迈向通用操作与现实框架:量子力学与相对论的融合探索
1. 操作公理化量子力学的起源与发展
在量子力学的发展历程中,早期的标准量子力学形式就引发了一些质疑。例如,为何复希尔伯特空间会成为描述微观世界的唯一数学结构,这一问题从量子力学诞生之初就困扰着其奠基者们。
1.1 复希尔伯特空间在量子力学中的应用
约翰·冯·诺伊曼与加勒特·伯克霍夫的工作为我们当前的框架奠定了基础。冯·诺伊曼选择复希尔伯特空间来形式化量子力学,是因为海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学最终被证明是等价的。矩阵力学使用了所有平方可和复序列的集合 (l^2),波动力学使用了三个实变量的所有平方可积复函数的集合 (L^2(R^3)),而这两个空间都是复希尔伯特空间的典型例子。所以,海森堡和薛定谔在提出矩阵力学和波动力学时,实际上已经在复希尔伯特空间中工作,只是他们当时并未意识到。这使得冯·诺伊曼很自然地提出在抽象复希尔伯特空间中表述量子力学,将矩阵力学和波动力学归结为两个具体的情况。
然而,希尔伯特空间表示从一开始就存在问题。量子实体的(纯)状态由复希尔伯特空间的单位向量或射线表示,而不是向量。因为同一射线上的向量表示相同的状态,或者在状态以某种方式改变后,需要对表示状态的向量进行重新归一化。如果将向量空间的射线称为点,二维子空间称为线,那么这样对应的点和线的集合就形成了射影几何。这意味着,在某种程度上,与复希尔伯特空间对应的射影几何比希尔伯特空间本身更能内在地表示量子世界的物理性质。这一情况在使用群表示构建的量子实体动力学中得到了明确体现,此时需要考虑射影表示,而不是向量表示。
1.2 伯克霍夫和冯·诺伊曼的贡献
伯克霍夫和冯·诺伊曼在《量子力学的逻
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