Operator liczby cząstek

Operator liczby cząstek – dla układów, w których liczba rozpatrywanych cząstek nie jest znana, operator liniowy (obserwabla) „zliczający” ich liczbę.

Formalnie, jeżeli ${\mathcal {H}}$ jest przestrzenią Hilberta, to operatorem liczby cząstek $N$ na przestrzeni Foka $\Gamma ({\mathcal {H}})$ nazywa się operator

N\colon {\mbox{dom}}\,N\subset \Gamma ({\mathcal {H}})\to \Gamma ({\mathcal {H}}),\ \ Nu=(nu_{n})_{n=0}^{\infty },

którego dziedziną dom N jest podprzestrzeń liniowa

\left\{u\in \Gamma ({\mathcal {H}})\colon \sum _{n=0}^{\infty }n^{2}\|u_{n}\|^{2}<\infty \right\}.

Operator liczby cząstek jest operatorem dodatnim (w szczególności, jest on operatorem samosprzężonym) na $\Gamma ({\mathcal {H}}).$ Z dodatniości wynika, że można w sposób jednoznaczny określić jego pierwiastek ${\sqrt {N}}.$

Zbiór $\Gamma _{00}({\mathcal {H}})$ (zob. przestrzeń skończonej liczby cząstek w artykule przestrzeń Foka) jest dziedziną istotną tego operatora, tzn. operator liczby cząstek jest domknięciem obcięcia operatora $N$ do zbioru $\Gamma _{00}({\mathcal {H}}).$ W szczególności, dla dowolnej funkcji $f\colon \mathbb {N} \to \mathbb {C} ,$ operator $f(N)$ jest zdefiniowany poprzez rachunek funkcyjny dla operatorów samosprzężonych:

f(N)u=(f(n)u_{n})_{n=0}^{\infty },

gdzie:

{\mbox{dom}}~f(N)=\left\{u\in \Gamma ({\mathcal {H}})\colon \sum _{n=0}^{\infty }n^{2}|f(n)|^{2}\|u_{n}\|^{2}<\infty \right\}.

Średnią operatora liczby cząstek ‹ N › opisują rozkłady statystyczne w mechanice kwantowej:

statystyka Bosego-Einsteina w przypadku bozonów,
statystyka Fermiego-Diraca w przypadku fermionów.

W przypadku stanów Foka operatory kreacji i anihilacji odpowiednio zwiększają i zmniejszają liczbę cząstek (tzn. wartość średnią operatora liczby cząstek) o jeden. Jednak w przypadku superpozycji stanów Focka absorpcja bozonu może zwiększyć liczbę cząstek, w tym o liczbę niecałkowitą. To samo tyczy się kreacji bozonu. W ogólności absorpcja bozonu, a następnie kreacja bozonu powoduje, że liczba cząstek jest inna, niż przed absorpcją. Co więcej liczba cząstek po kreacji bozonu i następnej absorpcji będzie inna niż po absorpcji bozonu i następnej kreacji^[1]^[2].

Przypisy

↑ MarcoM. Bellini MarcoM. i inni, Probing Quantum Commutation Rules by Addition and Subtraction of Single Photons to/from a Light Field, „Science”, 317 (5846), 2007, s. 1890–1893, DOI: 10.1126/science.1146204, ISSN 1095-9203, PMID: 17901326 [dostęp 2019-01-11] (ang.).
↑ K.G.K.G. Katamadze K.G.K.G. i inni, The direct test of the absence of the „quantum vampire’s” shadow with use of thermal light, „arXiv [physics, physics:quant-ph]”, 10 stycznia 2019, arXiv:1901.03093 [dostęp 2019-01-11] .

Bibliografia

Kalyanapuram Rangachari Parthasarathy: An Introduction to Quantum Stochastic Calculus. Berlin: Springer, 1992. ISBN 3-7643-2697-2. (ang.).
J. Martin Lindsay: Quantum Stochastic Analysis in Quantum Independent Increment Processes I: From Classical Probability to Quantum Stochastic Calculus (Lecture Notes in Mathematics) (v. 1). Berlin: Springer-Verlag, 2005. ISBN 978-3540244066. (ang.).

[1] MarcoM. Bellini MarcoM. i inni, Probing Quantum Commutation Rules by Addition and Subtraction of Single Photons to/from a Light Field, „Science”, 317 (5846), 2007, s. 1890–1893, DOI: 10.1126/science.1146204, ISSN 1095-9203, PMID: 17901326 [dostęp 2019-01-11] (ang.).

[2] K.G.K.G. Katamadze K.G.K.G. i inni, The direct test of the absence of the „quantum vampire’s” shadow with use of thermal light, „arXiv [physics, physics:quant-ph]”, 10 stycznia 2019, arXiv:1901.03093 [dostęp 2019-01-11] .

[1]

[2]