equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
Na física teórica, a Equação de Wheeler–DeWitt é uma equação derivada funcional mal definida para o caso geral, porém muito importante para a teoria da gravidade quântica.[1] A equação possui a forma de um operador que age numa função de onda, que se reduz numa função cosmológica. Ao contrário do caso geral, a equação de Wheeler–DeWitt é bem definida para espaços pequenos.
A equação foi proposta em 1967 por Bryce DeWitt e foi nomeada em homenagens aos físicos Bryce DeWitt e John Archibald Wheeler.[2]
Definição
A Equação de Wheeler–DeWitt pode ser escrita da seguinte forma
onde é o hamiltoniano restrito numa relatividade geral quantizada e é a função de onda relativa ao espaço de Hilbert.
A equação de Wheeler–DeWitt busca adaptar a equação de Schrödinger ao espaço-tempo curvo da relatividade geral.
Equação de Wheeler–DeWitt - Graceli
/ G /
Max Planck obteve a forma correta da distribuição porque postulou a quantização da energia dos osciladores harmônicos que comporiam as paredes da cavidade que confina a radiação. Essa hipótese teve por efeito introduzir um limite máximo de freqüência acima do qual há um corte (cutoff) nas contribuições dos entes (ondas eletromagnéticas) que estão em equilíbrio.
Einstein, para explicar o efeito fotoelétrico, ampliou o conceito da quantização para a energia radiante, postulando a existência do fóton (o que "implicitamente" quer dizer que as equações de Maxwell não tem validade ilimitada, porque a existência do fóton implica não-linearidades).
A antiga teoria quântica cedeu lugar à mecânica quântica moderna quando Schrödinger desenvolveu a famosa equação que leva o seu nome. Entretanto, a primeira versão que ele desenvolveu foi a equação que hoje é conhecida como equação de Klein-Gordon, que é uma equação relativista, mas que não descrevia bem o átomo de hidrogênio, por razões que só mais tarde puderam ser entendidas. Assim, ele abandonou a primeira tentativa, chegando à sua equação (equação de Schrödinger):
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
A equação de Schrödinger acima colocada é a equação "dependente do tempo", pois o tempo aparece explicitamente. Neste caso, as soluções são funções das coordenadas espaciais e do tempo.
Quando o potencial não depende do tempo, ou seja, quando o campo de força ao qual a partícula está submetida é conservativo, é possível separar as variáveis e .
A equação que a parte espacial da função de onda obedece é:
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
conhecida como equação de Schrödinger "independente do tempo". Esta é uma equação de autovalores, ou seja, através dela se obtêm simultaneamente autofunções (no caso as funções de onda ) e autovalores (no caso, o conjunto das energias estacionárias ).
Formulação matemática
Mecânica clássica e mecânica quântica
A dinâmica de uma partícula pontual de massa em um regime não-relativístico, ou seja, em velocidades muito menores que a velocidade da luz, pode ser determinada através da função lagrangiana[6][7]
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
em que (que são respectivamente coordenadas generalizadas para a posição e a velocidade da partícula) determinam o espaço de fase do sistema e é o potencial em que a partícula se move. Minimizando o funcional ação
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
encontra-se a equação de movimento para esse sistema,
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
que é a equação de Newton, desde que .
Existe outra formulação equivalente da mecânica clássica, conhecida como formulação hamiltoniana e que pode ser diretamente relacionada a formulação lagrangiana acima. Para se fazer contato entre as duas formulações, define-se o momento
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
de maneira que a função hamiltoniana é dada por
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
que para a escolha da lagrangiana acima, tem-se
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
.
Assim como no caso da função lagrangiana, a hamiltoniana descreve toda a dinâmica de um sistema clássico, portanto, considerando uma variação de tem-se um par de equações diferenciais de primeira ordem conhecidas como equações de Hamilton
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
e que equivale a equação de Newton, que é de segunda ordem. No formalismo hamiltoniano, usando a regra da cadeia, pode-se escrever qualquer variação temporal de uma função , em termos das equações de Hamilton acima, de modo que,
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
onde o parêntese de Poisson é definido como
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
.
Existem diversas maneiras de realizar a quantização de um sistema clássico, tais como quantização por integrais funcionais e quantização canônica. Esse último método em particular, consiste na substituição do parêntese de Poisson por comutadores[8]
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
onde , são operadores num espaço de Hilbert. Com essas substituições, o parêntese de Poisson entre duas coordenadas generalizadas torna-se
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
.
Um aspecto importante a ser observado é que os operadores e podem ser representados como os operadores diferencias
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
de maneira que a função hamiltoniana, torna-se um operador no espaço de Hilbert, chamado operador hamiltoniano que atua em uma função
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
que é a equação de Schrödinger.
Teoria Clássica de Campos
A formulação lagrangiana e a hamiltoniana da mecânica clássica são refinamentos da mecânica newtoniana e permite o tratamento de sistemas com um número finito de graus de liberdade. Considerando um sistema mecânico unidimensional com graus de liberdade, que consiste de partículas pontuais de massa , separadas por uma distância e conectadas entre si por uma mola de constante elástica . A lagrangiana para esse sistema é:
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
.
Esse sistema pode ser estendido facilmente para o limite em que e . No entanto, se o comprimento total do sistema estiver fixo, tem-se o limite contínuo , de modo que a lagrangiana terá a forma
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
onde representa o deslocamento da partícula relativa a posição no instante de tempo . Também, define-se as quantidades
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
////// .
Generalizando essa discussão prévia para um sistema relativístico, tem-se uma lagrangiana que será uma função do campo , em que e das derivadas , dessa maneira, o funcional ação pode ser escrito como
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
.
Finalmente, a lagrangiana pode ser escrita como
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
,
onde , é conhecida como densidade lagrangiana.[9] A equação de Euler-Lagrange é:
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
.
Primeiras unificações. Equações relativísticas
Equação de Klein-Gordon
Como foi dito acima, quando Schrödinger primeiro procurou uma equação que regesse os sistemas quânticos, pautou sua busca admitindo uma aproximação relativista, encontrando a depois redescoberta equação de Klein-Gordon:
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
onde
A equação de Klein-Gordon, às vezes chamada de equação de Klein-Fock-Gordon (ou ainda Klein-Gordon-Fock) pode ser deduzida de algumas maneiras diferentes.
Usando-se a definição relativística de energia
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
chega-se à equação:
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
Essa expressão, por conter operadores diferenciais sob o radical, além de apresentar dificuldades computacionais, também apresenta dificuldades conceituais, já que se torna uma teoria não-local (pelo fato de a raiz poder ser expressa como uma série infinita). Por ser uma equação de segunda ordem não permite que fique bem definida a questão da normalização da função de onda.
Fock deduziu-a através da generalização da equação de Schrödinger para campos magnéticos (onde as forças dependem da velocidade). Fock e Klein usaram ambos o método de Kaluza-Klein para deduzi-la. O motivo, só mais tarde entendido, da inadequação desta equação ao átomo de hidrogênio é que ela se aplica bem somente a partículas sem carga e de spin nulo.
Equação de Dirac
Em 1928 Paul Dirac obteve uma equação relativística baseada em dois princípios básicos
- A equação deveria ser linear na derivada temporal;
- A equação deveria ser relativisticamente covariante.
A equação obtida por ele tinha a seguinte forma:
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
onde , , e não são números reais ou complexos, mas sim matrizes quadradas com N² componentes. Semelhantemente, as funções são na verdade matrizes coluna da forma
e as matrizes , , e devem ser hermitianas.
A equação de Dirac, diferentemente da equação de Klein-Gordon, é uma equação que dá bons resultados para partículas de spin ½. Aliás, um dos sucessos é que esta equação incorpora o spin de forma natural, o que não ocorre com a equação de Schrondinger, onde o spin é admitido posteriormente como uma hipótese ad hoc. Não obstante, isso levou certos autores a afirmarem que o spin é um grau de liberdade relativístico, o que é contestado. Outro sucesso da equação de Dirac foi prever a existência do pósitron, já que a equação previa valores negativos de energia, o que foi inicialmente interpretado, à luz da [[teoria dos buracos], como indicação de elétrons com energias negativas. Essa teoria afirmava que os pósitrons seriam vacâncias produzidas pela promoção desses elétrons para estados com energias positivas. O vácuo é então visto como um mar de elétrons onde eles estariam compactamente colocados. Hoje, entretanto, essa teoria cedeu lugar à questão de criação e aniquilação de partículas num contexto mais geral da quantização canônica dos campos.
Desenvolvimento da teoria quântica dos campos
A origem da teoria quântica dos campos é marcada pelos estudos de Max Born e Pascual Jordan em 1925 sobre o problema da computação da potência irradiada de um átomo em uma transição energética.
Em 1926, Born, Jordan e Werner Heisenberg formularam a teoria quântica do campo eletromagnético desprezando tanto a polarização como a presença de fontes, levando ao que se chama hoje de uma teoria do campo livre. Para tanto, usaram o procedimento da quantização canônica.
Três razões principais motivaram o desenvolvimento da teoria quântica dos campos:
- A necessidade da uma teoria que lidasse com a variação do número de partículas;
- A necessidade de conciliação entre as duas teorias: mecânica quântica e a relatividade;
- A necessidade de lidar com estatísticas de sistemas multipartículas.
Quantização canônica dos campos
Um campo, no esquema conceitual da teoria dos campos, é uma entidade com infinitos graus de liberdade.
O estado de mais baixa energia, chamado de vácuo, corresponde à ausência de partículas.
Estas, entretanto, podem ser criadas ou destruídas através de dois operadores:
- : operador criação
- : operador aniquilação
que agem sobre a função de onda do campo, respectivamente simbolizando a criação e a aniquilação de partículas dotadas de momento , possibilidade exigida pela relatividade.
Os operadores, agindo sobre os estados de um tipo específico de espaço de Hilbert, chamado espaço de Fock, criam e destroem as partículas. Entretanto, uma restrição é:
equação Graceli estatística tensorial quântica de campos 1 / / G / [DR] = .= G + G* = = [ ] ω , , / T] / c [ [x,t] ] = |
o que quer dizer que não pode haver aniquilação sobre o estado básico, já que nesse caso não há partículas a serem aniquiladas.
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