Глава 3  ◄     Содержание     ►   Глава 5

Глава 4.   Визуализация квантового спина

Chapter 4.      Visualization of quantum spin

  To determine the value of the quantum state |ψ〉, set the values of the polar and azimuth angles either using the GUI in the upper right corner of the program, or using the keys located under the GUI.

Blue arrow - the direction of spin in physical space
Green arrow - the direction of spin in spinor space

  In the above visualization, you can set the direction of the electron spin in three-dimensional physical space using two angles. The first angle, which is given the name of the polar angle θ, sets the (geographical) latitude. The second sets the azimuth angle φ. Since the value of the polar angle in the spinor space is half of the corresponding angle in the physical space, the corresponding spinor angle θ/2 is simultaneously set. Azimuthal angles in both spaces have the same values.

  The blue arrow determines the direction of the electron's spin in physical space. The green arrow determines the direction of the spinor. The values of the polar and azimuth angles are set in the right part of the window either using the GUI or using the buttons. In response to this action, the value of the state function and two probabilities corresponding to the spin values +1 and -1 are given.

In the program, you can see the value of the state vector |ψ〉 for any predetermined angle of the electron in the spinor and physical space. In physical space, the angle θ has a range of variation from to 720°, and in spinor from to 360°. Therefore, on the sphere, two revolution of θ physical space correspond to one revolution of θ spinor space. The azimuthal angle φ in both spaces has the same range of variation from to 360°. Thus, each point on the surface of the sphere defines a unit vector in the spinor space. The starting points of these vectors are located in the center of the sphere.

The directions along the Z axis are denoted as Up (u) and Down (d).
The directions along the X axis are denoted as Right (r) and Left (l).
The directions along the Y axis are denoted as Forward (f) and Back (b).

 Sphere rotation - left mouse button drag
 Sphere size - middle mouse button drag, or mousewheel
 Sphere movement on screen - right mouse button drag

В приведенной визуализации можно задать направление спина электрона в трехмерном физическом пространстве при помощи двух углов. Первый угол, которому дано название полярного угла θ, задает (географическую) широту. Второй задает азимутальный угол φ. Так как в спинорном пространстве значение полярного угла составляет половину от соответствующего угла в физическом пространстве, то одновременно задается соответствующий угол спинора θ/2. Азимутальные углы в обеих пространствах имеют одинаковые значения. Синяя стрелка определяет направление спина электрона в физическом пространстве. Зеленая стрелка определяет направление спинора.
  Значения полярного и азимутального углов устанавливается в правой части окна либо при помощи GUI, либо при помощи кнопок. В ответ на это действие выдается значение функции состояния и две вероятности соотвествущие значениям спина +1 и -1.

В программе можно увидеть значение вектора состояния |ψ〉 для любого наперед заданного угла электрона в спинорном и физическом пространстве. В физическом пространстве угол θ имеет диапазон изменения от 0° до 720°, а в спинорном от 0° до 360°. Поэтому на сфере два оборота θфизическое пространство соответствуют одному обороту θспинорное пространство. Азимутальный угол φ в обоих пространствах имеет одинаковый диапазон изменения от от 0° до 360°. Таким образом каждая точка на поверхности сферы задает единичный вектор в спинорном пространстве. Начальные точки этих векторов расположены в центре сферы.

Для того, чтобы лучше понять сделанную мной программу визуализации квантового спина рекомендую посмотреть видео на youtube Квантовый спин - Визуализация физики и математики на английском языке. То же видео на русском языке, но более короткое Визуализация квантового спина. В моей программе визуализации можно задавая значения параметров наблюдать примерно то же самое, что и в указанных видео.

Так как каждая точка на поверхности сферы задает единичный вектор в спинорном пространстве, то найдем координаты этих векторов на сфере. Для этого рассмотрим еще раз процесс измерения. В квантовой механике те величины, которые может зарегистрировать исследователь, приборами или визуально, носят название наблюдаемых величин или просто наблюдаемых. В процессе измерения спина электрона прибором Штерна-Герлаха получается только одно из значений наблюдаемой величины - либо +1 либо -1. Других значений, измеряемых прибором, быть не может. В эксперименте нас интересуют вероятности получения +1 и -1 относительно приготовленного состояния. Состояние, в котором происходит приготовление спина, задается вектором исходящим из центра сферы и заканчивающимся на поверхности сферы. Состояние, в котором происходит измерение спина, также задается вектором исходящим из центра сферы и заканчивающимся на ее поверхности. Поэтому задача состоит в вычислении концов векторов лежащих на сфере - в спинорном пространстве. В квантовой механике спина это происходит следующим образом.

Вводится понятие оператора. Будем считать, что оператор это квадратная матрица 2x2. В качестве постулата принимается тот факт, что наблюдаемым величинам (в данном случае +1 и -1) соответствуют эрмитовы операторы. Как определяются эрмитовы операторы можно прочитать во множестве книг и статей и поэтому не будем на этом останавливаться. Для каждого направления на сфере существует свой оператор. Для этого оператора можно найти специальный вектор - собственный вектор.

Одними из основных операторов в квантовой механике являются так называемые матрицы Паули. Рассмотрим их вкратце. К ним мы еще вернемся в шестой главе когда будут рассматриваться квантовые вращения.

      
      
      
      
      
      
      

В самом первом разделе, где рассматривался эксперимент Штерна-Герлаха рассматривалось вычисление средних значений. Сейчас самое время к нему вернуться еще раз и повторим сказанное там. Допустим, что мы имеем идеальную монету у которой вероятность выпадения +1 равно 0.5 или 50%, а вероятность выпадения -1 также равно 0.5 или 50%. Тогда среднее значение выпавшей величины можно найти по следующей формуле:
   (+1)×(вероятность выпадения +1) + (-1)×(вероятность выпадения -1) = (+1) × 0.5 + (-1) × 0.5 = 0
Иными словами среднее значение равно 0. Что и следовало ожидать от идеальной монеты.
Если имеем монету со смещенным центром тяжести с вероятностями +0.3 и -0.7 соответственно то получим
   (+1)×(вероятность выпадения +1) + (-1)×(вероятность выпадения -1) = (+1) × 0.3 + (-1) × 0.7 = -0.4
Среднее значение выпавшей величины равно -0.4, что говорит о более частом выпадении решки.

Используя тригонометрическую формулу
         cos(α) = cos2(α/2) - sin2(α/2)   
мы можем записать выражение 〈σ〉 = cos(α) в следующем виде:
          〈σ〉 = (+1)·cos2(α/2) + (-1)·sin2(α/2)  
    А мы только что получили выражение
            P = cos2(α/2)
Таким образом вероятность того, что в результате измерения будет получена +1 равна cos2(α/2), вероятность получения -1 будет равной sin2(α/2). Из приведенной формулы видно, что среднее значение величины спина оказалось выраженным через квадраты синуса и косинуса половинного угла α/2.

Замечание: В самом первом разделе угол на который поворачивался прибор Штерна-Герлаха был обозначен как θ. В данном разделе этот угол обозначен символом α, так как углы θ1 и θ2 использовались при задании направления векторов m и n.

   Глава 3  ◄     Содержание     ►   Глава 5