رياضيات

عنصر المصفوفة

عنصر المصفوفة — من تشريح الصيغة
6 مقالات ذات صلة · 3 صيغ

الوصف

في ميكانيكا الكم، عنصر المصفوفة هو عدد مركب يحدد سعة الاحتمال لانتقال بين حالتين كموميتين تحت تأثير مؤثر. وهو كائن مركزي في نظرية الاضطراب، ونظرية التشتت، وحساب الكميات القابلة للرصد مثل معدلات الانتقال والمقاطع العرضية. يرمز عنصر المصفوفة إلى 'قوة' الاقتران بين الحالات، مثل تفاعل ذرة مع مجال كهرومغناطيسي أو اضمحلال جسيم.

التاريخ

طُوّر هذا المفهوم في أواخر العشرينيات من القرن الماضي على يد ماكس بورن وفيرنر هايزنبرغ وباسكوال جوردان كجزء من ميكانيكا المصفوفات، وهي أول صياغة كاملة لميكانيكا الكم. وقد أُدمج لاحقًا في ترميز ديراك للقوسين، وهو الترميز القياسي الآن.

كيف يعمل

رسميًا، يُكتب عنصر المصفوفة بالشكل ⟨ψ_f|Ô|ψ_i⟩، حيث |ψ_i⟩ و|ψ_f⟩ هما الحالتان الكموميتان الابتدائية والنهائية، وÔ مؤثر يمثل كمية فيزيائية أو تفاعلًا. تُحسب القيمة بتكامل حاصل ضرب المرافق العقدي للحالة النهائية، والمؤثر المؤثر على الحالة الابتدائية، على كامل فضاء التكوين. ويعطي مربع معامل عنصر المصفوفة احتمال الانتقال، والذي يُستخدم بعد ذلك في قاعدة فيرمي الذهبية لحساب المعدلات.

في التطبيق

تُستخدم عناصر المصفوفة لحساب معدلات اضمحلال الأنوية المشعة، والمقاطع العرضية للتشتت في فيزياء الجسيمات، وأطياف الامتصاص والانبعاث في الفيزياء الذرية والجزيئية.

حقيقة طريفة

في فيزياء الجسيمات، يُحسب عنصر المصفوفة لعملية مثل إفناء إلكترون-بوزيترون غالبًا باستخدام مخططات فاينمان، حيث يساهم كل مخطط بحد في عنصر المصفوفة الكلي.

Concept graph →

صيغ

$$A(\omega) = \sum_n |\langle n | \mathcal{O} | 0 \rangle|^2 \delta(\omega - (E_n - E_0))$$
Measures the probability of excitations at energy ω.
ما في الصيغة
A(ω)متغيرspectral function value at energy ω — spectral function
ωمتغيرenergy variable (frequency) — طاقة joule
nمتغيرindex labeling excited eigenstates
|n⟩متغيرexcited eigenstate of the system — الحالة الكمومية
|0⟩متغيرground state of the system — الحالة الكمومية
Oمتغيرoperator whose excitations are probed — operator
E_nمتغيرenergy of excited state n — طاقة joule
E_0متغيرenergy of ground state — طاقة joule
⟨n|O|0⟩مؤثرinner product of states with operator applied — عنصر المصفوفة
δ(...)مؤثرselects only contributions at exact energy difference — dirac delta
∑_nمؤثرadds contributions from all possible excitations — جمع
$$E_n \approx E_n^{(0)} + \sum_{m \neq n} \frac{|\langle m^{(0)} | H' | n^{(0)} \rangle|^2}{E_n^{(0)} - E_m^{(0)}}$$
Energy correction from summing over matrix elements divided by energy differences.
ما في الصيغة
E_nمتغيرPerturbed energy of state n — طاقة joule
E_n^{(0)}متغيرUnperturbed energy of state n — طاقة joule
E_m^{(0)}متغيرUnperturbed energy of state m — طاقة joule
H'متغيرPerturbation Hamiltonian — هاميلتوني joule
|n^{(0)}\rangleمتغيرUnperturbed state n — الحالة الكمومية
|m^{(0)}\rangleمتغيرUnperturbed state m — الحالة الكمومية
\sum_{m \neq n}مؤثرSum over all states m except n — جمع
\langle m^{(0)} | H'مؤثرMatrix element of perturbation between unperturbed states — عنصر المصفوفة
$$\Gamma_{i\to f} = \frac{2\pi}{\hbar} |\langle \psi_f | H' | \psi_i \rangle|^2 \rho(E_f)$$
Transition rate due to perturbation depends on matrix element and density of states.
ما في الصيغة
\Gamma_{i\to f}متغيرTransition rate from initial state i to final state f — transition rate per second
\psi_iمتغيرInitial quantum state — الدالة الموجية
\psi_fمتغيرFinal quantum state — الدالة الموجية
H'متغيرPerturbation Hamiltonian — perturbation hamiltonian joule
\rho(E_f)متغيرDensity of final states at energy E_f — كثافة الحالات per joule
\hbarثابتReduced Planck constant, relating energy to angular frequency — ثابت بلانك المخفض = 1.054571817e-34 joule second
\langle \psi_f | H' مؤثرMatrix element of the perturbation between initial and final states — عنصر المصفوفة

مقالات ذات صلة · 6

كيف يحافظ حزمة الإلكترونات على بنيتها الدوامية في المسرع الحلقي
في المسرع الحلقي، يندفع حزمة الإلكترونات على مسار مغلق ملايين المرات. إذا كانت الإلكترونات ملتوية مثل خيوط الحبل، فإن حركتها الدوامية — الزخم الزاوي المداري — يجب أن تُحفظ. لكن في طريق الحزمة توجد صدمات عشوائية من مغناطيسات غير كاملة قد تدمر هذه البنية. وصف العلماء كيف تتغير الحركة الدوامية تحت تأثير هذه الاضطرابات — تذبذبات المجال المغناطيسي.
كيف تختبئ التناظرية في سلسلة السبينات
تشبه سلسلة السبينات الكمومية زينة عيد الميلاد حيث تكون المصابيح هي سبينات الجسيمات. في الحالة المثالية، تتوهج جميع المصابيح بشكل متزامن، خاضعة لإيقاع مشترك — وهذا هو التناظر. لكن إذا قطعت جزءًا من الزينة، فقد يختل الإيقاع: داخل الجزء المقطوع، ينكسر التناظر. يدرس الفيزيائيون سلسلة من الجسيمات ذات التفاعل القوي — نموذج XYZ.
التفاعلات النووية على الحاسوب الكمومي
عندما يصطدم نواتان ذريتان، تعتمد النتيجة على طاقتهما وزاوية تبعثر الشظايا. عادةً ما تتطلب مثل هذه الحسابات قوى حاسوبية هائلة، وتظل الدقة محدودة بالتقريبات. يقترح المؤلفون مسارًا مختلفًا: نقل المسألة إلى حاسوب كمومي، الذي يصف ميكانيكا الكم بشكل طبيعي. الفكرة بسيطة مثل لعبة البلياردو. الحالة الابتدائية هي «كرتان» (حزم موجية) تتجهان نحو بعضهما.
وصفة كمومية للمزج المثالي: طيف التشابك في الأنظمة الفوضوية
حدد الفيزيائيون قوانين كمية دقيقة تحكم نمو التشابك الكمومي في الأنظمة الفوضوية. في نموذج نظري يخضع فيه النظام لنَبضات دورية — مثلما يعجن الطاهي العجين بإيقاع منتظم — تتبع الباحثون تطور إنتروبيا التشابك، وهو مقياس الاضطراب الكمومي.
الروليت الكمومي: كيف تقيس بدقة أكبر بخداع الفوضى
تشبه المستشعرات الكمومية أوركسترا يعزف فيها الموسيقيون بتناغم: فحالاتها المتشابكة تتيح التقاط إشارات لا تستطيع الأدوات التقليدية الوصول إليها. ولكن بمجرد البدء في تراكم الإشارة، فإن التفاعل غير الخطي — وكأنه قائد أوركسترا يبدأ فجأة في القيادة بشكل غير منسق — يفسد الموسيقى كلها. عادةً ما يحاولون كتمه، لكن ذلك صعب ومكلف.
كيف نقيس بدقة ما يصعب الإمساك به
النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الإمساك. كل ثانية، تمر تريليونات النيوترينوات القادمة من الشمس عبر جسمك، لكنك لا تلاحظ ذلك: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة. لالتقاط ولو واحد منها، يبني الفيزيائيون كواشف ضخمة — أحواضًا من الماء أو الأرجون السائل في أعماق الأرض. عندما يصطدم نيوترينو بنواة ذرة، فإنه يقتلع منها جسيمًا، ومن أثر هذا الجسيم يمكن فهم ما حدث.