物理でのほぼ可換行列の理解
大きな物理システムにおけるほぼ通勤行列の役割を探ろう。
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この記事では「ほぼ可換行列」っていう数学の概念について話すよ。これは特に物理学の大きなシステムの特性を測ることに関係してるんだ。この行列がどんなふうに動くのか、そして科学の現実の状況にどう応用できるのかを理解することがポイントだよ。
背景
ほぼ可換行列を理解するためには、観測量について知っておく必要があるね。簡単に言うと、観測量ってのは位置や運動量みたいに測れるもののことだよ。量子力学では、これらの観測量は行列って呼ばれる数学的な対象に対応してる。
理論的概念
話の基礎は、多くの粒子やシステムを扱うとき、これらの観測量が必ずしも期待通りに振る舞うわけじゃないってことなんだ。これによって、本来は可換であるべき観測量(互いに影響を与えずに測れるもの)が、特に大きなシステムの場合には可換じゃなくなることがあるんだ。
巨視的システム
巨視的なシステム、つまりたくさんの小さな粒子から成るものを見ると、巨視的な観測量を定義できるよ。これは小さな微視的な観測量から導き出されるんだ。でも、粒子の数が増えると、異なる観測量同士の相互作用があるから、独立して測るのが難しくなっちゃう。
この複雑さがほぼ可換行列の概念につながってて、測定の不完全さのために本来は可換でない観測量も、あたかも可換であるかのように振る舞うと仮定するんだ。
可換観測量の重要性
可換観測量は、同時にその値を知ることが正確な測定には必須だから重要なんだ。しかし、多くの場合、これらの観測量は可換じゃないから、一緒に正確に測ることができないんだ。
例えば、粒子の位置を測ると、その運動量が乱れちゃって、測定に不確実性が生じることがある。この可換観測量と測定の関係は、大きなシステムの振る舞いを理解するのに影響を与えるんだ。
小方の定理
小方の定理は、巨視的な観測量が近くの可換観測量で近似できることを説明してる。つまり、観測量がほぼ可換であると仮定すると、大きなシステムにおいては本質的に可換として扱えるってことなんだ。この定理はこの近似の数学的な基盤を提供して、実用的な応用を可能にしてる。
観測量の行列表示
量子力学では、観測量は行列として表されるんだ。複数の観測量を扱うときには、すべての相互作用を含む大きな行列を作ることができるよ。この行列表示は、測定がシステムにどう影響するか、そして異なる観測量の関係を理解するのに役立つんだ。
実用的な応用
ほぼ可換行列の概念や小方の定理は、量子力学や統計力学の分野で実用的な意味を持つんだ。これらは科学者が大きなシステムの振る舞いを理解するのに役立ち、個々の特性の測定が他の特性との相互作用によってどう影響されるかを明らかにするんだ。
表現論の役割
表現論は、代数的構造を行列を使ってどのように表現できるかを研究する数学の一分野だよ。これは量子システムの対称性を扱うときに特に役立ってて、異なる観測量の関係を理解するための枠組みを提供するんだ。
結論
まとめると、近くの可換行列と巨視的観測量との関係を研究することは、物理学の複雑なシステムを理解するためには重要なんだ。小方の定理のような概念が、大きなシステムの振る舞いを近似する方法を示して、量子力学における測定の本質を深く理解する手助けをしてくれる。
ほぼ可換行列と観測量の関係を探ることで、大規模な物理現象の測定や理解の複雑さをうまくナビゲートできるようになるんだ。
タイトル: Constructing Nearby Commuting Matrices for Ogata's Theorem on Macroscopic Observables
概要: Resolving a conjecture of von Neumann, Ogata's theorem in arXiv:1111.5933 showed the highly nontrivial result that arbitrarily many matrices corresponding to macroscopic observables with $N$ sites and a fixed site dimension $d$ are asymptotically nearby commuting observables as $N \to \infty$. We develop a method to construct nearby commuting matrices for normalized highly reducible representations of $su(2)$ whose multiplicities of irreducible subrepresentations exhibit a certain monotonically decreasing behavior. We then provide a constructive proof of Ogata's theorem for site dimension $d=2$ with explicit estimates for how close the nearby observables are. Moreover, motivated by the application to time-reversal symmetry explored in arXiv:1012.3494, our construction has the property that real macroscopic observables are asymptotically nearby real commuting observables. This thesis also contains an introduction to the prerequisite matrix analysis for understanding the proof of the results gotten, a primer on the functional analysis of $C^\ast$-algebras frequently used in the literature of almost commuting operators, a detailed discussion of the history and main results in the problem of almost commuting matrices, a review of the basics of measurement of observables in finite dimensional quantum mechanical systems, and a discussion of the uncertainty principle for non-commuting bounded operators with some results obtained for observables with nearby commuting approximants.
著者: David Herrera
最終更新: 2024-09-22 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2409.14636
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2409.14636
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた arxiv に感謝します。
参照リンク
- https://detexify.kirelabs.org/classify.html
- https://tikzcd.yichuanshen.de
- https://tikzcd.yichuanshen.de/#N4Igdg9gJgpgziAXAbVABwnAlgFyxMJZAJgBoAGAXVJADcBDAGwFcYkQYB9ARhAF9S6TLnyEUAZlLdqdJq3YAdBQDMATvQDGwbn2BK4AR1U5ifABRduAWi7EAlP0EgM2PASKSqNBizaIQSmqa2rr6RibmlgDUtg4CQq6iRGTS3nJ+HJzEjgki7ijkFDI+8v6WOc7CbmLIhamyvuzl8ZWJ+cjcRWmN-oHqWjp6CobGphY8MVlxTi55NZ31JRl9wYNho5E8NlP8MjBQAObwRKBqEAC2SIUgOBBInSCMWGAZUBDMAEaMbDQAFjD0KBIMDMRiMGg4ehYRjsSAvCpnS6ISQ3O6IMiPZ6vd5fH4gf6A4Gg8E3KEw-xwtgtRFIFG3e40J7w-xvT7fEB-AFAxAgsEQsmwghUpw0xDXenoxlY9is3Ec-Fcol80nQwXw6mqC5IDESjGMCAQNBEbgADkKyiYcBgMkY9A+MEYAAUqkl-KosAdfjh5UzsWy8QTubySZDVRShQjNUiHhKHvrDURzZbrYy7Q7nW0xCB3Z7vVLmSBZezOYSecT+WHwBGNVrEAA2CFogAsNaRAHZG0gAKytpAd1FIFsiqNIBsDxA94e1pudxAzx4Go0oU1JxhWm1pp0u-LZj1eyO1ruzo8LhMFUgWtcpx6bjNzdg5-d8Sh8IA
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- https://ctan.org/pkg/setspace
- https://ctan.org/pkg/lipsum