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/ NetNews Usenet Archive 1992 #20 / NN_1992_20.iso / spool / sci / physics / 14253 < prev    next >
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Text File  |  1992-09-08  |  4.8 KB  |  90 lines

  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!stanford.edu!CSD-NewsHost.Stanford.EDU!Sunburn.Stanford.EDU!pratt
  3. From: pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt)
  4. Subject: Re: quantization of angular momentum
  5. Message-ID: <1992Sep7.215511.23280@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>
  6. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  7. Organization: Computer Science Department,  Stanford University.
  8. References: <25903@dog.ee.lbl.gov> <mcirvin.715392893@husc8> <25949@dog.ee.lbl.gov>
  9. Date: Mon, 7 Sep 1992 21:55:11 GMT
  10. Lines: 78
  11.  
  12. In article <25949@dog.ee.lbl.gov> sichase@csa3.lbl.gov writes:
  13. >>>>Ouch!  L is quantized under all circumstances.  Its eigenvalues are
  14. >>>>half-integer multiples of hbar, even for free particles.
  15. >>Angular momentum, though, always has discrete eigenvalues.
  16. >
  17. >Angular momentum is not a good quantum number for a plane wave.
  18.  
  19. I don't agree.  Plane waves and the trajectory of the particle are
  20. surely a red herring here.  Start with the classical picture.  The
  21. orbital angular momentum of a particle with position r and momentum p
  22. is defined to be r x p, a vector normal to both r and p.  In this
  23. definition there is no restriction on the shape of the trajectory, and
  24. no requirement that the origin (with respect to which r is measured) be
  25. the center of curvature of the trajectory.
  26.  
  27. To better see this (still in the classical framework), consider a stone
  28. whirled around at one end of a piece of string whose other end is held
  29. stationary at a point we take to be the origin.  When you cut the
  30. string what happens to the orbital angular momentum of the stone?
  31. Answer: it is conserved.  Since the stone is now traveling in a
  32. straight line (ignoring gravity) this would appear to contradict
  33. Scott's intuition about its orbital angular momentum.  But when you
  34. consider the definition of angular momentum, rxp, this conservation can
  35. be seen to be an immediate consequence of this definition and the
  36. choice of center of rotation for the origin, a choice we did not change
  37. when we cut the string, even though the stone no longer describes a
  38. circular orbit about that origin.  The stone maintains a fixed angular
  39. momentum about *our choice of origin* as it zooms away on its
  40. now-linear trajectory.
  41.  
  42. Now pass to the quantum picture.  All of the above remains true, except
  43. for the outcome of measurements of the above quantities.  Measurements
  44. of the orbital angular momentum now yield integer multiples of h~
  45. (writing h~ for h-bar --- note that half-integers occur for spin AM but
  46. not for orbital AM).  Measurements of either one of r or p can be made
  47. to arbitrary precision, but not both together, by Heisenberg (which I
  48. think is also a reasonable answer to Tom Knight's original question).
  49.  
  50. Since Tom put in a request for additional intuition, here's a picture I
  51. have found helpful in visualizing the quantum mechanics of L = r x p,
  52. and more generally of any conjugate pair of observables.  If we take r
  53. and p to be points in the n-dimensional spaces R and P, then we can
  54. view the pair (r,p) as a point in the 2n-dimensional space RxP.  (Take
  55. n=1 to visualize this, n=3 to apply it to the 3D world, necessary to
  56. make sense of angular momentum.  Here RxP is direct product of vector
  57. spaces, not to be confused with the vector product rxp which assumes
  58. n=3 and is a bilinear transformation mapping the 6D space RxP to the 3D
  59. space of angular momenta.)
  60.  
  61. In classical mechanics RxP is called *phase space*.  Phase space
  62. behaves like an incompressible fluid: as time passes, regions in phase
  63. space may change shape but not volume.
  64.  
  65. Now in quantum mechanics, points in phase space have an uncertainty of
  66. h~, that is, points blur into regions of volume h~.  Now if we bring
  67. the classical incompressibility of phase space into the quantum picture
  68. then we find that a region of uncertainty retains its overall volume.
  69. But its shape may change: it can become arbitrarily narrow in either
  70. its position or momentum component.  This corresponds to knowing
  71. respectively the position or momentum of the particle to arbitrary
  72. precision.  But we cannot know both to arbitrary precision since that
  73. would require the volume of the region of uncertainty to decrease below
  74. h~.
  75.  
  76. This picture applies anywhere that Heisenberg's principle applies.  Its
  77. key ingredients are the classical incompressibility of phase space
  78. applied to quantum mechanics, and the "amorphously quantized"
  79. uncertainty of points in quantum phase space.  This gives a graphic way
  80. of visualizing Heisenberg's uncertainty principle in general, and in
  81. particular the paradox of quantized L = r x p in the face of continuous
  82. r and p.
  83.  
  84. What I don't know is how robust this picture is, i.e. where if anywhere
  85. does it let one down?
  86. -- 
  87. ======================================================| God found the positive
  88. Vaughan Pratt   pratt@cs.Stanford.EDU   415-494-2545  | integers, zero was
  89. ======================================================| there when He arrived.
  90.