Opérateur (physique)

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Un opérateur est, en mécanique quantique, une application linéaire d'un espace de Hilbert dans lui-même. Le terme est une spécialisation du concept mathématique d'opérateur. Une observable est un opérateur hermitien.

Opérateurs en mécanique classique[modifier | modifier le code]

En mécanique classique, le mouvement des particules (ou d'un système de particules) est complètement déterminé par le Lagrangien ou, de façon équivalente, l'Hamiltonien , une fonction des coordonnées généralisées q, vitesse généralisée et son moment conjugué :

Si L ou H est indépendant des coordonnées généralisées q, donc que L et H ne changent pas en fonction de q, le moment conjugué de ces coordonnées sera conservé (c'est une partie du théorème de Noether, et l'invariance du mouvement en respect de la coordonnée q est une symétrie). Les opérateurs de mécanique classique sont reliés à ces symétries.

Plus techniquement, quand H est invariant sous un certain groupe de transformations G:

.

les éléments de G sont des opérateurs physiques, qui relient les états physiques entre eux.

Table des opérateurs de mécanique classique[modifier | modifier le code]

Transformation Opérateur Position Moment
Symétrie de translation
Symétrie de translation temporelle
Invariance de rotation
Transformations de Galilée
Parité
Symétrie T

est la matrice de rotation autour d'un axe défini par le vecteur unitaire et l'angle θ.

Générateurs[modifier | modifier le code]

Si la transformation est infinitésimale, l'opérateur d'action doit être de la forme

est l'opérateur d'identité, est le paramètre avec une petite valeur et dépendra de la transformation de la main et est appelé générateur de groupe. Dérivons le générateur de l'espace translationnel unidimensionnel comme exemple.

Tel que mentionné, . Si est infinitésimal, nous devons écrire

Cette équation peut être réécrite telle que

est le générateur des groupes de translation, qui est l'opérateur de dérivation dans ce cas.

La carte exponentielle[modifier | modifier le code]

Tout le groupe peut être reconstruit, dans les circonstances normales, à partir du générateur, par la carte exponentielle. Dans le cas de la translation, l'idée fonctionne comme suit.

La translation d'une valeur finie de peut être obtenue par application répétée de la translation infinitésimale :

avec représentant l'application fois. Si est large, chacun des facteurs peut être considéré infinitésimal :

Mais la limite peut être réécrite en exponentielle :

Pour être convaincu de la validité de cette expression formelle, l'exponentielle peut être développée en série de puissance :

La partie de droite peut être réécrite ainsi :

wQui est l'expansion de Taylor de , qui est la valeur originale de .

Les propriétés mathématiques des opérateurs sont un sujet d'importance en soi. Pour plus d'informations, voir C*-algèbre et le théorème de Gelfand–Naimark.

Opérateurs en mécanique quantique[modifier | modifier le code]

Les postulats de la mécanique quantique sont construits sur le concept d'opérateur.

Un état en mécanique quantique est représenté par un vecteur unitaire (la probabilité totale est égale à un) dans un espace de Hilbert complexe. L'évolution temporelle dans cet espace vectoriel est donné par l'application de l'opérateur d'évolution temporelle.

Toutes observables, soit une quantité qui peut être mesuré par une expérience, doit être associé à une opérateur linéaire auto-adjoint. L'opérateur doit produire des valeurs propres réelles, puisqu'il doive correspondre aux mesures expérimentales. Pour cela, l'opérateur doit être Hermitien[1]. La probabilité que ces valeurs propres soient observés sont relié à la projection de l'état physique sur le sous état correspondant à ces valeurs propres.

Liste d'opérateurs[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Molecular Quantum Mechanics Parts I and II: An Introduction to Quantum Chemistry (Volume 1), P.W. Atkins, Oxford University Press, 1977, (ISBN 0-19-855129-0)

Article connexe[modifier | modifier le code]