बॉर्न रूल

Not to be confused with Cauchy–Born rule or Born approximation.

बोर्न नियम (जिसे बोर्न नियम भी कहा जाता है) क्वांटम यांत्रिकी का एक सिद्धांत है जो यह संभावना देता है कि क्वांटम यांत्रिकी में माप एक निश्चित परिणाम देगा। अपने सरलतम रूप में, यह बताता है कि किसी दिए गए राज्य में एक प्रणाली को खोजने की संभाव्यता घनत्व तरंग क्रिया, जब मापा जाता है, तो उस राज्य में सिस्टम के तरंग फ़ंक्शन के आयाम के वर्ग के समानुपाती होता है। इसे 1926 में जर्मन भौतिक विज्ञानी मैक्स बोर्न द्वारा तैयार किया गया था।

विवरण

बोर्न नियम में कहा गया है कि यदि एक स्व-सहायक ऑपरेटर के अनुरूप अवलोकन योग्य है $A$ असतत स्पेक्ट्रम (कार्यात्मक विश्लेषण) के साथ सामान्यीकृत तरंग फ़ंक्शन वाले सिस्टम में मापा जाता है $|\psi \rangle$ (ब्रा-केट नोटेशन देखें), फिर:

• मापा गया परिणाम आइगेनवैल्यूज़ एवं आइगेनवेक्टर्स में से एक होगा $\lambda$ का $A$, और
• किसी दिए गए स्वदेशी मान को मापने की संभावना $\lambda _{i}$ बराबर होगा $\langle \psi |P_{i}|\psi \rangle$, कहाँ $P_{i}$ के eigenspace पर प्रक्षेपण है $A$ तदनुसार $\lambda _{i}$.

(उस मामले में जहां का eigenspace $A$ तदनुसार $\lambda _{i}$ एक-आयामी है और सामान्यीकृत ईजेनवेक्टर द्वारा फैलाया गया है $|\lambda _{i}\rangle$, $P_{i}$ के बराबर है $|\lambda _{i}\rangle \langle \lambda _{i}|$, तो संभावना $\langle \psi |P_{i}|\psi \rangle$ के बराबर है $\langle \psi |\lambda _{i}\rangle \langle \lambda _{i}|\psi \rangle$. सम्मिश्र संख्या के बाद से $\langle \lambda _{i}|\psi \rangle$ संभाव्यता आयाम के रूप में जाना जाता है कि राज्य वेक्टर $|\psi \rangle$ eigenvector को असाइन करता है $|\lambda _{i}\rangle$, बोर्न नियम का वर्णन यह कहते हुए करना आम है कि संभाव्यता आयाम-वर्ग के बराबर है (वास्तव में आयाम अपने स्वयं के जटिल संयुग्म का समय है)। समान रूप से, संभाव्यता को इस प्रकार लिखा जा सकता है ${\big |}\langle \lambda _{i}|\psi \rangle {\big |}^{2}$.)

ऐसे मामले में जहां का स्पेक्ट्रम $A$ पूरी तरह से असतत नहीं है, वर्णक्रमीय प्रमेय एक निश्चित प्रक्षेपण-मूल्य माप के अस्तित्व को साबित करता है $Q$, का वर्णक्रमीय माप $A$. इस मामले में:

• संभावना है कि माप का परिणाम एक मापने योग्य सेट में निहित है $M$ द्वारा दिया गया है $\langle \psi |Q(M)|\psi \rangle$.

एक तरंग फ़ंक्शन $\psi$ अंतरिक्ष स्थिति में एकल संरचनाहीन कण के लिए $(x,y,z)$ तात्पर्य यह है कि संभाव्यता घनत्व फ़ंक्शन $p$ समय पर कणों की स्थिति की माप के लिए $t_{0}$ है:

$p(x,y,z,t_{0})=|\psi (x,y,z,t_{0})|^{2}.$

कुछ अनुप्रयोगों में, बॉर्न नियम के इस उपचार को POVM|पॉजिटिव-ऑपरेटर-वैल्यू उपायों का उपयोग करके सामान्यीकृत किया जाता है। पीओवीएम एक माप (गणित) है जिसका मान मैट्रिक्स की निश्चितता है | हिल्बर्ट स्थान पर सकारात्मक अर्ध-निश्चित ऑपरेटर। पीओवीएम वॉन न्यूमैन माप का एक सामान्यीकरण है और, तदनुसार, पीओवीएम द्वारा वर्णित क्वांटम माप स्व-सहायक वेधशालाओं द्वारा वर्णित क्वांटम माप का एक सामान्यीकरण है। मोटे तौर पर सादृश्य में, एक पीओवीएम एक पीवीएम के लिए वही है जो एक क्वांटम अवस्था#मिश्रित अवस्था एक क्वांटम अवस्था#शुद्ध अवस्था के लिए है। किसी बड़े सिस्टम के उपतंत्र की स्थिति को निर्दिष्ट करने के लिए मिश्रित अवस्थाओं की आवश्यकता होती है (क्वांटम अवस्था की शुद्धि देखें); समान रूप से, पीओवीएम एक बड़े सिस्टम पर किए गए प्रोजेक्टिव माप के सबसिस्टम पर प्रभाव का वर्णन करने के लिए आवश्यक हैं। पीओवीएम क्वांटम यांत्रिकी में सबसे सामान्य प्रकार का माप है और इसका उपयोग क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में भी किया जा सकता है। क्वांटम सूचना के क्षेत्र में इनका बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है।

सबसे सरल मामले में, परिमित-आयामी हिल्बर्ट स्थान पर कार्य करने वाले तत्वों की एक सीमित संख्या के साथ एक POVM, एक POVM एक मैट्रिक्स की निश्चितता का एक सेट है | सकारात्मक अर्ध-निश्चित मैट्रिक्स (गणित) $\{F_{i}\}$ हिल्बर्ट स्थान पर ${\mathcal {H}}$ पहचान मैट्रिक्स का योग,:

$\sum _{i=1}^{n}F_{i}=I.$

POVM तत्व $F_{i}$ माप परिणाम से जुड़ा है $i$, जैसे कि क्वांटम अवस्था पर माप करते समय इसे प्राप्त करने की संभावना $\rho$ द्वारा दिया गया है:

$p(i)=\operatorname {tr} (\rho F_{i}),$

कहाँ $\operatorname {tr}$ ट्रेस (रैखिक बीजगणित) ऑपरेटर है। यह बोर्न नियम का POVM संस्करण है। जब मापी जा रही क्वांटम अवस्था एक शुद्ध अवस्था होती है $|\psi \rangle$ यह सूत्र कम हो जाता है:

$p(i)=\operatorname {tr} {\big (}|\psi \rangle \langle \psi |F_{i}{\big )}=\langle \psi |F_{i}|\psi \rangle .$

बोर्न नियम, समय विकास संचालक के एकात्मक संचालक के साथ $e^{-i{\hat {H}}t}$ (या, समकक्ष, हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) ${\hat {H}}$ हर्मिटियन मैट्रिक्स होने के नाते, सिद्धांत की यूनिटेरिटी (भौतिकी) का तात्पर्य है, जिसे स्थिरता के लिए आवश्यक माना जाता है। उदाहरण के लिए, एकात्मकता यह सुनिश्चित करती है कि सभी संभावित परिणामों की संभावनाओं का योग 1 हो (हालाँकि यह इस विशेष आवश्यकता को प्राप्त करने के लिए क्वांटम चैनल है)).

इतिहास

बोर्न नियम 1926 के एक पेपर में बोर्न द्वारा तैयार किया गया था। इस पेपर में, बॉर्न एक प्रकीर्णन समस्या के लिए श्रोडिंगर समीकरण को हल करता है और, अल्बर्ट आइंस्टीन और आइंस्टीन के विचार प्रयोगों से प्रेरित होकर#पृष्ठभूमि: आइंस्टीन और क्वांटम|फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए आइंस्टीन का संभाव्य नियम, एक फ़ुटनोट में निष्कर्ष निकाला गया है कि बोर्न नियम समाधान की एकमात्र संभावित व्याख्या देता है। 1954 में, वाल्थर बोथे के साथ, बॉर्न को इस और अन्य कार्य के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।जॉन वॉन न्यूमैन ने अपनी 1932 की पुस्तक में बॉर्न के नियम में वर्णक्रमीय सिद्धांत के अनुप्रयोग पर चर्चा की।

अधिक बुनियादी सिद्धांतों से व्युत्पत्ति

ग्लीसन के प्रमेय से पता चलता है कि बोर्न नियम को क्वांटम भौतिकी में माप के सामान्य गणितीय प्रतिनिधित्व के साथ-साथ क्वांटम प्रासंगिकता | गैर-संदर्भ की धारणा से प्राप्त किया जा सकता है। एंड्रयू एम. ग्लीसन ने पहली बार 1957 में प्रमेय सिद्ध किया, जॉर्ज मैके|जॉर्ज डब्ल्यू मैके द्वारा पूछे गए एक प्रश्न से प्रेरित। यह प्रमेय ऐतिहासिक रूप से महत्वपूर्ण था क्योंकि इसने यह दिखाने में भूमिका निभाई कि छुपे-चर सिद्धांत की विस्तृत श्रेणियाँ|छिपे हुए-चर सिद्धांत क्वांटम भौतिकी के साथ असंगत हैं। कई अन्य शोधकर्ताओं ने भी बोर्न नियम को अधिक बुनियादी सिद्धांतों से प्राप्त करने का प्रयास किया है। अनेक जगतों की व्याख्या के संदर्भ में अनेक व्युत्पत्तियाँ प्रस्तावित की गई हैं। इनमें डेविड जर्मन द्वारा प्रवर्तित निर्णय-सिद्धांत दृष्टिकोण शामिल है और बाद में हिलेरी ग्रीव्स द्वारा विकसित किया गया और डेविड वालेस; और वोज्शिएच एच. ज़्यूरेक द्वारा एक प्रतिशोधात्मक दृष्टिकोण; हालाँकि, इन सबूतों की सर्कुलर के रूप में आलोचना की गई है। अभी हाल ही में, चार्ल्स सेबेंस और सीन एम. कैरोल द्वारा स्व-पता लगाने की अनिश्चितता पर आधारित एक दृष्टिकोण का सुझाव दिया गया है। यह भी दावा किया गया है कि पायलट-वेव सिद्धांत का उपयोग बोर्न नियम को सांख्यिकीय रूप से प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, हालांकि यह विवादास्पद बना हुआ है। कास्टनर का दावा है कि बोर्न नियम के लिए भौतिक स्पष्टीकरण देने में लेनदेन संबंधी व्याख्या अद्वितीय है। 2019 में, सैद्धांतिक भौतिकी के लिए परिधि संस्थान के लुईस मैसेन्स और थॉमस गैली और क्वांटम ऑप्टिक्स और क्वांटम सूचना संस्थान के मार्कस मुलर ने बोर्न नियम की व्युत्पत्ति प्रस्तुत की। हालाँकि उनका परिणाम ग्लीसन के प्रमेय के समान प्रारंभिक मान्यताओं का उपयोग नहीं करता है, यह हिल्बर्ट-स्पेस संरचना और एक प्रकार की संदर्भ स्वतंत्रता का अनुमान लगाता है। क्वांटम सिद्धांत की क्वांटम बायेसियनवाद व्याख्या के भीतर, बोर्न नियम को कुल संभाव्यता के मानक कानून के संशोधन के रूप में देखा जाता है, जो इसमें शामिल भौतिक प्रणाली के हिल्बर्ट अंतरिक्ष आयाम को ध्यान में रखता है। बोर्न नियम को प्राप्त करने की कोशिश करने के बजाय, जैसा कि क्वांटम यांत्रिकी की कई व्याख्याएं करती हैं, क्यूबीस्ट बोर्न नियम के सूत्रीकरण को आदिम मानते हैं और इससे जितना संभव हो उतना क्वांटम सिद्धांत प्राप्त करने का लक्ष्य रखते हैं।

बाहरी संबंध

• Quantum Mechanics Not in Jeopardy: Physicists Confirm a Decades-Old Key Principle Experimentally ScienceDaily (July 23, 2010)