Cuantizar no consiste en cambiar cada punto clásico por un número. Se quiere pasar de un espacio de fases con observables a un espacio de estados con operadores. La geometría ayuda a organizar esa construcción, pero hay elecciones. Separaremos el test de existencia de una línea, la reducción por polarización y el recuento final de estados.
Si necesitas repasar:
1. Separar estados clásicos, estados cuánticos y observables
En mecánica clásica un estado es un punto de una variedad simpléctica (M, ω). Un observable es una función real f sobre M. Por ejemplo, en el plano de fase un estado tiene una posición q y un momento p, y la energía es una función H(q, p).
En un modelo cuántico un estado puro es un rayo de un espacio de Hilbert: vectores no nulos que difieren por un escalar complejo no nulo representan el mismo rayo. Los observables se describen por operadores con propiedades y dominios adecuados. Un punto clásico y una función de onda no son objetos del mismo tipo.
Leer una energía clásica en un estado
H(q, p)=(q²+p²)/2 y estado (1,2).
Datos
q=1, p=2.Evaluar
H(1,2)=(1+4)/2=5/2.Tipo de objeto
El punto es el estado; 5/2 es el valor del observable H en él.
La energía no es un segundo nombre para el estado.
Hay otros puntos del círculo q²+p²=5 que tienen el mismo valor.
Dos vectores pueden representar un solo rayo
En C², v=(1,0) y w=(2i,0).
Escalar
w=(2i)v y 2i≠0.Rayo
Ambos generan la misma recta compleja.
Otro caso
u=(0,1) no es múltiplo de v y define otro rayo.
Contar vectores no es contar estados puros distintos.
Normalizar v y w conserva una diferencia de fase, que no cambia su rayo.
2. La pre-cuantización exige una línea con curvatura fijada
Elegimos ℏ>0 y buscamos una línea hermítica L con conexión unitaria ∇.
La curvatura de una conexión unitaria es imaginaria. Con nuestra convención de Chern, .
El factor 2π y ℏ importan. Localmente se puede elegir un potencial real para ω y construir una conexión; globalmente hacen falta transiciones coherentes entre esas referencias. Cambiar la convención de signo requiere ajustar conjuntamente conexión, campo hamiltoniano y operadores.
Comprobar una conexión en el plano de fase
ω=dq∧dp y ∇=d+(i/ℏ)p dq en la línea trivial.
Derivar el potencial
d(p dq)=dp∧dq=−dq∧dp.Curvatura
En una línea F=dA porque A∧A=0; F=(i/ℏ)dp∧dq.Comparar
F=−iω/ℏ, el signo y el factor exigidos.
En el plano la línea trivial permite una conexión explícita de esa curvatura.
No se cambia dp∧dq por dq∧dp sin introducir el signo menos.
Leer la clase normalizada desde F
F=−iω/ℏ.
Multiplicar por i
iF=i(−i)ω/ℏ=ω/ℏ.Dividir
iF/(2π)=ω/(2πℏ).Interpretar
Esta es la clase real que debe proceder de una clase de Chern integral.
La condición pertenece a una clase global, no al valor puntual de un coeficiente.
i·(−i)=1 es el signo que evita obtener la clase dual por error.
3. Un período no entero impide pegar los datos globales
El teorema de pre-cuantización afirma que tal línea con conexión existe si y solo si [ω/(2πℏ)] está en la imagen de H²(M; Z) en la cohomología real. El cambio de coeficientes puede olvidar torsión; decir que la clase real es integral se entiende en ese sentido.
Equivalentemente, cada período sobre un ciclo integral de dimensión dos debe ser un entero. Comprobar un pequeño disco no basta: un disco no es un ciclo cerrado que detecte todos los períodos globales. En una superficie cerrada conexa orientada, la clase fundamental genera H₂ y basta comprobar su área simpléctica dividida por 2πℏ.
Un área que supera el test
Esfera, ℏ=1 y ∫ω=8π.
Denominador
2πℏ=2π.Dividir
8π/(2π)=4.Conclusión de existencia
Cuatro es entero; existe una línea pre-cuántica de grado cuatro.
El test no ha elegido aún una polarización.
El número cuatro es el grado, no necesariamente la dimensión del espacio final de estados.
La misma área puede fallar si se cambia la escala ℏ
Esfera, ∫ω=3π y ℏ=1.
Período
3π/(2π)=3/2.Comparar
3/2 no es un entero.
Alcance
No existe la línea con la curvatura fijada para ese ℏ; al elegir ℏ=1/2 el período sería tres.
El test depende de la relación entre área y ℏ.
No se redondea 3/2: la condición exige integridad exacta.
4. Cada componente se comprueba y aún pueden quedar elecciones
Si una superficie cerrada tiene varias componentes, se comprueba el período en cada una. La suma total no sustituye la lista de períodos: los ciclos fundamentales de las componentes son independientes.
Incluso fijando la curvatura, el fibrado con conexión puede no quedar determinado. Tensorizar con una línea plana deja la curvatura igual, pero puede cambiar la holonomía alrededor de lazos. La integralidad garantiza existencia; no una elección universal de todos los datos.
Una suma entera puede ocultar dos fallos
Dos esferas disjuntas de áreas π y 3π, con ℏ=1.
Primera componente
π/(2π)=1/2 no es entero.Segunda
3π/(2π)=3/2 tampoco es entero.No sumar para aprobar
La suma es dos, pero ninguna componente pasa su test.
La condición debe cumplirse sobre cada ciclo integral.
La misma obstrucción aparece si se evalúa únicamente la primera esfera.
Curvatura igual, transporte distinto
Sobre el círculo, comparar conexiones d y d+(i/2)dθ, θ módulo 2π.
Curvaturas
Ambas son cero porque d(dθ)=0.Transporte
La segunda tiene holonomía exp(−iπ)=−1; la primera tiene uno.
Usar en pre-cuantización
Tensorizar con una línea plana así puede modificar holonomía sin modificar F.
La curvatura no registra por sí sola todo el transporte global.
El círculo ilustra la diferencia de conexiones planas; no se presenta como espacio simpléctico, cuya dimensión debería ser par.
5. Las secciones pre-cuánticas todavía dependen de demasiadas variables
La métrica hermítica de L permite comparar secciones en cada fibra. Integrar ese producto con el volumen ωⁿ/n! y completar las secciones de norma finita produce un espacio de Hilbert L²(M, L). En M compacta, una sección suave tiene norma finita; en M no compacta hay que comprobarlo.
Una sección pre-cuántica puede depender de q y de p. La conexión permite combinar derivadas covariantes en direcciones hamiltonianas y multiplicación por observables para construir operadores. Sus signos y conmutadores se fijan de forma conjunta con las convenciones; ser un operador formalmente simétrico no resuelve automáticamente su dominio o autoadjunción.
Una función de fase usa las dos variables
En una referencia de una línea sobre R², s(q, p)=exp(−q²−p²).
Dependencia
Cambiar q o p modifica s.
Integrabilidad
|s|²=exp(−2q²−2p²) tiene integral finita en el plano.Interpretar
Es un ejemplo de sección L² pre-cuántica; todavía no se ha impuesto polarización.
Pertenecer a L² no quita la dependencia de momento.
La referencia trivializa la fibra, pero no convierte una variable en dos objetos distintos.
Una sección constante no siempre tiene norma finita
s=1 sobre R² con medida dq dp.
Norma puntual
|s|²=1.Integrar
La integral de uno en todo el plano es infinita.
Comparar
Sobre una base compacta con volumen finito, una sección suave constante en una trivialización global sí tendría norma finita, si esa trivialización existe.
En el caso no compacto hay una condición real de integrabilidad.
No se supone que toda línea sobre una base compacta admita una referencia global.
6. La polarización vertical conserva la dependencia de posición
Un subespacio lagrangiano en dimensión 2n tiene dimensión n y ω se anula al restringirse a él. Una polarización real elige suavemente esas direcciones y exige involutividad, para que se integren en hojas. La condición de sección polarizada es s=0 para V en esas direcciones.
En T*Rⁿ, la polarización vertical está generada por las derivadas respecto de p. Con la conexión adaptada del ejemplo anterior, es la derivada ordinaria ∂p, porque p dq se anula en la dirección p.
Su producto interno requiere una medida o densidad en q: no se usa sin más la integral sobre todas las variables de fase.
Resolver la condición vertical en una dimensión
∂s/∂p=0.
Fijar q
Sobre cada recta vertical, la derivada respecto de p es cero.
Integrar
s es constante en p a lo largo de esa hoja.
Escribir
La constante puede depender de q: s(q, p)=ψ(q).
Reducimos la dependencia de dos variables de fase a una variable de posición.
No significa que ψ sea constante en q.
Por qué hay que cambiar también el producto interno
s(q, p)=ψ(q) no nula, con ψ∈L²(R, dq).
Integral en q
La integral de |ψ(q)|²dq puede ser finita.
Integral de fase
Al integrar además sobre todo p, aparece ∫R dp=infinito.
Construcción polarizada
Se integra en el espacio de hojas con la medida apropiada, no se hereda esa norma infinita.
La polarización requiere atender a la norma además de resolver una ecuación.
Una sección polarizada no nula puede no pertenecer al L² de fase original.
7. En Kähler, polarizar puede significar ser holomorfa
En una variedad Kähler compatible tomamos la distribución compleja . Tiene dimensión compleja n dentro del tangente complejificado de dimensión 2n. La forma ω, de tipo (1,1), se anula sobre dos vectores de P, y la integrabilidad de J garantiza involutividad.
Como F tiene tipo (1,1), su parte (0,2) es cero y el operador ∇⁰¹ tiene cuadrado cero. En una variedad compleja compacta, H⁰(M, L) es finito dimensional. Esto es un resultado global de análisis complejo, no una afirmación para todo dominio abierto.
Comprobar el tipo de la polarización en C
P generado por ∂/∂z̄.
Dimensión
P es una recta compleja, la mitad del tangente complejificado de dimensión dos.
Restricción
Una dos-forma alternante se anula sobre dos vectores proporcionales de esa recta.
Integrabilidad
La coordenada compleja estándar produce la distribución involutiva.
P es el modelo local de polarización compleja.
La ecuación de una sección depende también de la conexión: no se omite su término local.
La compacidad distingue un espacio finito de uno infinito
Comparar funciones holomorfas de la línea trivial en CP¹ y en C.
CP¹
Son constantes: espacio complejo de dimensión uno.
C
Las funciones 1, z, z²,… son holomorfas y linealmente independientes.
Separar
El segundo espacio es infinito dimensional; falta la compacidad.
La finitud global necesita sus hipótesis.
Una línea positiva en CP¹ puede tener más secciones que la línea trivial, como veremos con O(n).
8. En CP¹ el grado determina una base de monomios
Si el período normalizado es n y elegimos la polarización compleja habitual, la línea es O(n). Sin corrección de semiformas, los estados son H⁰(CP¹, O(n)). Para n≥0, las secciones son polinomios homogéneos de grado n en X, Y. Los monomios Xⁿ, Xⁿ⁻¹Y,…, Yⁿ forman una base de n+1 elementos.
Con la normalización de Fubini–Study de la lección anterior, ∫ω_FS=π. Para obtener grado n usamos ω=2nℏω_FS, cuya área es 2πnℏ. No se omite ese factor dos al reutilizar la fórmula. En el caso simpléctico Kähler positivo sobre CP¹, n es positivo.
Un grado tres da cuatro estados linealmente independientes
L=O(3), sin semiformas.
Enumerar
X³, X²Y, XY², Y³.
Grado
En cada monomio los exponentes suman tres.
Contar
El exponente de Y toma 0,1,2,3: cuatro opciones.
dim H⁰(CP¹, O(3))=4.
El entero tres es el grado; la dimensión es n+1, no n en esta versión.
Conectar el test de área con el recuento posterior
Área 8π, ℏ=1 y polarización compleja estándar.
Grado
n=8π/(2π)=4.Línea
La línea holomorfa de grado cuatro en CP¹ es O(4).
Estados
X⁴, X³Y, X²Y², XY³, Y⁴ dan dimensión cinco, sin semiformas.
El test dio cuatro y el espacio no corregido tiene dimensión cinco.
No hay contradicción: grado y dimensión de secciones cumplen funciones distintas.
9. Los operadores y las semiformas requieren decisiones adicionales
No todo operador pre-cuántico preserva las secciones polarizadas. Para que descienda directamente debe respetar la condición de polarización. Comparar polarizaciones distintas exige construcciones adicionales. El test de existencia de L no resuelve esas cuestiones.
La corrección metapléctica puede tensorizar L con una raíz cuadrada del canónico de la polarización, cuando existe.
El espacio corregido pasa de H⁰(O(n)) a H⁰(O(n−1)), con dimensión n para n≥1. Los ejercicios originales de esta lección usan expresamente el espacio sin corrección.
Comparar el mismo grado con dos versiones declaradas
n=3 en CP¹.
Sin corrección
H⁰(O(3)) tiene dimensión cuatro.
Tensorizar
O(3)⊗O(−1)=O(2).Con corrección
H⁰(O(2)) tiene dimensión tres.
Cambió la construcción del espacio, no la cuenta de monomios de una línea fija.
No se responde tres al ejercicio que pide H⁰(O(3)) sin cambiar sus datos.
Una condición de polarización puede dejar de cumplirse
En la referencia vertical, s(q, p)=ψ(q).
Condición
∂p s=0.Multiplicar por p
La nueva expresión pψ(q) tiene derivada respecto de p igual a ψ(q).
Conclusión limitada
La multiplicación por p sola no conserva la condición, salvo ψ=0; un observable cuántico puede necesitar términos de derivada que compensen.
No basta con reemplazar cada observable por multiplicación después de polarizar.
Este cálculo no afirma que el operador pre-cuántico completo de p falle: justamente se ha separado de su parte de multiplicación.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Test de integralidad
Con ℏ=1 y área simpléctica 8π en una esfera, calcula el período normalizado.
Leer los datos
La esfera tiene área simpléctica 8π y ℏ=1.Fijar el denominador
El período normalizado usa 2πℏ=2π.Dividir
8π/(2π)=4.Comprobar el tipo
Cuatro es entero, así que la clase pasa el test de integralidad.
Alcance en la esfera
Su clase fundamental genera H₂; aquí ese período basta para la existencia de una línea pre-cuántica.
No confundir etapas
El grado es cuatro. La polarización y las posibles semiformas todavía son elecciones posteriores.
El test de integralidad da 4.
No sustituye la elección posterior de polarización.
EJEMPLO RESUELTO 2
Un espacio holomorfo
Calcula dim H⁰(P¹,O(3)).
Identificar la línea
Se pide O(3) en CP¹, sin introducir semiformas.
Modelo de secciones
Usamos polinomios homogéneos de grado tres en X, Y.
Primeras opciones
X³ y X²Y.
Completar
XY² y Y³.
Independencia
Los cuatro monomios tienen exponentes distintos y forman una base.
Contar
La dimensión es 3+1=4.
Dimensión 4.
Coincide con n+1.
Los símbolos que hemos usado
- (M,ω)
- Espacio de fases simpléctico de dimensión real 2n, con dω=0 y ω no degenerada.
- ℏ
- Constante real positiva fijada que determina la escala de cuantización.
- L→M
- Fibrado complejo de línea hermítico pre-cuántico.
- ∇ y F∇
- Conexión unitaria de L y su curvatura; fijamos F∇=−iω/ℏ.
- c₁(L)
- Primera clase de Chern; su imagen real es [iF∇/(2π)]=[ω/(2πℏ)].
- Polarización P
- Distribución involutiva lagrangiana de rango n en el tangente real o en su complejificación, según la versión.
- Sección polarizada
- Sección s que satisface ∇_V s=0 para los vectores V de la polarización.
- H⁰(M,L)
- Secciones holomorfas de L cuando se elige una polarización de Kähler compatible.
- O(n)
- Fibrado lineal de grado n sobre P¹, usado en el ejemplo sin corrección de semiformas.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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