Satz von Wintner-Wielandt

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Der Satz von Wintner-Wielandt ist ein mathematischer Lehrsatz aus der Theorie der linearen Operatoren, einem Teilgebiet der Funktionalanalysis, das enge Verbindungen zur theoretischen Physik aufweist. Er geht in seiner ursprünglichen Fassung zurück auf Aurel Wintner (1903–1958)[1] und Helmut Wielandt (1910–2001)[2] und gibt Aufschluss über die Frage, inwieweit die quantenmechanischen Grundoperatoren, welche mit der heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation verknüpft sind, als beschränkte Operatoren existieren.[3][4]

Im Zusammenhang mit dem Satz von Wintner-Wielandt entstand eine Reihe von weitergehenden Untersuchungen.

Formulierung des Satzes

Der Satz lässt sich folgendermaßen formulieren:[3][5]

Gegeben sei ein normierter Vektorraum X und dazu die normierte Algebra der beschränkten linearen Operatoren L(X) von X, versehen mit der Operatornorm ‖⋅‖. Der Identitätsoperator von X werde mit 𝟏X bezeichnet.

Für zwei lineare Operatoren P und Q auf X und einen (reellen oder komplexen) Skalar a sei unter (H) die folgende Gleichung (heisenbergsche Vertauschungsrelation[2]) verstanden:

(H)   [P,Q]=a𝟏X[6]

Dann gilt:

Die Gleichung (H) ist dann und nur dann erfüllbar, wenn a=0 ist, also genau dann, wenn P und Q miteinander vertauschbar sind.

Beweis

Wintner hat einen Beweis mit Hilfe der Spektraltheorie geliefert.[7]

Einen anderen und allgemeineren, dabei leichter zugänglichen Beweis gab Wielandt.[2][8] Der Beweis von Wielandt lässt sich wie folgt darstellen:

I: Ausweitung der heisenbergschen Vertauschungsrelation

Wegen [P,Q]=PQ−QP[9] lässt sich die heisenbergsche Vertauschungsrelation für jedes n∈ℕ auf die folgende Identität ausweiten:

(H1)   PQn−QnP=naQn−1 [10]

Dies ergibt sich mittels vollständiger Induktion:

Induktionsanfang:

Den Induktionsanfang für n=1 liefert (H) selbst.

Induktionsschritt n→n+1:

PQn+1−Qn+1P=(PQn−QnP)Q+Qn(PQ−QP)  [11]

Mit der Induktionsvoraussetzung ergibt sich mittels Einsetzen weiter:

PQn+1−Qn+1P=(naQn−1)Q+Qn(a𝟏X)=naQn+aQn

Somit folgt:

PQn+1−Qn+1P=(n+1)aQn

II: Eigentlicher Widerspruchsbeweis

Nun wird als Widerspruchsannahme a≠0 als gegeben angesehen.

Dann folgt zunächst mit (H), dass Q nicht der Nulloperator sein kann, und wegen (H1) gilt dies dann für jedes Qn und jedes Qn−1 in gleicher Weise.[12]

Andererseits erhält man aus (H1)[13] für jedes n∈ℕ die folgende Abschätzung:

n⋅|a|⋅‖Qn−1‖=‖PQn−QnP‖=‖PQn+(−1)QnP‖≤‖P‖⋅‖Qn‖+‖Qn‖⋅‖P‖=2⋅‖P‖⋅‖Qn‖

Also weiter:

n⋅|a|⋅‖Qn−1‖≤2⋅‖P‖⋅‖Qn−1Q‖

Also schließlich:

n⋅|a|⋅‖Qn−1‖≤2⋅‖P‖⋅‖Qn−1‖⋅‖Q‖

Nun kann man durch |a|⋅‖Qn−1‖ teilen[14] und erhält für jedes n∈ℕ:

(H2)   n≤2⋅‖P‖⋅‖Q‖|a|

Mit (H2) gelangt man wie gewünscht zu einem Widerspruch, denn die Menge der natürlichen Zahlen ℕ hat innerhalb der reellen Zahlen keine obere Schranke.

III: Abschluss

Es muss demnach a=0 gelten. Dies aber besagt, dass [P,Q] der Nulloperator ist, was gleichbedeutend mit PQ=QP ist.

Zusammenhang mit den quantenmechanischen Grundoperatoren

Der Satz von Wintner-Wielandt impliziert, dass die quantenmechanischen Grundoperatoren nicht sämtlich beschränkt sein können, also unstetig sein müssen.[3][4] Insbesondere können die Hilberträume der Quantenmechanik nicht von endlicher Dimension sein.

Weiterhin ist nachgewiesen, dass im Falle der Gültigkeit von (H) der Skalar stets rein imaginär, also ohne Realteil sein muss, wobei Voraussetzung ist, dass (H) überhaupt sinnvoll ist.[15]

Verallgemeinerung

Wie der Beweis zeigt, ist die Aussage des Satzes von Wintner-Wielandt in gleicher Weise für jede normierte Algebra mit Einselement gültig.[16]

Literatur

Originalarbeiten

Monographien

Fußnoten und Einzelnachweise

  1. ↑ Vorlage:Literatur
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Vorlage:Literatur
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 Collatz, S. 77–79.
  4. ↑ 4,0 4,1 Heuser, S. 102.
  5. ↑ Halmos, S. 126–127, 333.
  6. ↑ Wobei [P,Q]=PQ−QP ist der sogenannte Kommutator der beiden Operatoren P und Q.
  7. ↑ Halmos, S. 333.
  8. ↑ Halmos, S. 126, bezeichnet die beiden Beweise als two beautiful proofs.
  9. ↑ In einer Operatoralgebra schreibt man für die Hintereinanderausführung zweier Operatoren P:X→X und Q:X→X aus Übersichtlichkeitsgründen oft PQ statt P∘Q.
  10. ↑ Hier ist Q0=𝟏X zu beachten.
  11. ↑ Denn nach Ausmultiplizieren heben sich die beiden mittleren Terme weg.
  12. ↑ Dies zeigt man ausgehend von (H1) mit Hilfe eines weiteren Induktionsbeweises.
  13. ↑ Von rechts nach links gelesen!
  14. ↑ Da Qn−1 nicht der Nulloperator ist, gilt |a|⋅‖Qn−1‖≠0.
  15. ↑ v. Neumann, S. 123.
  16. ↑ Halmos, S. 126.
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