第4章 量子力学的矩阵形式与表象理论

4.1 矩阵力学

本节可以视作《线性代数入门》第7章“线性空间和线性映射”在量子力学中的具体应用,在后续部分会具体给出参考小节。

量子态和力学量算符的矩阵表示

量子态的矩阵表示

本部分可参考《线性代数入门》第7.4节“向量的坐标表示”。

任何一个可归一化的量子态 ψ\psi 可以看成抽象的Hilbert空间中的一个矢量,体系的任何一组对易力学量完全集 FF 的共同本征态 {ψk(x)}{\psi_k(x)} (先假定为离散谱)可以用来构成此态空间的一组正交归一完备的基矢(满足 (ψk,ψj)=δkj(\psi_k,\psi_j)=\delta_{kj} ),称为 FF 表象FF 中的任意算符 A^\hat{A} 有如下本征方程

A^ψk=Akψk \hat{A} \psi_{k} = A_k \psi_k

体系的任何一个态 ψ\psi 可以用基矢 {ψk}{\psi_k} 展开:

ψ(x,t)=kak(t) ψk(x) \psi(x,t) = \sum_{k} a_k(t)\ \psi_k(x)

其中 ak(t)=(ψk,ψ)a_k(t) = (\psi_k,\psi) ,则这一组数 (a1,a2,)(a_1,a_2,\cdots) 就是态 ψ\psiFF 表象中的表示, {ak(t), k=1,2,}{a_k(t),\ k=1,2,\cdots} 称为 FF 表象中的“波函数”。则 FF 表象中的态矢量为

Ψ(t)=[a1(t)a2(t)an(t)] \Psi(t) = \begin{bmatrix} a_1(t) \ a_2(t) \ \vdots \ a_n(t) \ \vdots \end{bmatrix}

这样就用一个向量表示了波函数,应当注意,这里的向量是一个复量,而且空间维数可以是无穷,有时甚至是不可数(连续谱)。

此时态的内积可以表示为

(ψ,ψ)=Ψ+Ψ=[a1(t)a2(t)an(t)][a1(t)a2(t)an(t)]=kak(t)2 (\psi,\psi) = \Psi^+ \Psi = \begin{bmatrix} a_1^(t) & a_2^(t) & \cdots & a_n^*(t) & \cdots \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1(t) \ a_2(t) \ \vdots \ a_n(t) \ \vdots \end{bmatrix} = \sum_{k} |a_k(t)|^2

对于连续谱和多自由度情形,态 ψ\psi 可展开为

ψ(x,t)=kak(t) ψk(x)+aλ(t) ψλ(x) dλ \psi(x,t) = \sum_k a_k(t)\ \psi_k(x) + \int a_\lambda(t)\ \psi_\lambda(x)\ \mathrm{d}\lambda

其中 ak(t)=(ψk,ψ), aλ(t)=(ψλ,ψ)a_k(t) = (\psi_k,\psi),\ a_\lambda(t) = (\psi_\lambda,\psi)FF 表象中的态矢量为

Ψ(t)=[a1(t)a2(t)an(t)aλ(t)] \Psi(t) = \begin{bmatrix} a_1(t) \ a_2(t) \ \vdots \ a_n(t) \ \vdots \ a_\lambda(t) \end{bmatrix}

这里的 aλ(t)a_\lambda(t) 是不可数的,只表示性的列出即可。

例:一维无限深方势阱中的态函数在能量表象中的矩阵表示

设一粒子在一维无限深方势阱

V(x)={0,0<x<a,0<x,x>a V(x) = \begin{cases} 0, & 0<x<a \ \infty, & 0<x,x>a \end{cases}

中运动,状态为

ψ(x)=4acos2πxasinπxa(0<x<a) \psi(x) = \frac{4}{\sqrt{a}} \cos^2\frac{\pi x}{a}\sin\frac{\pi x}{a} \kern 2em (0<x<a)

一维无限深方势阱内部的能量本征函数表示为

ψn(x)=2asinnπxa(0<x<a , n=1,2,3,) \psi_n(x) = \sqrt{\frac{2}{a}} \sin\frac{n\pi x}{a} \kern 2em (0<x<a\ ,\ n=1,2,3,\cdots)

设状态 ψ\psi 在本征函数系下的展开为

ψ(x)=nan ψn(x) \psi(x) = \sum_n a_n\ \psi_n(x)

则展开系数

an=(ψn,ψ)=42a0acos2πxasinπxasinnπxadx =12a0a(cos(n1)πxa+cos(n3)πxacos(n+1)πxacos(n+3)πxa)dx =12δ1n+12δ3n={12n=1,30n1,3 a_n = (\psi_n,\psi) = \frac{4\sqrt{2}}{a} \int_{0}^{a} \cos^2\frac{\pi x}{a} \sin\frac{\pi x}{a} \sin\frac{n\pi x}{a} \mathrm{d}x \ \ \ = \frac{1}{\sqrt{2}a} \int_{0}^{a} \left( \cos\frac{(n-1)\pi x}{a} + \cos\frac{(n-3)\pi x}{a} - \cos\frac{(n+1)\pi x}{a} - \cos\frac{(n+3)\pi x}{a} \right) \mathrm{d}x \ \ \ = \frac{1}{\sqrt{2}}\delta_{1n} + \frac{1}{\sqrt{2}}\delta_{3n} = \begin{cases} \frac{1}{\sqrt{2}} & n=1,3 \ 0 & n \ne 1,3 \end{cases}

故能量表象中的态矢量为

Ψ=[1201200] \Psi = \begin{bmatrix} \frac{1}{\sqrt{2}} \ 0 \ \frac{1}{\sqrt{2}} \ 0 \ \vdots \ 0 \ \vdots \end{bmatrix}

力学量算符的矩阵表示

本部分可参考《线性代数入门》第7.5节“线性映射的矩阵表示”。

设量子态 ψ\psi 经过算符 A^\hat{A} 运算后变成另一个态 ϕ\phi ,即

ϕ=A^ψ \phi = \hat{A} \psi

在以力学量完全集 FF 的正交归一化本征函数系 {ψk(x)}{\psi_k(x)} (假定为离散谱)为基矢的表象中,将 ψ,ϕ\psi,\phi 展开,表示为

kbk(t)ψk=kak(t)A^ψk \sum_k b_k(t)\psi_k = \sum_k a_k(t) \hat{A}\psi_k

两边乘 ψj\psi_j^* ,积分,得

bj(t)=kak(t) (ψj,A^ψk)=kAjkak(t) b_j(t) = \sum_k a_k(t)\ (\psi_j,\hat{A}\psi_k) = \sum_k A_{jk} a_k(t)

其中 Ajk=(ψj,A^ψk)A_{jk} = (\psi_j,\hat{A}\psi_k) ,对于上述式子,可以表示成矩阵乘向量的形式,即

[b1(t)b2(t)]=[A11A12A21A22][a1(t)a2(t)] \begin{bmatrix} b_1(t) \ b_2(t) \ \vdots \ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} A_{11} & A_{12} & \cdots \ A_{21} & A_{22} & \cdots \ \vdots & \vdots & \ddots \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1(t) \ a_2(t) \ \vdots \ \end{bmatrix}

记其中的矩阵为 AA ,则

Φ(t)=AΨ(t) \Phi(t) = A \Psi(t)

力学量算符对应矩阵的性质

表示力学量算符 A^\hat{A} 的矩阵是厄米矩阵(取转置再取复共轭后不变),即 Amn=Anm=Amn+A_{mn} = A^*{nm} = A^+{mn} ,证明如下:

Amn=(ψm,A^ψn)=(A^ψm,ψn)=(ψn,A^ψm)=Anm A_{mn} = (\psi_m,\hat{A}\psi_n) = (\hat{A}\psi_m,\psi_n) = (\psi_n,\hat{A}\psi_m)^* = A^*_{nm}

特别的,在自身表象下, AA对角的厄米矩阵,且各对角元素就是 A^\hat{A}本征值,证明如下:

Amn=(ψm,A^ψn)=(ψm,Anψn)=An(ψm,ψn)=Anδmn A_{mn} = (\psi_m,\hat{A}\psi_n) = (\psi_m,A_n\psi_n) = A_n(\psi_m,\psi_n) = A_n\delta_{mn}

例:一维谐振子的坐标、动量和Hamilton量在能量表象中的矩阵表示

对于一维谐振子,可利用Hermite多项式的递推关系求得

x^ψn=1α[n+12ψn+1+n2ψn1] p^ψn=iα[n+12ψn+1n2ψn1] H^ψn=(n+12)ωψn \hat{x}\psi_n = \frac{1}{\alpha} \left[ \sqrt{\frac{n+1}{2}} \psi_{n+1} + \sqrt{\frac{n}{2}} \psi_{n-1} \right] \ \ \ \hat{p}\psi_n = \mathrm{i}\hbar\alpha \left[ \sqrt{\frac{n+1}{2}} \psi_{n+1} - \sqrt{\frac{n}{2}} \psi_{n-1} \right] \ \ \ \hat{H}\psi_n = \left( n + \frac12 \right) \hbar\omega \psi_n

故可得矩阵元的表达式(注意 m,n=0,1,2,3,m,n = 0,1,2,3,\cdots

xmn=1α[n+12δm,n+1+n2δm,n1] pmn=iα[n+12δm,n+1n2δm,n1] Hmn=(n+12)ωδmn x_{mn} = \frac{1}{\alpha} \left[ \sqrt{\frac{n+1}{2}} \delta_{m,n+1} + \sqrt{\frac{n}{2}} \delta_{m,n-1} \right] \ \ \ p_{mn} = \mathrm{i}\hbar\alpha \left[ \sqrt{\frac{n+1}{2}} \delta_{m,n+1} - \sqrt{\frac{n}{2}} \delta_{m,n-1} \right] \ \ \ H_{mn} = \left( n + \frac12 \right) \hbar\omega \delta_{mn}

则能量表象中坐标 xx ,动量 pp 和Hamilton量 HH 的矩阵表示为

(xmn)=1α[01/2001/202/2002/203/2003/20] (x_{mn}) = \frac{1}{\alpha} \begin{bmatrix} 0 & \sqrt{1/2} & 0 & 0 & \cdots \ \sqrt{1/2} & 0 & \sqrt{2/2} & 0 & \cdots \ 0 & \sqrt{2/2} & 0 & \sqrt{3/2} & \cdots \ 0 & 0 & \sqrt{3/2} & 0 & \cdots \ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots \ \end{bmatrix}

(pmn)=iα[01/2001/202/2002/203/2003/20] (p_{mn}) = \mathrm{i}\hbar\alpha \begin{bmatrix} 0 & -\sqrt{1/2} & 0 & 0 & \cdots \ \sqrt{1/2} & 0 & -\sqrt{2/2} & 0 & \cdots \ 0 & \sqrt{2/2} & 0 & -\sqrt{3/2} & \cdots \ 0 & 0 & \sqrt{3/2} & 0 & \cdots \ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots \ \end{bmatrix}

(Hmn)=ω[1/200003/200005/200007/2] (H_{mn}) = \hbar\omega \begin{bmatrix} 1/2 & 0 & 0 & 0 & \cdots \ 0 & 3/2 & 0 & 0 & \cdots \ 0 & 0 & 5/2 & 0 & \cdots \ 0 & 0 & 0 & 7/2 & \cdots \ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots \ \end{bmatrix}

表象变换

本小节在考试中不涉及

量子态的表象变换

考虑两组对易力学量完全集 F,FF,F' ,分别具有正交归一完备的共同本征函数系 {ψk},{ψα}{\psi_k},{\psi'_\alpha} ,状态 ψ\psi 在两个表象中的展开分别为

ψ=kakψk=αaαψα \psi = \sum_k a_k\psi_k = \sum_\alpha a'\alpha\psi'\alpha

同乘 ψα\psi'^*_\alpha ,积分,可得

aα=kak(ψα,ψk)=kSαkak a'\alpha = \sum_k a_k(\psi'\alpha,\psi_k) = \sum_k S_{\alpha k} a_k

其中 Sαk=(ψa,ψk)S_{\alpha k } = (\psi'_a,\psi_k) ,对于上述式子,可以表示成矩阵乘向量的形式,即

[a1a2]=[S11S12S21S22][a1a2] \begin{bmatrix} a'1 \ a'2 \ \vdots \ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} S{11} & S{12} & \cdots \ S_{21} & S_{22} & \cdots \ \vdots & \vdots & \ddots \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1 \ a_2 \ \vdots \ \end{bmatrix}

记其中的矩阵为 SS ,它刻画了两个表象中基矢的关系,上述关系可简记为 a=Saa'=Sa 。可以证明 SS 是幺正矩阵,即

SS+=S+S=I SS^+ = S^+S = I

力学量算符的表象变换

考虑两组对易力学量完全集 F,FF,F' ,分别具有正交归一完备的共同本征函数系 {ψk},{ψα}{\psi_k},{\psi'\alpha} ,在 FF 表象下,力学量算符 A^\hat{A} 表示为矩阵 (Akj)(A{kj}) ,矩阵元 Akj=(ψk,A^ψj)A_{kj} = (\psi_k,\hat{A}\psi_j) ,则在 FF' 表象中, A^\hat{A} 表示为矩阵 (Aαβ)(A'_{\alpha\beta}) ,矩阵元

Aαβ=(ψα,A^ψβ)=(k(ψk,ψα)ψk,A^j(ψj,ψβ)ψj)=(kSαkψk,A^jSβjψj) =kjSαk(ψk,A^ψj)Sβj=kjSαkAkjSjβ+=(SAS+)αβ A'{\alpha\beta} = (\psi'\alpha,\hat{A}\psi'\beta) = (\sum{k} (\psi_k,\psi'\alpha)\psi_k ,\hat{A} \sum{j} (\psi_j,\psi'\beta)\psi_j) = (\sum{k} S^{\alpha k}\psi_k ,\hat{A} \sum{j} S^{\beta j}\psi_j) \ \ \ = \sum{kj} S_{\alpha k} (\psi_k , \hat{A}\psi_j) S^*{\beta j} = \sum{kj} S_{\alpha k} A_{kj} S^+{j\beta} = (SAS^+){\alpha\beta}

A=SAS+=SAS A' = SAS^+ = SAS^-

经过表象变换后,力学量算符的本征值不改变,本征函数可能发生变化。

量子力学的矩阵形式

Schrödinger方程

itψ(x,t)=H^ψ(x,t) \mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial t} \psi(x,t) = \hat{H} \psi(x,t)

FF 表象下,将 ψ(x,t)\psi(x,t) 做展开

ψ(x,t)=kak(t) ψk(x) \psi(x,t) = \sum_k a_k(t)\ \psi_k(x)

代入Schrödinger方程可得

ikak(t) ψk(x)=kak(t)H^ψk(x) \mathrm{i}\hbar \sum_k a'_k(t)\ \psi_k(x) = \sum_k a_k(t) \hat{H} \psi_k(x)

两边同乘 ψj\psi^*_j ,积分,可得

iaj(t)=kHjkak(t) ,Hjk=(ψj,H^ψk) \mathrm{i}\hbar a'j(t) = \sum_k H{jk} a_k(t)\ , \kern 2em H_{jk} = (\psi_j,\hat{H}\psi_k)

表示成矩阵形式即为

i[a1(t)a2(t)]=[H11H12H21H22][a1(t)a2(t)] \mathrm{i}\hbar \begin{bmatrix} a'1(t) \ a'2(t) \ \vdots \ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} H{11} & H{12} & \cdots \ H_{21} & H_{22} & \cdots \ \vdots & \vdots & \ddots \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1(t) \ a_2(t) \ \vdots \ \end{bmatrix}

简记为

idΨdt=HΨ \mathrm{i} \hbar \frac{\mathrm{d}\Psi}{\mathrm{d}t} = H \Psi

平均值

在量子态 ψ\psi 下,力学量 A^\hat{A} 的平均值为

Aˉ=(ψ,A^ψ)=(kakψk,jajA^ψj)=kjak(ψk,A^ψj)aj=kjakAkjaj =[a1a2][A11A12A21A22][a1a2] \bar{A} = (\psi,\hat{A}\psi) = (\sum_k a_k\psi_k,\sum_j a_j\hat{A}\psi_j) = \sum_{kj} a^k (\psi_k,\hat{A}\psi_j) a_j = \sum{kj} a^k A{kj} a_j \ \ \ = \begin{bmatrix} a^_1 & a^2 & \cdots \end{bmatrix} \begin{bmatrix} A{11} & A_{12} & \cdots \ A_{21} & A_{22} & \cdots \ \vdots & \vdots & \ddots \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1 \ a_2 \ \vdots \ \end{bmatrix}

简记为

Aˉ=Ψ+AΨ \bar{A} = \Psi^+ A \Psi

本征方程

算符 A^\hat{A} 的本征方程为

A^ψ=λψ \hat{A} \psi = \lambda \psi

其中 λ\lambda 为本征值,在 FF 表象下,将 ψ\psi 做展开,代入,得

kakA^ψk=λkakψk \sum_{k} a_k \hat{A} \psi_k = \lambda \sum_k a_k \psi_k

两边同乘 ψj\psi^*_j ,可得

k(ψj,A^ψk)ak=kAjkak=λaj \sum_{k} (\psi_j,\hat{A} \psi_k) a_k = \sum_{k} A_{jk} a_k = \lambda a_j

表示成矩阵形式即为

[A11A12A21A22][a1a2]=λ[a1a2][A11λA12A21A22λ][a1a2]=0 \begin{bmatrix} A_{11} & A_{12} & \cdots \ A_{21} & A_{22} & \cdots \ \vdots & \vdots & \ddots \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1 \ a_2 \ \vdots \ \end{bmatrix} = \lambda \begin{bmatrix} a_1 \ a_2 \ \vdots \ \end{bmatrix} \ \Downarrow \ \begin{bmatrix} A_{11}-\lambda & A_{12} & \cdots \ A_{21} & A_{22}-\lambda & \cdots \ \vdots & \vdots & \ddots \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1 \ a_2 \ \vdots \ \end{bmatrix} = \vec{0}

简记为

(AλI)Ψ=0 (A - \lambda I) \Psi = 0

为了使此关于 Ψ\Psi 的方程有非零解,应使矩阵 (AλI)(A-\lambda I) 不可逆,即

det(AλI)=0 \det (A-\lambda I) = 0

如果 AA 是一个 N×NN \times N 的矩阵,则该方程为 λ\lambdaNN 次方程,其有 NN 个实根,这些根 {λ1,λ2,,λN}{\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_N} 就是本征值,代回方程 (AλI)Ψ=0(A-\lambda I)\Psi=0 ,即可解出对应的本征函数 Ψ\Psi

若方程 det(AλI)=0\det (A-\lambda I) = 0 有重根,则出现简并,此时简并态还不能唯一确定。

4.2 Dirac符号

基本表示

同一状态在不同的量子力学表象中所表达的物理内容完全相同,为了更为简便的表示,可以使用Dirac符号,它是一种与表象无关的符号体系。

右矢(ket)和左矢(bra)

量子体系的一切可能状态构成一个Hilbert空间,空间中的一个矢量(一般为复量)用以标记一个量子态,用一个右矢  |\ \rangle 表示。若要标记某个特殊的态,则在右矢内标上某种记号,例如, ψ| \psi \rangle 表示用波函数 ψ\psi 描述的状态。对于本征态,常用本征值(或对应的量子数)标在右矢内,例如: x| x' \rangle 表示坐标本征值为 xx' 的本征态; p| p' \rangle 表示动量本征值为 pp' 的本征态; En| E_n \ranglen| n \rangle 表示能量本征值为 EnE_n 的本征态,其中 nn 为标记守恒量完全集的本征值的好量子数; lm| lm \rangle 表示角动量 (L2,Lz)(L^2,L_z) 的共同本征态,本征值分别为 l(l+1)l(l+1)\hbarmm\hbar

态的上述表示,都只是一个抽象的态矢,未涉及任何具体的表象。这体现了在任何表象下,本征值都是相同的,(而本征函数可能会不同),而对于一个对易力学量完全集,使用一组量子数表示的一组本征值就可以唯一确定本征态。

左矢  \langle \ | 表示共轭空间中与  | \ \rangle 相应的一个抽象态矢,两者的关系为 ψ=ψ+\langle \psi | = | \psi \rangle^+ 。若 ψ=C1 ϕ1+C2 ϕ2| \psi \rangle = C_1\ | \phi_1 \rangle + C_2\ | \phi_2 \rangle ,则 ψ=C1 ϕ1+C2ϕ2\langle \psi | = C_1^\ \langle \phi_1 | + C_2^ \langle \phi_2 |

借助线性代数的角度来看,右矢为列向量,而左矢为取复共轭后的行向量。

内积(标积)

态矢 ϕ\langle \phi |ψ| \psi \rangle 的标积 (ϕ,ψ)=ϕψ=ϕψ(\phi,\psi) = \langle \phi || \psi \rangle = \langle \phi | \psi \rangle ,而 (ψ,ϕ)=(ϕ,ψ)=ϕψ=ψϕ(\psi,\phi)=(\phi,\psi)^* = \langle \phi | \psi \rangle^* = \langle \psi | \phi \rangle

ϕψ=0\langle \phi | \psi \rangle = 0 ,则称 ψ| \psi \rangleϕ| \phi \rangle 正交;若 ψψ=1\langle \psi | \psi \rangle = 1 ,则称 ψ| \psi \rangle归一化态矢。

设力学量完全集 FF 的本征态(离散谱)记为 k| k \rangle ,它们的正交归一性表示为

kj=δkj \langle k | j \rangle = \delta_{kj}

对于连续谱,如坐标本征态,正交归一性表示为

xx=δ(xx) \langle x' | x'' \rangle = \delta(x'-x'')

算符对态的作用
作用方式

算符对右矢向右作用仍为一个右矢,对左矢向左作用仍为一个左矢,即

ϕA^ψ=ϕ[A^ψ]=ϕA^ψϕA^ψ=[ϕA^]ψ=A^+ϕψ \langle \phi | \hat{A} | \psi \rangle = \langle \phi | \left[ \hat{A} | \psi \rangle \right] = \langle \phi | \hat{A} \psi \rangle \ \langle \phi | \hat{A} | \psi \rangle = \left[ \langle \phi | \hat{A} \right] | \psi \rangle = \langle \hat{A}^+ \phi | \psi \rangle

注:若 A^\hat{A} 为厄米算符,则第二个式子最后等于 A^ϕψ\langle \hat{A} \phi | \psi \rangle

本征方程与平均值的表示

力学量 AA 的本征方程表示为

A^ψ=Aψ \hat{A} | \psi \rangle = A' | \psi \rangle

其中 AA' 为本征值, ψ\psi 为本征态。

力学量 AA 的平均值表示为

Aˉ=(ψ,A^ψ)(ψ,ψ)=ψA^ψψψ \bar{A} = \frac{(\psi,\hat{A}\psi)}{(\psi,\psi)} = \frac{\langle \psi | \hat{A} | \psi \rangle}{\langle \psi | \psi \rangle}

投影算符

设在 FF 表象中,基矢记为 k| k \rangle ,态矢 ψ| \psi \rangle 可用 k| k \rangle 展开,即

ψ=kakk | \psi \rangle = \sum_k a_k | k \rangle

展开系数

ak=(ψk,ψ)=kψ a_k = (\psi_k,\psi) = \langle k | \psi \rangle

代入可得

ψ=kkψk=kkkψ | \psi \rangle = \sum_k \langle k | \psi \rangle | k \rangle = \sum_k | k \rangle \langle k | \psi \rangle

式中 kk| k \rangle \langle k | 是一个投影算符

P^k=kk \hat{P}_k = | k \rangle \langle k |

它对任何态矢 ψ| \psi \rangle 作用后,就得到态矢 ψ| \psi \rangle 在基矢 k| k \rangle 方向上的分量矢量,即

P^kψ=kkψ=akk \hat{P}_k | \psi \rangle = | k \rangle \langle k | \psi \rangle = a_k | k \rangle

根据 ψ=kkkψ| \psi \rangle = \sum_k | k \rangle \langle k | \psi \rangle ,可以得到封闭关系

kkk=I \sum_k | k \rangle \langle k | = I

这正是这一组基矢 k| k \rangle 的完备性的表现,如果对于连续谱,则求和应换为积分,譬如坐标本征态下

dx xx=I \int \mathrm{d}x'\ | x' \rangle \langle x' | = I

态在具体表象中的表示
态在坐标表象下的表示

ψ| \psi \rangle 向坐标的本征函数系 {x0:<x0<+}{ | x_0 \rangle : -\infty < x_0 < +\infty} 作展开,

ψ=+dx0x0x0ψ | \psi \rangle = \int_{-\infty}^{+\infty} \mathrm{d}x_0 | x_0 \rangle \langle x_0 | \psi \rangle

在坐标表象下,本征函数为 δ(xx0)\delta(x-x_0) ,故展开式为

ψ(x)=+C(x0) δ(xx0) dx0=C(x) \psi (x) = \int_{-\infty}^{+\infty} C(x_0)\ \delta(x-x_0)\ \mathrm{d}x_0 = C(x)

其中展开系数

C(x0)=x0ψ C(x_0) = \langle x_0 | \psi \rangle

两式结合可以得到

ψ(x)=xψ \psi(x) = \langle x | \psi \rangle

事实上,这个式子对任意表象都是成立的,即在力学量 AA 的表象下,有 ψ(A)=Aψ\psi(A) = \langle A | \psi \rangle

故坐标在本征值 x0x_0 下的本征波函数

xx0=δ(xx0) \langle x | x_0 \rangle = \delta(x-x_0)

动量在本征值 p0p_0 下的本征波函数

xp0=12πeip0x \langle x | p_0 \rangle = \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p_0x}

态在动量表象下的表示

ψ(p)=pψ \psi(p) = \langle p | \psi \rangle

坐标在本征值 x0x_0 下的本征波函数

px0=12πeipx0 \langle p | x_0 \rangle = \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}px_0}

动量在本征值 p0p_0 下的本征波函数

pp0=δ(pp0) \langle p | p_0 \rangle = \delta(p-p_0)

力学量算符在具体表象中的矩阵表示

在本小节中主要是给出一些例子。

一维坐标、动量、哈密顿量在坐标表象与动量表象中的矩阵表示
坐标表象

坐标 x^\hat{x} 的矩阵表示

(x)xx=xx^x=[xx^]x=xxx=xδ(xx) (x)_{x'x''} = \langle x' | \hat{x} | x'' \rangle = \left[ \langle x' | \hat{x} \right] x'' \rangle = x' \langle x' | x'' \rangle = x' \delta(x'-x'')

动量 p^\hat{p} 的矩阵表示

(p)xx=xp^x=dp dp xp pp^p px =dp dp 12πeipx pδ(pp) 12πeipx =12πdp p eip(xx) =12πdp(ix)eip(xx) =ix12πdp eip(xx) =ixδ(xx) (p)_{x'x''} = \langle x' | \hat{p} | x'' \rangle = \int \int \mathrm{d}p'\ \mathrm{d}p''\ \langle x' | p' \rangle\ \langle p' | \hat{p} | p'' \rangle\ \langle p'' | x'' \rangle \ \ \ = \int \int \mathrm{d}p'\ \mathrm{d}p''\ \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'x'}\ p' \delta(p'-p'')\ \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p''x''} \ \ \ = \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}p'\ p'\ \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'(x'-x'')} \ \ \ = \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}p' \left(-\mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial x'} \right) \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'(x'-x'')} \ \ \ = -\mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial x'} \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}p'\ \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'(x'-x'')} \ \ \ = -\mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial x'} \delta(x'-x'')

哈密顿量 H^\hat{H} 的矩阵表示

(H)xx=xH^x=12mxp^2x+xV^x =12mdp dp xp pp^2p px+xV(x)x =12mdp dp 12πeipx p2δ(pp) 12πeipx+V(x)xx =12m12πdp p2 eip(xx)+V(x)δ(xx) =12m12πdp(222x)eip(xx)+V(x)δ(xx) =22m22x12πdp eip(xx)+V(x)δ(xx) =22m2x2δ(xx)+V(x)δ(xx) (H)_{x'x''} = \langle x' | \hat{H} | x'' \rangle = \frac{1}{2m} \langle x' | \hat{p}^2 | x'' \rangle + \langle x' | \hat{V} | x'' \rangle \ \ \ = \frac{1}{2m} \int \int \mathrm{d}p'\ \mathrm{d}p''\ \langle x' | p' \rangle\ \langle p' | \hat{p}^2 | p'' \rangle\ \langle p'' | x'' \rangle + \langle x' | V(x) | x'' \rangle \ \ \ = \frac{1}{2m} \int \int \mathrm{d}p'\ \mathrm{d}p''\ \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'x'}\ p'^2 \delta(p'-p'')\ \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p''x''} + V(x') \langle x' | x'' \rangle \ \ \ = \frac{1}{2m} \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}p'\ p'^2\ \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'(x'-x'')} + V(x') \delta(x'-x'') \ \ \ = \frac{1}{2m} \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}p' \left(-\hbar^2 \frac{\partial^2}{\partial^2 x'} \right) \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'(x'-x'')} + V(x') \delta(x'-x'') \ \ \ = -\frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2}{\partial^2 x'} \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}p'\ \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'(x'-x'')} + V(x') \delta(x'-x'') \ \ \ = -\frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2}{\partial x'^2} \delta(x'-x'') + V(x') \delta(x'-x'')

动量表象

坐标 x^\hat{x} 的矩阵表示

(x)pp=px^p=dx dx px xx^x xp =dx dx 12πeipx xδ(xx) 12πeipx =12πdx x ei(pp)x =12πdx(ip)ei(pp)x =ip12πdx ei(pp)x =ipδ(pp) (x)_{p'p''} = \langle p' | \hat{x} | p'' \rangle = \int \int \mathrm{d}x'\ \mathrm{d}x''\ \langle p' | x' \rangle\ \langle x' | \hat{x} | x'' \rangle\ \langle x'' | p'' \rangle \ \ \ = \int \int \mathrm{d}x'\ \mathrm{d}x''\ \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p'x'}\ x' \delta(x'-x'')\ \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}}{\hbar}p''x''} \ \ \ = \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}x'\ x'\ \mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}(p'-p'')x'} \ \ \ = \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}x' \left(\mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial p'} \right) \mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}(p'-p'')x'} \ \ \ = \mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial p'} \frac{1}{2\pi\hbar} \int \mathrm{d}x'\ \mathrm{e}^{-\frac{\mathrm{i}}{\hbar}(p'-p'')x'} \ \ \ = \mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial p'} \delta(p'-p'')

动量 p^\hat{p} 的矩阵表示

(p)pp=pp^p=[pp^]p=ppp=pδ(pp) (p)_{p'p''} = \langle p' | \hat{p} | p'' \rangle = \left[ \langle p' | \hat{p} \right] p'' \rangle = p' \langle p' | p'' \rangle = p' \delta(p'-p'')

哈密顿量 H^\hat{H} 的矩阵表示

(H)pp=pH^p=12mpp^2p+pV^p =p22mδ(pp)+pV(ip)p =p22mδ(pp)+V(ip)pp =p22mδ(pp)+V(ip)δ(pp) (H)_{p'p''} = \langle p' | \hat{H} | p'' \rangle = \frac{1}{2m} \langle p' | \hat{p}^2 | p'' \rangle + \langle p' | \hat{V} | p'' \rangle \ \ \ = \frac{p'^2}{2m} \delta(p'-p'') + \langle p' | V\left( \mathrm{i}\hbar{\frac{\partial}{\partial p}} \right) | p'' \rangle \ \ \ = \frac{p'^2}{2m} \delta(p'-p'') + V\left( \mathrm{i}\hbar{\frac{\partial}{\partial p'}} \right) \langle p' | p'' \rangle \ \ \ = \frac{p'^2}{2m} \delta(p'-p'') + V\left( \mathrm{i}\hbar{\frac{\partial}{\partial p'}} \right) \delta(p'-p'')

一维Schrödinger方程在坐标表象与动量表象中的表示

势场 VV 中的Schrödinger方程为

itψ(t)=H^ψ(t)=(T+V)ψ(t) \mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial t} | \psi(t) \rangle = \hat{H} | \psi(t) \rangle = (T+V) | \psi(t) \rangle

坐标表象

x\langle x | 左乘Schrödinger方程可得

itxψ(t)=xH^ψ(t) \mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial t} \langle x | \psi(t) \rangle = \langle x | \hat{H} | \psi(t) \rangle

根据 xψ(t)=ψ(x,t)\langle x| \psi(t) \rangle = \psi(x,t) ,可得

itψ(x,t)=dx xH^x xψ(t) =dx [22m22xδ(xx)+V(x)δ(xx)]ψ(x,t) =[22m2x2+V(x)]ψ(x,t) \mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial t} \psi(x,t) = \int \mathrm{d}x'\ \langle x | \hat{H} | x' \rangle\ \langle x' | \psi(t) \rangle \ \ \ = \int \mathrm{d}x'\ \left[ -\frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2}{\partial^2 x} \delta(x-x') + V(x) \delta(x-x') \right] \psi(x',t) \ \ \ = \left[ -\frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2}{\partial x^2} + V(x) \right] \psi(x,t)

动量表象

p\langle p | 左乘Schrödinger方程可得

itpψ(t)=pH^ψ(t) \mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial t} \langle p | \psi(t) \rangle = \langle p | \hat{H} | \psi(t) \rangle

根据 pψ(t)=ψ(p,t)\langle p | \psi(t) \rangle = \psi(p,t) ,可得

itψ(p,t)=dp pH^p pψ(t) =dp [p22mδ(pp)+V(ip)δ(pp)]ψ(p,t) =[p22m+V(ip)]ψ(p,t) \mathrm{i}\hbar \frac{\partial}{\partial t} \psi(p,t) = \int \mathrm{d}p'\ \langle p | \hat{H} | p' \rangle\ \langle p' | \psi(t) \rangle \ \ \ = \int \mathrm{d}p'\ \left[ \frac{p^2}{2m} \delta(p-p') + V\left( \mathrm{i}\hbar{\frac{\partial}{\partial p}} \right) \delta(p-p') \right] \psi(p',t) \ \ \ = \left[ \frac{p^2}{2m} + V\left( \mathrm{i}\hbar{\frac{\partial}{\partial p}} \right) \right] \psi(p,t)

一维动能、势能平均值在坐标表象与动量表象中的表示
坐标表象

动能 T=p22mT = \frac{p^2}{2m} 平均值

Tˉ=ψTψ=ψp22mψ =12mdx dx ψx xp2x xψ =12mdx dx ψ(x)[222xδ(xx)]ψ(x) =12mdx ψ(x)(22x2)ψ(x) \bar{T} = \langle \psi | T | \psi \rangle = \langle \psi | \frac{p^2}{2m}| \psi \rangle \ \ \ = \frac{1}{2m} \int \int \mathrm{d}x\ \mathrm{d}x'\ \langle \psi | x \rangle\ \langle x | p^2 | x' \rangle\ \langle x' | \psi \rangle \ \ \ = \frac{1}{2m} \int \int \mathrm{d}x\ \mathrm{d}x'\ \psi^(x) \left[ -\hbar^2 \frac{\partial^2}{\partial^2 x} \delta(x-x') \right] \psi(x') \ \ \ = \frac{1}{2m} \int \mathrm{d}x\ \psi^(x) \left( -\hbar^2 \frac{\partial^2}{\partial x^2} \right) \psi(x)

势能 V(x)V(x) 平均值

Vˉ=ψV(x)ψ =dx dx ψx xV(x)x xψ =dx dx ψ(x) V(x)δ(xx) ψ(x) =dx ψ(x)V(x)ψ(x) \bar{V} = \langle \psi | V(x) | \psi \rangle \ \ \ = \int \int \mathrm{d}x\ \mathrm{d}x'\ \langle \psi | x \rangle\ \langle x | V(x) | x' \rangle\ \langle x ' | \psi \rangle \ \ \ = \int \int \mathrm{d}x\ \mathrm{d}x'\ \psi^(x)\ V(x) \delta(x-x')\ \psi(x') \ \ \ = \int \mathrm{d}x\ \psi^(x) V(x) \psi(x)

动量表象

动能 T=p22mT = \frac{p^2}{2m} 平均值

Tˉ=ψTψ=ψp22mψ =12mdp dp ψp pp2p pψ =12mdp dp ψ(p) p2δ(pp) ψ(p) =12mdp ψ(p)p2ψ(p) \bar{T} = \langle \psi | T | \psi \rangle = \langle \psi | \frac{p^2}{2m}| \psi \rangle \ \ \ = \frac{1}{2m} \int \int \mathrm{d}p\ \mathrm{d}p'\ \langle \psi | p \rangle\ \langle p | p^2 | p' \rangle\ \langle p' | \psi \rangle \ \ \ = \frac{1}{2m} \int \int \mathrm{d}p\ \mathrm{d}p'\ \psi^(p)\ p^2 \delta(p-p')\ \psi(p') \ \ \ = \frac{1}{2m} \int \mathrm{d}p\ \psi^(p) p^2 \psi(p)

势能 V(x)V(x) 平均值

Vˉ=ψV(ip)ψ =dp dp ψp pV(ip)p pψ =dp dp ψ(p) V(ip)δ(pp) ψ(p) =dp ψ(p)V(ip)ψ(p) \bar{V} = \langle \psi | V \left (\mathrm{i}\hbar\frac{\partial}{\partial p} \right) | \psi \rangle \ \ \ = \int \int \mathrm{d}p\ \mathrm{d}p'\ \langle \psi | p \rangle\ \langle p | V \left (\mathrm{i}\hbar\frac{\partial}{\partial p} \right) | p' \rangle\ \langle p' | \psi \rangle \ \ \ = \int \int \mathrm{d}p\ \mathrm{d}p'\ \psi^(p)\ V \left (\mathrm{i}\hbar\frac{\partial}{\partial p} \right) \delta(p-p')\ \psi(p') \ \ \ = \int \mathrm{d}p\ \psi^(p) V \left (\mathrm{i}\hbar\frac{\partial}{\partial p} \right) \psi(p)

谐振子占有数表象

使用算符与Dirac符号求解一维谐振子问题

一维谐振子的哈密顿量

H^=12mp^2+12mω2x^2 \hat{H} = \frac{1}{2m} \hat{p}^2 + \frac{1}{2} m \omega^2 \hat{x}^2

引入一对互为厄米共轭的算符

a^=mω2(x^+imωp^) a^+=mω2(x^imωp^) \hat{a} = \sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}} \left( \hat{x} + \frac{\mathrm{i}}{m\omega} \hat{p} \right) \ \ \ \hat{a}^+ = \sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}} \left( \hat{x} - \frac{\mathrm{i}}{m\omega} \hat{p} \right)

注意这两个算符不是厄米算符。

这两个算符的对易关系为

[a^,a^+]=mω2[x^+imωp^,x^imωp^] =mω2{[x^,x^]imω[x^,p^]+imω[p^,x^]+1m2ω2[p^,p^]} =mω2(imωiimωi) =1 [ \hat{a} , \hat{a}^+ ] = \frac{m\omega}{2\hbar} \left[ \hat{x} + \frac{\mathrm{i}}{m\omega} \hat{p} , \hat{x} - \frac{\mathrm{i}}{m\omega} \hat{p} \right] \ \ \ = \frac{m\omega}{2\hbar} \left{ [\hat{x} , \hat{x}] - \frac{\mathrm{i}}{m\omega} [\hat{x} , \hat{p}] + \frac{\mathrm{i}}{m\omega} [\hat{p} , \hat{x}] + \frac{1}{m^2\omega^2} [\hat{p} , \hat{p}] \right} \ \ \ = \frac{m\omega}{2\hbar} \left( -\frac{\mathrm{i}}{m\omega} \mathrm{i\hbar} - \frac{\mathrm{i}}{m\omega} \mathrm{i\hbar}\right) \ \ \ = 1

使用 a^\hat{a}a^+\hat{a}^+ 可以表示坐标与动量算符

x^=2mω(a^++a^) p^=imω2(a^+a^) \hat{x} = \sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}} (\hat{a}^+ + \hat{a}) \ \ \ \hat{p} = \mathrm{i} \sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}} (\hat{a}^+ - \hat{a})

则哈密顿量也可以用 a^\hat{a}a^+\hat{a}^+ 表示为

H^=12mp^2+12mω2x^2 =12m[imω2(a^+a^)]2+12mω2[2mω(a^++a^)]2 =ω4[(a^+)2a^+a^a^a^++a^2]+ω4[(a^+)2+a^+a^+a^a^++a^2] =ω2(a^+a^+a^a^+) =ω2[a^+a^+(a^+a^+1)] =ω(a^+a^+12) \hat{H} = \frac{1}{2m} \hat{p}^2 + \frac{1}{2} m \omega^2 \hat{x}^2 \ \ \ = \frac{1}{2m} \left[ \mathrm{i} \sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}} (\hat{a}^+ - \hat{a}) \right]^2 + \frac{1}{2} m \omega^2 \left[ \sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}} (\hat{a}^+ + \hat{a})\right]^2 \ \ \ = -\frac{\hbar\omega}{4} [ (\hat{a}^+)^2 - \hat{a}^+\hat{a} - \hat{a}\hat{a}^+ + \hat{a}^2 ] + \frac{\hbar\omega}{4} [ (\hat{a}^+)^2 + \hat{a}^+\hat{a} + \hat{a}\hat{a}^+ + \hat{a}^2 ] \ \ \ = \frac{\hbar\omega}{2} ( \hat{a}^+\hat{a} + \hat{a}\hat{a}^+ ) \ \ \ = \frac{\hbar\omega}{2} [ \hat{a}^+\hat{a} + (\hat{a}^+\hat{a} + 1) ] \ \ \ = \hbar\omega \left( \hat{a}^+\hat{a} + \frac{1}{2} \right)

N^=a^+a^\hat{N} = \hat{a}^+\hat{a} , 则哈密顿量可表示为

H^=ω(N^+12) \hat{H} = \hbar\omega \left( \hat{N} + \frac{1}{2} \right)

易知 H^\hat{H}N^\hat{N} 对易,求解 H^\hat{H} 的本征值与本征函数可以先转化为求解 N^\hat{N} 的本征值与本征函数,设 N^\hat{N} 的本征方程为

N^n=nn \hat{N} | n \rangle = n | n \rangle

这里的 nn 暂时只表示一个一般的本征值,而不具有自然数的特征。

其中本征态 n| n \rangle 满足 nn=δnn\langle n' | n \rangle = \delta_{nn'} ,在任何量子态 ψ| \psi \rangle 下,有

Nˉ=ψa^+a^ψ=a^ψa^ψ0 \bar{N} = \langle \psi | \hat{a}^+\hat{a} | \psi \rangle = \langle \hat{a}\psi | \hat{a}\psi \rangle \ge 0

由此可得 N^\hat{N} 为正定厄米算符。考虑 N^\hat{N}a^+,a^\hat{a}^+,\hat{a} 的对易关系

[N^,a^+]=[a^+a^,a^+]=a^+[a^,a^+]+[a^+,a^+]a^=a^+  [N^,a^]=[a^+a^,a^]=a^+[a^,a^]+[a^+,a^]a^=a^ [ \hat{N} , \hat{a}^+ ] = [ \hat{a}^+ \hat{a} , \hat{a}^+ ] = \hat{a}^+ [ \hat{a} , \hat{a}^+ ] + [ \hat{a}^+ , \hat{a}^+ ] \hat{a} = \hat{a}^+ \ \ \ \ [ \hat{N} , \hat{a} ] = [ \hat{a}^+ \hat{a} , \hat{a} ] = \hat{a}^+ [ \hat{a} , \hat{a} ] + [ \hat{a}^+ , \hat{a} ] \hat{a} = - \hat{a}

N^a^n=(a^N^a^)n=a^N^na^n=a^nna^n=(n1)a^n \hat{N} \hat{a} | n \rangle = (\hat{a}\hat{N}-\hat{a}) | n \rangle = \hat{a}\hat{N} | n \rangle - \hat{a} | n \rangle = \hat{a}n | n \rangle - \hat{a} | n \rangle = (n-1) \hat{a} | n \rangle

a^n\hat{a} | n \rangleN^\hat{N} 的本征态,对应的本征值为 (n1)(n-1) ,考虑到 N^n1=(n1)n1\hat{N} | n-1 \rangle = (n-1) | n-1 \rangle ,且 NN 的本征态应该是非简并的,则 a^n\hat{a} | n \rangle n1\ n-1 \rangle 应该为同一个本征态,即

a^n=λnn1 \hat{a} | n \rangle = \lambda_n | n-1 \rangle

n=nN^n=na^+a^n =λn2n1n1=λn2 n = \langle n | \hat{N} | n \rangle = \langle n | \hat{a}^+\hat{a} | n \rangle \ \ \ = | \lambda_n |^2 \langle n-1 | n-1 \rangle = | \lambda_n |^2

λn=n\lambda_n = \sqrt{n} ,则

a^n=nn1 \hat{a} | n \rangle = \sqrt{n} | n-1 \rangle

同理,

N^a^+n=(a^+N^+a^+)n=(n+1)a^+n \hat{N} \hat{a}^+ | n \rangle = (\hat{a}^+\hat{N} + \hat{a}^+) | n \rangle = (n+1) \hat{a}^+ | n \rangle

a^+n\hat{a}^+ | n \rangleN^\hat{N} 的本征态,对应的本征值为 (n+1)(n+1) ,考虑到 N^n=1=(n+1)n+1\hat{N} | n=1 \rangle = (n+1) | n+1 \rangle ,且 NN 的本征态应该是非简并的,则 a^+n\hat{a}^+ | n \rangle n+1\ n+1 \rangle 应该为同一个本征态,即

a^+n=μnn+1 \hat{a}^+ | n \rangle = \mu_n | n+1 \rangle

n+1=nN^+1n=na^+a^+1n =na^a^+n=μn2n+1n+1=μn2 n + 1 = \langle n | \hat{N} + 1 | n \rangle = \langle n | \hat{a}^+\hat{a} + 1 | n \rangle \ \ \ = \langle n | \hat{a}\hat{a}^+ | n \rangle = | \mu_n |^2 \langle n+1 | n+1 \rangle = | \mu_n |^2

μn=n+1\mu_n = \sqrt{n+1} ,则

a^+n=n+1n+1 \hat{a}^+ | n \rangle = \sqrt{n+1} | n+1 \rangle

可以发现,通过 a^\hat{a}a^+\hat{a}^+ 的作用,可以使得本征态由 n|n\rangle 变向前一个或后一个本征态 n1|n-1\ranglen+1|n+1\rangle 。因为算符 N^\hat{N} 的本征值有下确界,故有最小值,可通过讨论逐次用 a^\hat{a} 的作用得到;而 N^\hat{N} 的所有本征态可从最小本征值对应的本征态出发,逐次由 a^+\hat{a}^+ 作用得到。

在量子场论中电磁辐射场(二次)量子化后成为光子, a^\hat{a}a^+\hat{a}^+ 则分别是光子的产生和湮没算符。

N^\hat{N} 的一个本征态 n|n\rangle 出发,逐次用 a^\hat{a} 作用,可得 N^\hat{N} 的一系列本征态:

n,a^nn1,a^2nn2, |n\rangle ,\kern 1em \hat{a}|n\rangle \propto |n-1\rangle ,\kern 1em \hat{a}^2|n\rangle \propto |n-2\rangle , \kern 1em \cdots

考虑到 N^\hat{N} 为正定厄米算符,其本征值必为非负实数,即 n0n\ge0,故应当存在最小的本征值,设其为 n0n_0 ,对应的本征态为 n0|n_0\rangle ,易知 a^n0=n0n01\hat{a}|n_0\rangle = \sqrt{n_0}|n_0-1\rangle 也为 N^\hat{N} 的本征态,而如果 n0>0n_0>0 ,其对应的本征值为 n01<n0n_0-1<n_0 ,这与 n0n_0 为最小本征值相矛盾,故 n0=0n_0=0 ,此时 a^n0=n0n01=0\hat{a}|n_0\rangle = \sqrt{n_0}|n_0-1\rangle = 0 ,其对应的本征值为 00 ,这就不矛盾了。故 N^\hat{N} 的最小本征值 n0=0n_0=0 ,对应的本征态为 0|0\rangle

0|0\rangle 出发,逐次用 a^+\hat{a}^+ 作用,可得 N^\hat{N} 的全部本征态:

0,a^+01,(a^+)202, |0\rangle ,\kern 1em \hat{a}^+|0\rangle \propto |1\rangle ,\kern 1em (\hat{a}^+)^2|0\rangle \propto |2\rangle , \kern 1em \cdots

用归纳法可以证明 N^\hat{N} 的正交归一化本征态可以表示为

n=1n!(a^+)n0 |n\rangle = \frac{1}{\sqrt{n!}} (\hat{a}^+)^n |0\rangle

回到对 H^=ω(N^+12)\hat{H}=\hbar\omega (\hat{N} + \frac12) 的讨论,由 N^\hat{N} 的本征值为 0,1,2,0,1,2,\cdots 可知 H^\hat{H} 的本征值为 (n+12)ω(n=0,1,2,)(n+\frac12)\hbar\omega \kern 1em (n=0,1,2,\cdots) ,即

H^n=(n+12)ωn \hat{H}|n\rangle = (n+\frac12)\hbar\omega |n\rangle

在坐标表象下求解态函数

首先考虑基态 0|0\rangle 在坐标表象下的表示,由 a^0=0\hat{a}|0\rangle = 0a^\hat{a} 的定义可得

mω2(x^+imωp^)ψ0(x)=mω2(x+mωddx)ψ0(x)=0 \sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}} \left( \hat{x} + \frac{\mathrm{i}}{m\omega} \hat{p} \right) \psi_0(x) = \sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}} \left( x + \frac{\hbar}{m\omega} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \right) \psi_0(x) = 0

这是一个一阶线性常微分方程,容易解得归一化的基态波函数为

ψ0(x)=(mωπ)14emω2x2 \psi_0(x) = \left( \frac{m\omega}{\pi\hbar} \right)^{\frac{1}{4}} \mathrm{e}^{-\frac{m\omega}{2\hbar} x^2}

α=mω\alpha=\sqrt{\frac{m\omega}{\hbar}} ,则

ψ0(x)=(α2π)14eα2x22 \psi_0(x) = \left( \frac{\alpha^2}{\pi} \right)^{\frac{1}{4}} \mathrm{e}^{-\frac{\alpha^2x^2}{2}}

激发态的波函数可借助 a^+\hat{a}^+ 得到

ψn(x)=xn=1n!x(a^+)n0 =1n!mω2(x^imωp^)ψ0(x) =1(2n)!!(α2π)14(αx1αddx)neα2x22 \psi_n(x) = \langle x | n \rangle = \frac{1}{\sqrt{n!}} \langle x | (\hat{a}^+)^n | 0 \rangle \ \ \ = \frac{1}{\sqrt{n!}} \sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}} \left( \hat{x} - \frac{\mathrm{i}}{m\omega} \hat{p} \right) \psi_0(x) \ \ \ = \frac{1}{\sqrt{(2n)!!}} \left( \frac{\alpha^2}{\pi} \right)^{\frac{1}{4}} \left( \alpha x - \frac{1}{\alpha} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \right)^n \mathrm{e}^{-\frac{\alpha^2x^2}{2}}

坐标和动量算符在占有数表象上的矩阵表示
  • Fock空间:由粒子数算符 N^\hat{N} 正交、归一的本征态所张成的空间;
  • 占有数表象:由 {n,n=0,1,2,}{ |n\rangle ,\kern 0.5em n=0,1,2,\cdots } 构成的表象。

一维坐标算符 x^\hat{x} 在占有数表象上的矩阵表示为

xnn=nx^n=n2mω(a^++a^)n=2mω[na^+n+na^n] =2mω[n+1nn+1+nnn1] =2mω[n+1 δn,n+1+n δn,n1] x_{n'n''} = \langle n' | \hat{x} | n'' \rangle = \langle n' | \sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}} (\hat{a}^+ + \hat{a}) | n'' \rangle = \sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}} \left[ \langle n' | \hat{a}^+ | n'' \rangle + \langle n' | \hat{a} | n'' \rangle \right] \ \ \ = \sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}} \left[ \sqrt{n''+1} \langle n' | n''+1 \rangle + \sqrt{n''} \langle n' | n''-1 \rangle \right] \ \ \ = \sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}} \left[ \sqrt{n''+1}\ \delta_{n',n''+1} + \sqrt{n''}\ \delta_{n',n''-1} \right]

一维动量算符 p^\hat{p} 在占有数表象上的矩阵表示为

pnn=np^n=nimω2(a^+a^)n=imω2[na^+nna^n] =imω2[n+1nn+1nnn1] =imω2[n+1 δn,n+1n δn,n1] p_{n'n''} = \langle n' | \hat{p} | n'' \rangle = \langle n' | \mathrm{i} \sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}} (\hat{a}^+ - \hat{a}) | n'' \rangle = \mathrm{i} \sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}} \left[ \langle n' | \hat{a}^+ | n'' \rangle - \langle n' | \hat{a} | n'' \rangle \right] \ \ \ = \mathrm{i} \sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}} \left[ \sqrt{n''+1} \langle n' | n''+1 \rangle - \sqrt{n''} \langle n' | n''-1 \rangle \right] \ \ \ = \mathrm{i} \sqrt{\frac{\hbar m\omega}{2}} \left[ \sqrt{n''+1}\ \delta_{n',n''+1} - \sqrt{n''}\ \delta_{n',n''-1} \right]