Teorema de Ehrenfest

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El teorema de Ehrenfest es un teorema empleado en mecánica cuántica que relaciona la derivada temporal del valor esperado de un operador con el valor esperado del conmutador de tal operador con el hamiltoniano.

El teorema fue enunciado en 1927 por el físico austriaco Paul Ehrenfest (1880–1933).

Enunciado del teorema[editar]

Sea A un operador lineal H el operador hamiltoniano del sistema y  \Psi una función de onda, se tiene entonces que:

\frac{d}{dt}\langle A \rangle=-\frac{i}{\hbar}\langle[A,H]\rangle

siendo  \langle A \rangle=\langle \Psi |A|\Psi \rangle\qquad \langle [A,H] \rangle=\langle \Psi |[A,H]\Psi \rangle\qquad [A,H]=AH-HA

En caso de que A dependa del tiempo la expresión queda:

\frac{d}{dt}\langle A \rangle=-\frac{i}{\hbar}\langle[A,H]\rangle+\langle\frac{\partial A}{\partial t}\rangle.

A veces A no depende explícitamente del tiempo. En este caso el último término resulta nulo.

Demostración[editar]

Sea A un operador lineal, la derivada temporal de su valor esperado será:


\frac{d}{dt}\langle \Psi |A \Psi \rangle=\frac{d}{dt}\int_{\mathbb R^3}\Psi^*A\Psi d^3  \mathbf r=\int_{\mathbb R^3}\frac{\partial \Psi^*}{\partial t}A\Psi d^3  \mathbf r+\int_{\mathbb R^3}\Psi^*A\frac{\partial \Psi}{\partial t} d^3  \mathbf r+\int_{\mathbb R^3}\Psi^*\frac{\partial A}{\partial t} \Psi d^3  \mathbf r=\langle \frac{\partial \Psi}{\partial t} | A \Psi \rangle+\langle \Psi |A\frac{\partial \Psi}{\partial t}\rangle+\langle \Psi |\frac{\partial A}{\partial t}\Psi\rangle

Dado que la función de ondas cumple la ecuación de Schrödinger se tiene que:

i\hbar\frac{\partial \Psi}{\partial t}=H\Psi

Sustituyendo la derivada temporal por la acción del operador hamiltoniano y empleando la hermiticidad de este último tenemos que:


\frac{d}{dt}\langle \Psi |A \Psi \rangle-\langle \Psi |\frac{\partial A}{\partial t}\Psi\rangle=\langle \frac{\partial \Psi}{\partial t} | A \Psi \rangle+\langle \Psi |A\frac{\partial \Psi}{\partial t}\rangle=\frac{i}{\hbar}\langle H\Psi | A \Psi \rangle-\frac{i}{\hbar}\langle \Psi |AH\Psi\rangle=-\frac{i}{\hbar}\langle\Psi|[A,H]\Psi\rangle

O expresado en forma más compacta:

\frac{d}{dt}\langle A \rangle=-\frac{i}{\hbar}\langle[A,H]\rangle+\langle \frac{\partial A}{\partial t}\rangle

Aplicaciones[editar]

Relación entre momento y velocidad[editar]

Tomando A=x y teniendo en cuenta que:

 [x,H]=[x,\frac{p^2}{2m}+V]=[x,\frac{p^2}{2m}]=\frac{ip\hbar}{m}

Se tiene que:

\frac{d\langle x \rangle}{dt}=\frac{\langle p \rangle}{m}

Leyes de Newton[editar]

Tomando A=p y teniendo en cuenta que:

[p,H]=[p,\frac{p^2}{2m}+V]=[p,V]=-i\hbar\nabla V

se tiene que:

\frac{d \langle p \rangle}{dt}=-\nabla V=F

Conservación de la energía[editar]

Si el operador hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo puede tomarse A=H y se tiene que:

\frac{d\langle H \rangle}{dt}=-\frac{i}{\hbar}[H,H]=0

Identificando el hamiltoniano con la energía del sistema se tiene:

\langle H \rangle=E=\mathrm{cte}

Es decir, cuando el hamiltoniano del sistema no depende explícitamente del tiempo, el valor esperado del hamiltoniano se conserva.

Fuentes[editar]

  • Paul und Tatjana Ehrenfest: Begriffliche Grundlagen der statistischen Auffassung in der Mechanik. In: Enzyklopädie der Mathematischen Wissenschaften. 1909, 1911 (online).
  • Paul Ehrenfest: Welche Züge der Lichtquantenhypothese spielen in der Theorie der Wärmestrahlung eine wesentliche Rolle? In: Annalen der Physik. Serie 4, Band 36, Nr. 11, 1911, S. 91–118.