Enunciado

Uma partícula está no estado fundamental do oscilador harmônico com frequência clássica ω , quando repentinamente a constante da mola quadruplica, fazendo com que ω ' = 2 ω , sem inicialmente mudar a função de onda (é claro que ψ evoluirá diferentemente, pois o hamiltoniano mudou). Qual é a probabilidade de a medição de energia ainda resultar no valor ℏ ω / 2 ? Qual a probabilidade de se obter ℏ ω ?

Passo 1

Fala aí, beleza? Para resolver essa questão, vamos primeiro verificar quais são os novos possíveis níveis de energia... como a frequência agora duplicou, temos que:

E n = n + 1 2 ℏ ω ' → E n = 2 n + 1 ℏ ω

Ou seja, as possíveis energias agora são: ℏ ω   ,   3 ℏ ω   ,   5 ℏ ω … portanto, a probabilidade de se medir uma energia ℏ ω / 2 é zero!!

Passo 2

Agora, para determinar a probabilidade de se medir a energia ℏ ω , devemos calcular a probabilidade de encontrarmos a partícula no seu novo estado fundamental, que aqui será chamado ψ 0 ' , enquanto o estado estacionário inicial será ψ 0 .

O enunciado informa que no instante em que ocorre a mudança na constante da mola, a função de onda inicialmente não se altera, ou seja, assumindo que esse seja o instante te tempo t = 0 , temos:

Ψ x , 0 = ψ 0 ( x )

Essa igualdade só vale para o instante inicial, para todos os outros instantes a função de onda evoluirá de uma maneira, a princípio, desconhecida.

Contudo, nos sabemos que essa função de onda pode ser escrita como uma série de Taylor, devido ao teorema de Dirichlet, ou seja:

Ψ x , t = ∑ n = 0 ∞ c n   ψ n '   e - i E n t ℏ

Ou seja, para o instante inicial, vale:

∑ n = 0 ∞ c n   ψ n '   = ψ 0

Passo 3

Como queremos descobrir a probabilidade de a partícula estar no estado ψ 0 ' , devemos então calcular o coeficiente c 0 . Para isso, vamos utilizar o truque de Fourier:

c 0 = ∫ - ∞ + ∞ ψ 0   ψ 0 '   d x

Para essas funções, temos:

ψ 0 = m ω π ℏ 1 4   e - m ω 2 ℏ   x 2         ;           ψ 0 ' = 2 m ω π ℏ 1 4   e - m ω ℏ   x 2

Portanto:

c 0 = 2 1 4   m ω π ℏ   ∫ - ∞ + ∞ e - 3 m ω 2 ℏ   x 2   d x

Resolvendo a integral Gaussiana, chegamos em:

c 0 = 2 1 4   2 3

Então, de posse desse coeficiente, conseguimos calcular a probabilidade desse estado:

P 0 = c 0 2 = 2 3   2 = 94,3 %

Resposta

a probabilidade de se medir uma energia ℏ ω / 2 é zero!

P 0 = 2 3   2 = 94,3 %

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