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A,对应于线性代数中的矩阵A;特别的,记单位算符为I,其作用于任何向量与算符都等于被作用的向量或算符;同维的算符可以相加相乘,与矩阵的运算法则相同。

态矢

狄拉克算符分为左矢与右矢,记作:|a,a|,其中a是任何能够表征这个态的量,如对于能量为E0的能量本征态,其右矢表示往往为|E0.

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:

(a|)=|a(|a)=a|

同类态矢可以做加法、乘法,非同类态矢可以做乘法,其中:

a||b=c|ab|=A

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a+ib=aib,称为a+ib是a-ib的复共轭;复数的共轭运算遵循加法的结合律和乘法的结合律,两共轭复数相乘得到的是一个实数。
复数的模:a+bi∣=a2+b2

复向量

由复数组成的向量可以写成以下形式:

x=[x1x2x3xn]xj=aj+ibj

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:

x2=∣x12++xn2

实向量的模的平方等于实向量的转置与实向量的内积:

x2=xTx

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:

x2=xTx

其中xT也常用厄米共轭表示:x

复矩阵与厄米共轭

对于复矩阵(AB)=BA,如果A=A,则称A为Hermitian Matrix(埃尔米特矩阵/厄米特矩阵),该矩阵有如下性质:[1]

(1)(xAx)R(xAx)=xAx(2)Ax=λxλR(3)Ax=λ1xAy=λ2yif:λ1λ2xy

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 |Ψ(t) ,我们可以用不同的基底(basis)**来描述。

  1. 最常见的表述方式 Ψ(xt) 实际上是态矢在**位置空间(position space)中的表述方式: Ψ(x,t)=x||Ψ(t) ,其中 |x 代表具有本征值(eigenvalue)x 的本征函数(eigenfunction) x^ 。
  2. 用同样的方法可以将态矢表示在动量空间(momentum space)Ψ(p,t)=p||Ψ(t) 同样, |p⟩ 代表本征值为 p 的本征函数 p^
  3. 还可以将它以能量本征值为基底表示: cn=n||Ψ(t), |n⟩ 为H^的 n 阶本征函数cn 为第 n 阶本征函数的系数。

本征函数的性质

  1. 本征函数总可以归一化:+Ψn(x)Ψn(x)dx=1 (可以对应于波函数的归一化性质)
  2. 本征函数有正交性(可严格证明):
+Ψm(x)Ψn(x)dx=δmn={1,m=n0,mn

δ称为狄拉克函数。
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:

Ψ(x)=n=1Cnψn(x)n=1Cn2=1

Cn2为各分状态占总状态的百分比。[2]

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|ψ1=an|en,|ψ2=bn|en;|en为正交归一化基底。由于两个波函数是由基底描述的,我们可以推导出:an=en||ψ1,bn=en||ψ2

算符则是对于特定两种基底的线性变换矩阵元素bn|en=anQ^|en
定义投影算符:P^=|aa|, P^|b=(a||b)|a,若a为单位向量,则称P^为投影算子。

利用投影算子我们可以实现基底变换:

(1)|Ψ(t)=|xx||Ψ(t)dx=Ψ(x,t)|xdx(2)|Ψ(t)=|pp||Ψ(t)dp=Ψ(p,t)|pdp(3)|Ψ(t)=|nn||Ψ(t)=cn(t)|n

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  1. 厄米算符的本征值一定是实数,这与实验观测结果一致。如果一个算符不是厄米的,其本征值可能是复数,这样就不符合物理观测的实际情况。注:本征值的个数可以有先有也可以无限;可以离散也可以连续。 ↩︎

  2. 本征态的线性叠加是粒子可能的状态,但叠加后的波函数已经不再是本征函数,此时无法精确测定其力学量。本征函数都是正交的,这表明不同本征态之间都是独立的。 ↩︎