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Ecuación de Schrödinger Números complejos
Ep546: Cafeína; Cuántica y Números Complejos; Altruismo y Ética; Supernova
19 de febrero de 202614 momentos
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Héctor Socas explica que la ecuación de Schrödinger ya integra números reales y complejos, y que la función de onda resultante también es compleja.
…como el de hoy es porque se va justamente a enseñarle números complejos a sus estudiantes. Así que todo esto lo podrías estar explicando tú mejor que yo, pero entonces yo no tendría nada que decir; así que explico yo esta parte introductoria y ya está. ¿Y qué pasa? Que esto es muy útil en física; hay muchos problemas que se resuelven gracias a todos los trucos y todas las herramientas de cálculo que hemos aprendido para trabajar con los números complejos y en muchos ámbitos de la física, típicamente en electricidad, por ejemplo, para estudiar transitorios, para estudiar circuitos con corriente alterna, viene muy bien; pero al final uno termina volviendo al plano real con sus resultados después de haberse ido al mundo complejo para hacer los cálculos intermedios. Entonces son como una herramienta que permite facilitar muchos cálculos y trabajar y resolver muchos problemas. y aquí es donde entra la mecánica cuántica, resulta que las formulaciones que se hicieron de la mecánica cuántica desde el principio si pensamos en la ecuación de Schrodinger vemos que en una parte está el hamiltoniano y en otra parte está la derivada del vector de estado pero hay una i multiplicando a i, esa i es la unidad imaginaria. La ecuación de Schrodinger ya tiene una mezcla de números reales y complejos. La función de onda de la ecuación de Schrodinger es una función compleja. Las formulaciones de la mecánica cuántica, tanto la de la matricial como la de Brass y Ketz funcionan con coeficientes complejos O sea, está como, todas las formulaciones que se hicieron de la mecánica cuántica originalmente se hacían con números complejos Aunque luego al final, todos los resultados que se obtienen cuando tú calculas una probabilidad de medida son probabilidades, son reales porque al final es el módulo al cuadrado de los coeficientes y eso es un número real. Entonces al final tú te quedas con números reales pero todo el cálculo subyacente es con complejos. Entonces, está un poco la duda, existió de ahí siempre sobre si el uso de números complejos es algo fundamental en la mecánica cuántica o es simplemente algo que nos facilita el cálculo; porque uno puede, como yo decía antes, un número complejo lo puede sustituir por un par de números reales, puede considerarlo como un vector y de hecho todas estas formulaciones se pueden hacer si uno sustituye esa álgebra compleja por operaciones en un espacio vectorial de dimensión el doble de la dimensión del original, con números reales. Entonces, bueno, parecía que como que no era muy fundamental, sino más bien lo de la facilidad de cálculo. Pero ese debate siempre había estado un poco como ahí de fondo, ¿no? Porque además esto se presta mucho a la mística esta de la mecánica cuántica, ¿no?…
Significado #1 · Palabras #1
Héctor Socas introduce el tema de los números complejos y su origen histórico en matemáticas.
Habla: Héctor SocasPalabras #9números complejos en mecánica cuánticaconversación extensa números complejoshéctór socas introducción números complejosnúmeros complejos en matemáticas siglo xviiecuaciones algebraicas polinomios siglo xviiisolución a ecuaciones algebraicas…Gastón se nos suma para la cara B, es doctor en ciencias físicas y profesor en la Universidad de Nueva York. Y vamos a ir rapidito porque José anda con un poco de prisa y yo quiero aprovechar que los tengo aquí a todo el comité cuántico de Coffee Break. Bueno, para sacar un tema que la verdad es que yo llevaba tiempo que lo quería traer, pero bueno, entre una cosa y otra y que además supongo que es algo que va a dar para bastante conversación o quizás no; quizás me sorprende y esto se despacha en cinco minutos, pero estas cosas a veces suelen dar para bastante conversación y quería pues tener algún día que tuviéramos un slot bastante largo para dedicarle, ¿no? Y es sobre como yo adelantaba en la introducción el papel que juegan los números complejos en la mecánica cuántica. Si me permiten que haga una pequeña introducción para los oyentes antes de que me imagino que ustedes vayan a llevar el nivel a un nivel que a lo mejor ni yo lo pueda seguir, pero por lo menos por introducir cuál es el problema del que vamos a hablar; resulta que hay una... Bueno, vamos a empezar por los números complejos, ¿no? Saben que los números complejos se introducen en matemáticas porque creo que es en el siglo XVII, de hecho, o XVIII por ahí históricamente, como una forma de resolver o de dar solución a las ecuaciones algebraicas, que resulta que muchas de ellas, ecuaciones algebraicas son las que son con polinomios. Tiene un polinomio igual a cero, con sus coeficientes; polinomio de x elevado a una cierta potencia con un coeficiente, tal, tal, tal, igualado a cero. De forma general, un polinomio igual a cero, eso es una ecuación algebraica. Pues resulta que aunque todos…
Héctor Socas explica cómo los números complejos son una extensión más general de los números reales, permitiendo resolver ecuaciones algebraicas que no tienen solución en el dominio real.
Habla: Héctor SocasSignificado #15 · Palabras #6números complejos extensión números realesecuaciones algebraicas con números complejosdominio de números complejosnúmeros complejos para ecuaciones algebraicasraíz cuadrada de menos 1…tú estás pensando en el dominio de los reales, hay ecuaciones algebraicas muy sencillas que no tienen una solución real; típicamente pues x cuadrado más 1 igual a cero, x cuadrado igual a menos 1. No existe ningún número real que satisfaga esa ecuación, ¿no? Entonces, se introducen los números complejos como una no una extensión, como algo más general que los números reales, que sí que, dentro del dominio de los números complejos, cualquier ecuación algebraica en la que se usen números complejos para los coeficientes y se considera el dominio de los números complejos, tiene. una solución que está dentro de los números complejos. Entonces nos quedamos más satisfechos porque el resultado se queda ahí dentro. ¿Y qué son los números complejos? Pues decía yo, la ecuación está x cuadrado igual a menos 1, sabemos que el menos 1 no tiene una raíz cuadrada, no hay ningún número real que multiplicado por sí mismo de menos 1, no hay ningún número real que cumpla eso. entonces uno puede decir, bueno, imaginemos que hay un número que no es real, lo llamamos imaginario, por lo que sea, pues un número imaginario tal que al multiplicarlo por sí mismo de menos uno ese número no está entre los reales pero vamos a suponer que…
Héctor Socas explica que la ecuación de Schrödinger ya integra números reales y complejos, y que la función de onda resultante también es compleja.
Habla: Héctor SocasSignificado #1 · Palabras #1números complejos en físicacircuitos con corriente alternatransitorios en electricidadplano real resultados físicosecuación de schrödinger en realesunidad imaginaria en mecánica cuánticahamiltoniano en ecuación de schrödingerecuación de schrödinger números complejosfunción de onda ecuación de schrödingercoeficientes complejos mecánica cuánticaprobabilidades reales módulo al cuadradonúmeros complejos en mecánica cuánticasustitución de números complejos por realesespacio vectorial de dimensión dobleálgebra compleja y operaciones vectoriales…como el de hoy es porque se va justamente a enseñarle números complejos a sus estudiantes. Así que todo esto lo podrías estar explicando tú mejor que yo, pero entonces yo no tendría nada que decir; así que explico yo esta parte introductoria y ya está. ¿Y qué pasa? Que esto es muy útil en física; hay muchos problemas que se resuelven gracias a todos los trucos y todas las herramientas de cálculo que hemos aprendido para trabajar con los números complejos y en muchos ámbitos de la física, típicamente en electricidad, por ejemplo, para estudiar transitorios, para estudiar circuitos con corriente alterna, viene muy bien; pero al final uno termina volviendo al plano real con sus resultados después de haberse ido al mundo complejo para hacer los cálculos intermedios. Entonces son como una herramienta que permite facilitar muchos cálculos y trabajar y resolver muchos problemas. y aquí es donde entra la mecánica cuántica, resulta que las formulaciones que se hicieron de la mecánica cuántica desde el principio si pensamos en la ecuación de Schrodinger vemos que en una parte está el hamiltoniano y en otra parte está la derivada del vector de estado pero hay una i multiplicando a i, esa i es la unidad imaginaria. La ecuación de Schrodinger ya tiene una mezcla de números reales y complejos. La función de onda de la ecuación de Schrodinger es una función compleja. Las formulaciones de la mecánica cuántica, tanto la de la matricial como la de Brass y Ketz funcionan con coeficientes complejos O sea, está como, todas las formulaciones que se hicieron de la mecánica cuántica originalmente se hacían con números complejos Aunque luego al final, todos los resultados que se obtienen cuando tú calculas una probabilidad de medida son probabilidades, son reales porque al final es el módulo al cuadrado de los coeficientes y eso es un número real. Entonces al final tú te quedas con números reales pero todo el cálculo subyacente es con complejos. Entonces, está un poco la duda, existió de ahí siempre sobre si el uso de números complejos es algo fundamental en la mecánica cuántica o es simplemente algo que nos facilita el cálculo; porque uno puede, como yo decía antes, un número complejo lo puede sustituir por un par de números reales, puede considerarlo como un vector y de hecho todas estas formulaciones se pueden hacer si uno sustituye esa álgebra compleja por operaciones en un espacio vectorial de dimensión el doble de la dimensión del original, con números reales. Entonces, bueno, parecía que como que no era muy fundamental, sino más bien lo de la facilidad de cálculo. Pero ese debate siempre había estado un poco como ahí de fondo, ¿no? Porque además esto se presta mucho a la mística esta de la mecánica cuántica, ¿no?…
Héctor Socas introduce un debate legítimo sobre la necesidad de números complejos en mecánica cuántica, refiriéndose a un artículo publicado en Nature en 2021.
Habla: Héctor SocasSignificado #17artículo nature miguel navasquezmecanica cuántica formulación complejaequivalente real doble dimensiónnúmeros complejos fundamentales mecánica cuántica…mucho a la mística esta de la mecánica cuántica, ¿no? Porque ya cuando hablamos de que no se necesitan números imaginarios, el lenguaje también entra dentro de la narrativa esta que populariza a veces la mecánica cuántica como algo un poco esotérico, ¿no? pero bueno, aparte de eso, ciñándonos a lo más físico, sí que existe un cierto debate legítimo y en 2021 salió un artículo en Nature que fue bastante importante y además que uno de los autores, bueno de hecho, el autor de correspondencia se llama Miguel Navasquez, es español y algunas de las afiliaciones son de Barcelona, también de Austria y de Suiza pero este artículo en 2021 llegaba a la conclusión planteando lo típico, una serie de experimentos mentales de que hay situaciones en las que no se puede reproducir lo que te da la mecánica cuántica en su formulación compleja utilizando un equivalente real con el doble de dimensión y eso indicaría que realmente los números complejos son algo fundamental en la mecánica cuántica, o sea que hay cosas que no se pueden, que no da el mismo resultado, digamos una teoría real, una teoría basada en números reales que la teoría de números complejos. Y resulta que a finales del año pasado salieron un par de artículos; además, uno de ellos también liderado como primer autor, tenía también un investigador español que se llama Pedro Barrios Ita y estos dos artículos que responden al artículo 2021 diciendo lo…
José Edelstein continúa la discusión sobre el uso de números complejos en física cuántica, ejemplificando con la solución a ecuaciones sin respuesta como hizo Girolamo Cardano en el siglo XVI.
Habla: José EdelsteinPalabras #16girolamo cardano siglo xvinúmero complejo elevado al cuadradocuerpo de números complejosfunciones derivadas integrales ciencia…yo arranco comentando, como tú lo dijiste, que la ecuación X cuadrado más 1 igual a 0 es una ecuación insultantemente simple y entonces el hecho de que no tenga solución nos enfrenta a dos posibilidades, o resignarnos y decir, pues, ¿qué le vamos a hacer? La vida es así de cruel, o lo que hizo Girolamo Cardano en el siglo XVI, que fue decir: pues, venga, si no la hay, la pongo yo, la creo yo. Y es un número que se llama i, que elevado al cuadrado a menos uno y luego cuando uno empieza con ese número a preguntarse ¿puedo multiplicar ese número por un número real? ¿Puedo sumarlo a un número real? Y uno empieza a jugar algebraicamente con eso, se da cuenta de que los números complejos estructuran algo que se llama cuerpo, que tiene una serie de propiedades: suma, multiplicación, inverso, elemento neutro, bueno, exactamente igual que los números reales y por lo tanto cuando uno aprende funciones derivadas integrales, todo lo que uno aprende en una carrera científica o técnica. Si uno va a la primera clase o segunda clase de esas materias, de la materia en la cual uno aprende a derivar, a integrar, etcétera, análisis, uno ve que lo que necesita para poder desarrollar un análisis es un cuerpo, por lo tanto automáticamente quedas…
José Edelstein argumenta que los números reales son una simplificación de los números complejos, comparándolos con cómo los números naturales son una sombra de los números reales.
Habla: José EdelsteinSignificado #19 · Palabras #13números reales sombra de números complejosecuación algebraica con números complejos…complejos tienen una estructura como cuerpo mucho más noble, por así decirlo, que los números reales; cuando uno lo aprende, y yo digo esto en clase, si uno tiene una mentalidad un poco matemática en la cual sospecha que el universo se va a aprovechar de Aquellas cosas que son elegantes y robustas uno no tiene ninguna, yo diría; acá puede ser que, no sé si, creo que ni Gastón ni Francis se van a oponer a esto, pero que la matemática está, la realidad está escrita en números complejos, o sea los números reales son una sombra de números complejos, como los números naturales son una sombra de números reales, pero los números complejos son, no solo permiten resolver cualquier ecuación algebraica como bien decías, sino que además son la forma en la cual se escribe naturalmente todo prácticamente. Dicho esto y perdón que me alargo, pero es que como me voy a ir, digo. Todo bien. Alárgate todo lo que quieras. Largo todo mi rollo. Dicho esto, uno siempre puede deshacer todo y duplicando las dimensiones, sí es cierto. Pero es cierto que a medida que uno va avanzando en el tipo de operaciones que uno va realizando, cada vez es…
José Edelstein explica cómo el físico Stuckelberger argumentaba que es posible deshacer la notación compleja de la ecuación de Schrödinger utilizando matrices de números reales.
Habla: José EdelsteinSignificado #4 · Palabras #4ecuación de schrödinger en realesstuckelberger y notación complejamatriz 2x2 de números realesconclusiones erróneas con reales…por ejemplo, eso es importante, previo al trabajo de John Stewart Bell y a la identificación del entrelazamiento y a la identificación de todo lo que la mecánica cuántica encierra cuando uno hace no observaciones en un único sistema, sino en dos sistemas. Que estuvieran en contacto previo, que eso es un salto conceptual importante de la mecánica cuántica. Pero bueno, Stuckelberger básicamente argumenta que uno puede deshacer toda la notación compleja de la ecuación de Schrödinger: o sea, en lugar de poner el i delante de la ecuación lo que haces es poner una matriz 2x2 de números reales que elevada al cuadrado menos 1 y entonces duplica las dimensiones del espacio. A ver, y si tú haces eso y consistentemente cada vez que tienes que decidir cómo lo haces miras el cálculo de la mecánica cuántica y lo adaptas para que te dé lo mismo, lo vas a poder hacer, pero eso mucha gracia no tiene porque creo yo en mi opinión: porque en realidad si tú dices vamos a fiarnos de los números reales, empiezas a llegar a conclusiones erróneas muy rápidamente. Pongo un ejemplo muy simple, que es un qubit, la unidad mínima de información que guarda un sistema complejo, algo que tiene dos valores, como el 0-1 binario, pero que todos han escuchado hablar que en la mecánica cuántica uno puede tener una superposición…
José Edelstein argumenta sobre la utilidad de un trabajo de Stuckelberger relacionado con la ecuación de Schrödinger y cómo este implica reescribir conceptos en un lenguaje más abstracto.
Habla: José EdelsteinPalabras #11ecuación de schrödinger y variables complejasqubit con cuatro grados de libertadreescribir conceptos en lenguaje abstracto gastoniano…tiene cuatro grados de libertad, dos qubits independientes, bueno tienen ocho, porque son cuatro más cuatro ocho, que en el fondo es multiplicar por dos los dos que tiene cada qubit, dos por dos cuatro, pero como es un número complejo lo duplico y me da ocho. Si uno arranca de entrada con variable real y diciendo que el qubit tiene 4 grados de libertad, cuando pongo 2 qubits lo que te lleva naturalmente es decir 4x4 es 16, que no es el número real de los grados de libertad. Claro, si uno ya sabe que no te tiene que dar 16 sino que te tiene que dar 8, empiezas a meter aclaraciones para tratar de reconciliarte con la situación compleja. Entonces yo creo que en cierto sentido lo que Stuckelberger hizo no me parece que tenga demasiado interés en el sentido de que es reescribir algo en un lenguaje mucho más, voy a usar un término gastoniano, abstruso; en el cual en el fondo cada vez que quieres hacer cualquier deducción tienes que en un costadito hacerlo en variable compleja para saber exactamente qué tienes que hacer, si no empiezas a llegar a conclusiones erróneas. Lo que este Paper ha dicho todo esto. Lo que este paper hace. Perdona, ¿estás argumentando que reescribir la cuántica en números reales la hace más compleja? Pero un psh. Bueno, ahí faltó el... Tiene que ponerle un audio ahí del golpe de batería. Que recuerde que es un…
Gastón Giribet explica que el uso de números complejos es fundamental para describir fenómenos cuánticos y aclara que no se trata de una preferencia personal, sino de una cuestión práctica relacionada con la eficiencia y compatibilidad con los experimentos.
Habla: Gastón GiribetSignificado #2 · Palabras #3ecuación de schrödinger en realesschrödinger y su ecuación complejanúmeros complejos en física cuántica…al cuadrado que lo traigo de afuera. Bueno, claro, si empezás a poner demasiada estructura de afuera, sí, podés hacer casi cualquier estupidez. Pero la pregunta es: ¿cuál es la forma más natural, más escueta, compatible con los experimentos de describir esto? Es con números complejos, no reales; complejos no necesariamente reales. Ahora también es importante entender de dónde surge la pregunta, que es muy natural y que de hecho desveló a los padres de la mecánica cuántica. El mismo Schrödinger intentó escribir su ecuación en términos de dos ecuaciones reales: ¿le molestaban los números complejos? No, le molestaba la necesidad de ellos. ¿Y por qué? Porque la física tiene tres instancias, tres relaciones con los números complejos. Todos los resultados de la física, los resultados observables, son números reales; porque vienen en términos de probabilidades, incluso en la cuántica. Cuando yo digo, a ver,…
Gastón Giribet explica cómo se utilizan los números complejos en la mecánica cuántica para obtener resultados reales, destacando su importancia más allá de ser simplemente una herramienta conveniente.
Habla: Gastón GiribetSignificado #10números complejos en mecánica cuánticafunción de onda compleja integradaresultados reales desde números complejoscomodidad física de números complejos…intermedios para llegar a él no hayan demandado, no solamente podido ser posible, sino exigido el cálculo a través de números que son complejos; porque en mecánica cuántica, cuando uno calcula la probabilidad, que repito, siempre va a ser un número real y Positivo, primero eleva al cuadrado una función de onda que es complejo y la integra en todo el espacio. Entonces, necesitó el número complejo para producir ese número real. ¿Y por qué es importante esto? Porque los números complejos hasta la mecánica cuántica habían sido para los físicos solamente una comodidad, lo que es una incomodidad para el estudiante, pero para el físico es una comodidad, por ejemplo cuando uno resuelve circuitos eléctricos. Muchas veces para no andar trabajando con senos y cosenos que son molestos, uno escribe la corriente como si fuera un número complejo. Obviamente, la corriente no es un número complejo; son un montón de electrones pasando por un cable, pero la escribe como…
Gastón Giribet explica que los números complejos son fundamentales en diversos campos de la física, desde la óptica hasta la electricidad, y que su uso va más allá de una simple comodidad de cálculo, siendo incluso una exigencia del formalismo en mecánica cuántica.
Habla: Gastón GiribetSignificado #5números complejos en físicaformalismo en mecánica cuánticaresonancia sistema simple mecánica…la difracción o la interferencia, con exponenciales complejas. Es mucho más cómodo porque usar cosenos y senos hay que acordarse que el seno de A más B es igual al coseno. Puede hacerlo pero es mucho más fácil. A último momento uno toma la parte real de todo. Entonces, en la física los números complejos son ubicuos, o sea, están en la óptica, en la electricidad, en un montón de cosas. Ahora, es más cuando calcula resonancia el sistema simple de mecánica, pero al final del día uno siempre entendía que era una comodidad de cálculo. Ahora, mecánica cuántica es más que una comodidad de cálculo, es una exigencia del formalismo. Bueno, eso es lo que se pone en tela de juicio. Al menos la pregunta. Es natural, porque es la primera vez que necesito y no me siento cómodo con esta estructura. Bueno, todo parece indicar que los números complejos son, en ese sentido, necesarios. Cuando se discute en esto, me recuerdo un artículo de Cuanta del 2023 que hacía…
José Edelstein reflexiona sobre las discusiones relacionadas con la física cuántica, mencionando el uso de la ecuación de Schrödinger y simulaciones por ordenador.
Habla: José EdelsteinSignificado #12 · Palabras #10ecuación de schrödinger en simulacionesformulaciones de física cuántica inicialesmecánica cuántica según feynman…reales y no aparecen, no se cuelan, es como si hubiera un código de máquina y luego lo que podemos ver que no es exactamente el mismo código de máquina. a mí eso me parece mucho más cercano a algo que me resulta misterioso que a los números complejos a La duda, o sea, pensemos que además no solo cuando la gente hace este tipo de disquisiciones sobre la cuántica agarra la ecuación de Schrödinger o agarra, no sé, el computador; las formulaciones de la mecánica cuántica no relativista iniciales y juega con eso, hace jueguitos con eso, pero es que luego la mecánica cuántica tiene la formulación de Feynman que funciona, que en ese sentido es correcta, y que no sé, escribir la. Integral de Feynman sin números complejos, retorciendo todo seguramente es posible, pero es muy antinatural; y luego recordemos que cuando uno incluye una ley de la naturaleza como es la relatividad, o sea que la mecánica cuántica tiene que ser relativista…
José Edelstein reflexiona sobre la imposibilidad de evitar el uso de números complejos en la teoría cuántica de campos, incluso si se intenta, lo que implicaría recurrir a matrices con propiedades inusuales.
Habla: José EdelsteinSignificado #7números complejos en teoría cuánticamatriz al cuadrado menos unouniverso escrito en números complejos…ser relativista para que tenga su teoría coherente consigo misma, te ves obligado al final ir a la teoría cuántica de Campos. En cierto sentido es la teoría fundamental detrás de todo esto; pues vete a hacer tu teoría cuántica de Campos sin números complejos. O sea, nuevamente, seguramente agarrando un libro de teoría cuántica de Campos y con toda la paciencia del mundo, paso a paso, retorciendo todo para no meterla ahí, pero a costa de meter una matriz que al cuadrado da menos uno. O sea, los números complejos son... ¿Dios escribió el universo en números complejos? Se tienen que ir, José y Luisa. Me voy a hablar de este tema. Me voy a hablar de números complejos. Ahora voy a ir; van a estar todos los estudiantes diciéndome: ¿Para qué nos enseñas esto que es prescindible? Hay un paper 2024 que lo dice. Diles que te…
Héctor Socas y Gastón Giribet discuten la posibilidad de formular una física cuántica basada en números reales, contrastándola con el uso de números complejos.
Habla: Héctor SocasSignificado #14física cuántica basada en realescuántica real sosa aburrida feanúmeros complejos en física…con esas dos materias. Bueno, perdón por este... Yo diría teoría de grupos, pero será porque no sé suficiente relatividad. Teoría de grupos es una teoría de grupos, pero también tiene mucho de geometría y mucha relación con los números complejos también. Bueno, entonces la conclusión viene a ser algo así como que existe quizás formas de formular una cuántica real, pero es sosa, aburrida y fea. ¿La realidad será compleja o no será? Innecesariamente complicada, sí. ¿Ya los números son complejos o para hacerlo más complicado? Por ejemplo, no sé si lo sabéis, bueno, supongo que lo sabréis. Existen interpretaciones de la mecánica clásica y una de ellas es la interpretación que asume que los números en la mecánica no pueden ser reales, porque los números reales no existen. Los números reales no existen, ni siquiera los podemos calcular; entonces…