Dirac operator
狄拉克创立了狄拉克算符系统,使得量子力学规律的呈现变得简洁;狄拉克算符系统的本质上很大部分包含了复数域上的线性代数。
Hilbert空间
一个完备化的内积空间称为希尔伯特空间。
算符
算符的本质是线性变换(亦即映射)一般用花写的英文字母表示,如
态矢
狄拉克算符分为左矢与右矢,记作:
态矢与线性代数中的矢量相对应。具体的,右矢往往对应于列矢量,左矢往往对应于行矢量。
其中:
同类态矢可以做加法、乘法,非同类态矢可以做乘法,其中:
其中c为一个常数,A为一个矩阵。
复共轭
复数
对于复数,我们有
复数的模:
复向量
由复数组成的向量可以写成以下形式:
复向量的模与实向量的模类似,但是需要对每个复数先取模再平方:
实向量的模的平方等于实向量的转置与实向量的内积:
对于复向量:复向量模的平方等于其复共轭(即向量中的每个维的复数取其复共轭)的转置与复向量的内积,即:
其中
复矩阵与厄米共轭
对于复矩阵:
厄米共轭/厄米算符
厄米共轭运算是一种希尔伯特空间中的一元运算(即只输入一个东西,输出一个东西),运算对象可以是算符(矩阵),也可以是态矢(向量)。
在量子力学中厄米算符与厄米特矩阵呈一一映射的关系,而狄拉克算符的作用对象由行向量列向量变为了态矢,特征值变为了本征值,特征向量变为了本征函数。
在量子力学中的应用
本征态与基底
量子力学中的态可以被表示为**希尔伯特空间(Hilbert space)中的一个向量
- 最常见的表述方式
实际上是态矢在**位置空间(position space)中的表述方式: ,其中 代表具有本征值(eigenvalue) 的本征函数(eigenfunction) 。 - 用同样的方法可以将态矢表示在动量空间(momentum space):
同样, |p⟩ 代表本征值为 p 的本征函数 - 还可以将它以能量本征值为基底表示:
, |n⟩ 为 的 n 阶本征函数, 为第 n 阶本征函数的系数。
本征函数的性质
- 本征函数总可以归一化:
(可以对应于波函数的归一化性质) - 本征函数有正交性(可严格证明):
3. 本征函数具有完备性: 任一物理上合理的归一化波函数,都可由力学量 A 的本 征函数系展开:
若一个本征值对应多个本征函数,则称这些本征函数是n度简并的。注:一个本征函数只能对应一个本征值。
算符
粒子状态可以用希尔伯特空间中的向量表示,那么算符的作用类似于线性代数中的线性变换
定义
算符则是对于特定两种基底的线性变换矩阵的元素:
定义投影算符:
利用投影算子我们可以实现基底变换: