletas, álgebras de operadores não-lineares e outros tópicos.(CROCA, 2003;FOKAS; SING, 2005;LIMA, 2006) Tais objetos matemáticos têm dado grande ajuda para a resolução de vários problemas na Teoria da Relatividade Geral, Eletromagnetismo clássico, Mecânica de Newton, Óptica quântica, Mecânica dos fluidos, sistemas incomensuráveis, Física estatística, teoria de campos clássicos e quânticos, e outros ramos da Física.
Este é um artigo de caráter expositivo, no qual discutimos uma variedade de tópicos relacionados aos fundamentos da física quântica, com destaque para os conceitos de identidade e de individualidade das entidades básicas tratadas por essa teoria (ou grupo de teorias). Consideramos que, se se deseja fundamentar a contraparte formal de uma possível visão das entidades quânticas como objetos destituídos de individualidade, há basicamente duas alternativas possíveis: (a) manter-nos no escopo da lógica e da matemática tradicionais, digamos em uma teoria de conjuntos como Zermelo-Fraenkel, e, nesse caso, podemos ou assumir certas condições de simetria que de certo modo nos permitem falar da não individualidade, ou restringir-nos a certas classes nas quais apenas uma relação mais fraca de indistinguibilidade está definida; (b) elaborar uma teoria matemática nova, na qual certa forma de não individualidade está ab initio incorporada para algumas das entidades. Discutimos a primeira hipótese apresentando "modelos internos" de ZFU e ZFC, onde a identidade é restrita de alguma forma, e comentamos vantagens e desvantagens dessa abordagem. Motivada pela segunda hipótese, é então desenvolvida, em seus traços principais, o que poderia ser uma mecânica quântica fundamentada em uma das possíveis teorias de conjuntos distintas das clássicas, a teoria de quase conjuntos. Como a lógica subjacente à teoria de quase conjuntos é uma lógica não reflexiva, a mecânica correspondente é denominada de mecânica quântica não reflexiva.
Resumo Este artigo explora a Teoria das Perturbações no contexto de operadores espectrais, com foco em suas ramificações para a análise da estabilidade de sistemas quânticos complexos. Através de uma abordagem rigorosa da análise funcional, investigamos como pequenas modificações nos operadores (Hamiltonianos) que governam um sistema podem alterar suas propriedades espectrais, ou seja, seus autovalores (níveis de energia) e autovetores (estados quânticos). Começamos com uma revisão dos fundamentos de espaços de Hilbert e operadores auto-adjuntos ilimitados, essenciais para a formulação da mecânica quântica. Em seguida, detalhamos os principais teoremas da teoria de perturbação, incluindo perturbações limitadas, relativamente limitadas e analíticas, discutindo as condições sob as quais a auto-adjuntura e a estrutura espectral de um operador são preservadas ou alteradas de maneira controlável. A metodologia adotada é puramente teórica e analítica, baseada na dedução formal de resultados e na exploração das condições de validade dos teoremas clássicos de Kato e Rellich. Os resultados demonstram a robustez de certas características espectrais sob perturbações específicas e fornecem ferramentas indispensáveis para a compreensão da física de sistemas onde interações não podem ser tratadas exatamente. Concluímos com uma discussão sobre as implicações práticas e teóricas da teoria, bem como as direções para pesquisas futuras em sistemas quânticos abertos e de muitos corpos.
A teoria quântica de campos pode ser vista como um conjunto de métodos e idéias que além de sua importância no estudo das partículas elementares, tem sido amplamente usada em outras áreas. Em especial, ela constitui uma ferramenta indispensável no estudo moderno de transições de fases e fenômenos críticos. A origem dessa constante relação entre a teoria de campos e a matéria condensada deve-se ao fato que, apesar de suas diferenças superficiais, ambas tratam de problemas envolvendo um grande número de graus de liberdade. Assim, não é surpreendente que as mesmas técnicas possam ser úteis nos dois campos. Este trabalho trata de problemas nessas duas áreas e está essencialmente divido em duas partes. A primeira parte é dedicada ao estudo de teorias de campos com uma anisotropia entre o espaço e o tempo, o que implica uma quebra da simetria de Lorentz. Uma das motivações para considerar esse tipo de teoria vem justamente do estudo de transições de fase em sistemas da matéria condensada. Análises do grupo de renormalização com ênfase na possibilidade de restauração da simetria de Lorentz e também uma discussão sobre identidades de Ward são realizadas. Na segunda parte, a atenção é voltada para a mecânica estatística mas com uma abordagem típica da teoria de campos, em especial, voltada para o estudo de transições de fase clássicas e quânticas a partir da versão quantizada do modelo esférico e de sua extensão supersimétrica.
A compreensão da natureza das propriedades de átomos, moléculas e sistemas mais complexos está diretamente relacionada com a distribuição e o comportamento das partículas microscópicas que os constitui. Diversas evidências experimentais sugeriram que a estrutura de átomos e moléculas não poderiam ser explicadas por princípios baseados na mecânica clássica. Experimentos, tais como: a radiação do corpo negro, capacidade calorífica e espectros atômicos e moleculares, sugeriam que os processos de absorção ou emissão de energia só poderiam ser explicados admitindo-se que a energia envolvida nesses processos seria quantizada e não contínua, como prevê a mecânica clássica. A nova mecânica criada para conciliar os aspectos observados com a hipótese de quantizações de determinadas propriedades microscópicas foi denominada de Mecânica Quântica. Duas versões dessa nova mecânica foram formuladas pelos físicos Erwin Schrödinger e Werner Heisemberg, em trabalhos e métodos matemáticos diferentes, porém equivalentes. A teoria especifica quais são as leis que as partículas de qualquer sistema microscópico obedecem. Observa-se que há uma relação com a teoria de Newton para o movimento de sistemas macroscópicos (princípio da correspondência), sendo a teoria de Newton um caso particular (no limite macroscópico) das equações de Schrödinger, assim como a teoria da relatividade de Einstein é uma generalização que inclui a teoria de Newton como um caso especial, no limite de baixas velocidades. O modelo de Schrödinger está fundamentado em alguns postulados que são descritos a seguir.
Este trabalho apresenta alguns problemas matemáticos ligados à Mecânica Quântica e à Teoria de Números; mais precisamente, este trabalho apresenta três problemas: dois deles no contexto da Mecânica Quântica e o terceiro no âmbito da Teoria de Números. O primeiro problema, dentro do contexto da Mecânica Quântica, trata de determinar a geometria dos estados da esfera de Bloch que representem estados fisicamente realizáveis. Tal geometria herda uma simetria que é preservada por transformacões isoespectrais que compõem um grupo abeliano; nesse sentido, obtivemos os mesmos resultados de Mendas, em [14], e Kimura, em [10] e [11], mas por um método diferente. Em [10] e [11] o problema é abordado inteiramente em coordenadas esféricas, o que conduz a uma formulação ligeiramente diferente na obtenção dos autolavores do operador densidade. Em [14], a mesma ideia de [10] e [11] é abordada mas em dimensão d = 4. Em ambas as referências o ponto principal foi tomar interseção da esfera de Bloch com hiperplanos especiais do espaço, isso permitiu aos autores utilizar métodos computacionais e ilustrar regiões de interesse na tentativa de compreender melhor a geometria do problema. Já o segundo problema trata de descobrir propriedades de sistemas dinâmicos quânticos, como convergência e velocidade de convergência de produto de matrizes unitárias sorteadas aleatoriamente para emaranhadores universais. Conseguimos um resultado interessante que garante a convergência com velocidade exponencial, mesmo sob condições relativamente gerais. Tal resultado é importante devido ao interesse da comunidade acadêmica em entender melhor emaranhadores universais e usá-los em aplicações da computação quântica. Mais especificamente, nosso resultado garante que dado um número finito de elementos u1, ... un ∈... U (n) escolhidos ao acaso, então o produto de elementos aleatoriamente sorteados na vizinhança dos elementos u1, ..., un converge fraco-estrela para um emaranhador universal na medida de Haar em U(n). Tal resultado pode auxiliar no entendimento de propriedades de emaranhadores universais e em aplicações da computação quântica, tópicos que vêm sendo bastante estudados pela comunidade acadêmica. Finalmente, o terceiro problema, pertencente à área de Teoria de Números. É uma conjectura que encontra-se sem solução desde 1932, quando foi formulada por Derrick Henry Lehmer. Uma nova abordagem na tentativa de resolver este problema é apresentada.