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。
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 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 F 的共同本征态 {ψk(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 ),称为 F 表象, F 中的任意算符 A^ 有如下本征方程
A^ψk=Akψk
体系的任何一个态 ψ 可以用基矢 {ψk} 展开:
ψ(x,t)=k∑ak(t) ψk(x)
其中 ak(t)=(ψk,ψ) ,则这一组数 (a1,a2,⋯) 就是态 ψ 在 F 表象中的表示, {ak(t), k=1,2,⋯} 称为 F 表象中的“波函数”。则 F 表象中的态矢量为
Ψ(t)=a1(t)a2(t)⋮an(t)⋮
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)⋮=k∑∣ak(t)∣2
对于连续谱和多自由度情形,态 ψ 可展开为
ψ(x,t)=k∑ak(t) ψk(x)+∫aλ(t) ψλ(x) dλ
其中 ak(t)=(ψk,ψ), aλ(t)=(ψλ,ψ) , F 表象中的态矢量为
Ψ(t)=a1(t)a2(t)⋮an(t)⋮aλ(t)
这里的 aλ(t) 是不可数的,只表示性的列出即可。
设一粒子在一维无限深方势阱
V(x)={0,∞,0<x<a0<x,x>a
中运动,状态为
ψ(x)=a4cos2aπxsinaπx(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)=a2sinanπx(0<x<a , n=1,2,3,⋯)
设状态 ψ 在本征函数系下的展开为
ψ(x)=n∑an ψn(x)
则展开系数
an=(ψn,ψ)=a42∫0acos2aπxsinaπxsinanπxdx =2a1∫0a(cosa(n−1)πx+cosa(n−3)πx−cosa(n+1)πx−cosa(n+3)πx)dx =21δ1n+21δ3n={210n=1,3n=1,3
故能量表象中的态矢量为
Ψ=210210⋮0⋮
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 经过算符 A^ 运算后变成另一个态 ϕ ,即
ϕ=A^ψ
在以力学量完全集 F 的正交归一化本征函数系 {ψk(x)} (假定为离散谱)为基矢的表象中,将 ψ,ϕ 展开,表示为
k∑bk(t)ψk=k∑ak(t)A^ψk
两边乘 ψj∗ ,积分,得
bj(t)=k∑ak(t) (ψj,A^ψk)=k∑Ajkak(t)
其中 Ajk=(ψj,A^ψk) ,对于上述式子,可以表示成矩阵乘向量的形式,即
b1(t)b2(t)⋮=A11A21⋮A12A22⋮⋯⋯⋱a1(t)a2(t)⋮
记其中的矩阵为 A ,则
Φ(t)=AΨ(t)
表示力学量算符 A^ 的矩阵是厄米矩阵(取转置再取复共轭后不变),即 Amn=Anm∗=Amn+ ,证明如下:
Amn=(ψm,A^ψn)=(A^ψm,ψn)=(ψn,A^ψm)∗=Anm∗
特别的,在自身表象下, A 为对角的厄米矩阵,且各对角元素就是 A^ 的本征值,证明如下:
Amn=(ψm,A^ψn)=(ψm,Anψn)=An(ψm,ψn)=Anδmn
对于一维谐振子,可利用Hermite多项式的递推关系求得
x^ψn=α1[2n+1ψn+1+2nψn−1] p^ψn=iℏα[2n+1ψn+1−2nψn−1] H^ψn=(n+21)ℏωψn
故可得矩阵元的表达式(注意 m,n=0,1,2,3,⋯ )
xmn=α1[2n+1δm,n+1+2nδm,n−1] pmn=iℏα[2n+1δm,n+1−2nδm,n−1] Hmn=(n+21)ℏωδmn
则能量表象中坐标 x ,动量 p 和Hamilton量 H 的矩阵表示为
(xmn)=α101/200⋮1/202/20⋮02/203/2⋮003/20⋮⋯⋯⋯⋯⋱
(pmn)=iℏα01/200⋮−1/202/20⋮0−2/203/2⋮00−3/20⋮⋯⋯⋯⋯⋱
(Hmn)=ℏω1/2000⋮03/200⋮005/20⋮0007/2⋮⋯⋯⋯⋯⋱
本小节在考试中不涉及
考虑两组对易力学量完全集 F,F′ ,分别具有正交归一完备的共同本征函数系 {ψk},{ψα′} ,状态 ψ 在两个表象中的展开分别为
ψ=k∑akψk=α∑aα′ψα′
同乘 ψα′∗ ,积分,可得
aα′=k∑ak(ψα′,ψk)=k∑Sαkak
其中 Sαk=(ψa′,ψk) ,对于上述式子,可以表示成矩阵乘向量的形式,即
a1′a2′⋮=S11S21⋮S12S22⋮⋯⋯⋱a1a2⋮
记其中的矩阵为 S ,它刻画了两个表象中基矢的关系,上述关系可简记为 a′=Sa 。可以证明 S 是幺正矩阵,即
SS+=S+S=I
考虑两组对易力学量完全集 F,F′ ,分别具有正交归一完备的共同本征函数系 {ψk},{ψα′} ,在 F 表象下,力学量算符 A^ 表示为矩阵 (Akj) ,矩阵元 Akj=(ψk,A^ψj) ,则在 F′ 表象中, A^ 表示为矩阵 (Aαβ′) ,矩阵元
Aαβ′=(ψα′,A^ψβ′)=(k∑(ψk,ψα′)ψk,A^j∑(ψj,ψβ′)ψj)=(k∑Sαk∗ψk,A^j∑Sβj∗ψj) =kj∑Sαk(ψk,A^ψj)Sβj∗=kj∑SαkAkjSjβ+=(SAS+)αβ
即
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。
iℏ∂t∂ψ(x,t)=H^ψ(x,t)
在 F 表象下,将 ψ(x,t) 做展开
ψ(x,t)=k∑ak(t) ψk(x)
代入Schrödinger方程可得
iℏk∑ak′(t) ψk(x)=k∑ak(t)H^ψk(x)
两边同乘 ψj∗ ,积分,可得
iℏaj′(t)=k∑Hjkak(t) ,Hjk=(ψj,H^ψk)
表示成矩阵形式即为
iℏa1′(t)a2′(t)⋮=H11H21⋮H12H22⋮⋯⋯⋱a1(t)a2(t)⋮
简记为
iℏdtdΨ=HΨ
在量子态 ψ 下,力学量 A^ 的平均值为
Aˉ=(ψ,A^ψ)=(k∑akψk,j∑ajA^ψj)=kj∑ak∗(ψk,A^ψj)aj=kj∑ak∗Akjaj =[a1∗a2∗⋯]A11A21⋮A12A22⋮⋯⋯⋱a1a2⋮
简记为
Aˉ=Ψ+AΨ
算符 A^ 的本征方程为
A^ψ=λψ
其中 λ 为本征值,在 F 表象下,将 ψ 做展开,代入,得
k∑akA^ψk=λk∑akψk
两边同乘 ψj∗ ,可得
k∑(ψj,A^ψk)ak=k∑Ajkak=λaj
表示成矩阵形式即为
A11A21⋮A12A22⋮⋯⋯⋱a1a2⋮=λa1a2⋮⇓A11−λA21⋮A12A22−λ⋮⋯⋯⋱a1a2⋮=0
简记为
(A−λI)Ψ=0
为了使此关于 Ψ 的方程有非零解,应使矩阵 (A−λI) 不可逆,即
det(A−λI)=0
如果 A 是一个 N×N 的矩阵,则该方程为 λ 的 N 次方程,其有 N 个实根,这些根 {λ1,λ2,⋯,λN} 就是本征值,代回方程 (A−λI)Ψ=0 ,即可解出对应的本征函数 Ψ 。
若方程 det(A−λI)=0 有重根,则出现简并,此时简并态还不能唯一确定。
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。
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 ∣ ⟩ 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⟩ 表示用波函数 ψ 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′⟩ 表示坐标本征值为 x′ 的本征态; ∣p′⟩ 表示动量本征值为 p′ 的本征态; ∣En⟩ 或 ∣n⟩ 表示能量本征值为 En 的本征态,其中 n 为标记守恒量完全集的本征值的好量子数; ∣lm⟩ 表示角动量 (L2,Lz) 的共同本征态,本征值分别为 l(l+1)ℏ 和 mℏ 。
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 ⟨ ∣ 表示共轭空间中与 ∣ ⟩ 相应的一个抽象态矢,两者的关系为 ⟨ψ∣=∣ψ⟩+ 。若 ∣ψ⟩=C1 ∣ϕ1⟩+C2 ∣ϕ2⟩ ,则 ⟨ψ∣=C1∗ ⟨ϕ1∣+C2∗⟨ϕ2∣ 。
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。
态矢 ⟨ϕ∣ 与 ∣ψ⟩ 的标积 (ϕ,ψ)=⟨ϕ∣∣ψ⟩=⟨ϕ∣ψ⟩ ,而 (ψ,ϕ)=(ϕ,ψ)∗=⟨ϕ∣ψ⟩∗=⟨ψ∣ϕ⟩ 。
若 ⟨ϕ∣ψ⟩=0 ,则称 ∣ψ⟩ 与 ∣ϕ⟩ 正交;若 ⟨ψ∣ψ⟩=1 ,则称 ∣ψ⟩ 为归一化态矢。
设力学量完全集 F 的本征态(离散谱)记为 ∣k⟩ ,它们的正交归一性表示为
⟨k∣j⟩=δkj
对于连续谱,如坐标本征态,正交归一性表示为
⟨x′∣x′′⟩=δ(x′−x′′)
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
⟨ϕ∣A^∣ψ⟩=⟨ϕ∣[A^∣ψ⟩]=⟨ϕ∣A^ψ⟩⟨ϕ∣A^∣ψ⟩=[⟨ϕ∣A^]∣ψ⟩=⟨A^+ϕ∣ψ⟩
注:若 A^ 为厄米算符,则第二个式子最后等于 ⟨A^ϕ∣ψ⟩ 。
力学量 A 的本征方程表示为
A^∣ψ⟩=A′∣ψ⟩
其中 A′ 为本征值, ψ 为本征态。
力学量 A 的平均值表示为
Aˉ=(ψ,ψ)(ψ,A^ψ)=⟨ψ∣ψ⟩⟨ψ∣A^∣ψ⟩
设在 F 表象中,基矢记为 ∣k⟩ ,态矢 ∣ψ⟩ 可用 ∣k⟩ 展开,即
∣ψ⟩=k∑ak∣k⟩
展开系数
ak=(ψk,ψ)=⟨k∣ψ⟩
代入可得
∣ψ⟩=k∑⟨k∣ψ⟩∣k⟩=k∑∣k⟩⟨k∣ψ⟩
式中 ∣k⟩⟨k∣ 是一个投影算符
P^k=∣k⟩⟨k∣
它对任何态矢 ∣ψ⟩ 作用后,就得到态矢 ∣ψ⟩ 在基矢 ∣k⟩ 方向上的分量矢量,即
P^k∣ψ⟩=∣k⟩⟨k∣ψ⟩=ak∣k⟩
根据 ∣ψ⟩=∑k∣k⟩⟨k∣ψ⟩ ,可以得到封闭关系
k∑∣k⟩⟨k∣=I
这正是这一组基矢 ∣k⟩ 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′ ∣x′⟩⟨x′∣=I
态 ∣ψ⟩ 向坐标的本征函数系 {∣x0⟩:−∞<x0<+∞} 作展开,
∣ψ⟩=∫−∞+∞dx0∣x0⟩⟨x0∣ψ⟩
在坐标表象下,本征函数为 δ(x−x0) ,故展开式为
ψ(x)=∫−∞+∞C(x0) δ(x−x0) dx0=C(x)
其中展开系数
C(x0)=⟨x0∣ψ⟩
两式结合可以得到
ψ(x)=⟨x∣ψ⟩
事实上,这个式子对任意表象都是成立的,即在力学量 A 的表象下,有 ψ(A)=⟨A∣ψ⟩ 。
故坐标在本征值 x0 下的本征波函数
⟨x∣x0⟩=δ(x−x0)
动量在本征值 p0 下的本征波函数
⟨x∣p0⟩=2πℏ1eℏip0x
ψ(p)=⟨p∣ψ⟩
坐标在本征值 x0 下的本征波函数
⟨p∣x0⟩=2πℏ1e−ℏipx0
动量在本征值 p0 下的本征波函数
⟨p∣p0⟩=δ(p−p0)
在本小节中主要是给出一些例子。
坐标 x^ 的矩阵表示
(x)x′x′′=⟨x′∣x^∣x′′⟩=[⟨x′∣x^]x′′⟩=x′⟨x′∣x′′⟩=x′δ(x′−x′′)
动量 p^ 的矩阵表示
(p)x′x′′=⟨x′∣p^∣x′′⟩=∫∫dp′ dp′′ ⟨x′∣p′⟩ ⟨p′∣p^∣p′′⟩ ⟨p′′∣x′′⟩ =∫∫dp′ dp′′ 2πℏ1eℏip′x′ p′δ(p′−p′′) 2πℏ1e−ℏip′′x′′ =2πℏ1∫dp′ p′ eℏip′(x′−x′′) =2πℏ1∫dp′(−iℏ∂x′∂)eℏip′(x′−x′′) =−iℏ∂x′∂2πℏ1∫dp′ eℏip′(x′−x′′) =−iℏ∂x′∂δ(x′−x′′)
哈密顿量 H^ 的矩阵表示
(H)x′x′′=⟨x′∣H^∣x′′⟩=2m1⟨x′∣p^2∣x′′⟩+⟨x′∣V^∣x′′⟩ =2m1∫∫dp′ dp′′ ⟨x′∣p′⟩ ⟨p′∣p^2∣p′′⟩ ⟨p′′∣x′′⟩+⟨x′∣V(x)∣x′′⟩ =2m1∫∫dp′ dp′′ 2πℏ1eℏip′x′ p′2δ(p′−p′′) 2πℏ1e−ℏip′′x′′+V(x′)⟨x′∣x′′⟩ =2m12πℏ1∫dp′ p′2 eℏip′(x′−x′′)+V(x′)δ(x′−x′′) =2m12πℏ1∫dp′(−ℏ2∂2x′∂2)eℏip′(x′−x′′)+V(x′)δ(x′−x′′) =−2mℏ2∂2x′∂22πℏ1∫dp′ eℏip′(x′−x′′)+V(x′)δ(x′−x′′) =−2mℏ2∂x′2∂2δ(x′−x′′)+V(x′)δ(x′−x′′)
坐标 x^ 的矩阵表示
(x)p′p′′=⟨p′∣x^∣p′′⟩=∫∫dx′ dx′′ ⟨p′∣x′⟩ ⟨x′∣x^∣x′′⟩ ⟨x′′∣p′′⟩ =∫∫dx′ dx′′ 2πℏ1e−ℏip′x′ x′δ(x′−x′′) 2πℏ1eℏip′′x′′ =2πℏ1∫dx′ x′ e−ℏi(p′−p′′)x′ =2πℏ1∫dx′(iℏ∂p′∂)e−ℏi(p′−p′′)x′ =iℏ∂p′∂2πℏ1∫dx′ e−ℏi(p′−p′′)x′ =iℏ∂p′∂δ(p′−p′′)
动量 p^ 的矩阵表示
(p)p′p′′=⟨p′∣p^∣p′′⟩=[⟨p′∣p^]p′′⟩=p′⟨p′∣p′′⟩=p′δ(p′−p′′)
哈密顿量 H^ 的矩阵表示
(H)p′p′′=⟨p′∣H^∣p′′⟩=2m1⟨p′∣p^2∣p′′⟩+⟨p′∣V^∣p′′⟩ =2mp′2δ(p′−p′′)+⟨p′∣V(iℏ∂p∂)∣p′′⟩ =2mp′2δ(p′−p′′)+V(iℏ∂p′∂)⟨p′∣p′′⟩ =2mp′2δ(p′−p′′)+V(iℏ∂p′∂)δ(p′−p′′)
势场 V 中的Schrödinger方程为
iℏ∂t∂∣ψ(t)⟩=H^∣ψ(t)⟩=(T+V)∣ψ(t)⟩
用 ⟨x∣ 左乘Schrödinger方程可得
iℏ∂t∂⟨x∣ψ(t)⟩=⟨x∣H^∣ψ(t)⟩
根据 ⟨x∣ψ(t)⟩=ψ(x,t) ,可得
iℏ∂t∂ψ(x,t)=∫dx′ ⟨x∣H^∣x′⟩ ⟨x′∣ψ(t)⟩ =∫dx′ [−2mℏ2∂2x∂2δ(x−x′)+V(x)δ(x−x′)]ψ(x′,t) =[−2mℏ2∂x2∂2+V(x)]ψ(x,t)
用 ⟨p∣ 左乘Schrödinger方程可得
iℏ∂t∂⟨p∣ψ(t)⟩=⟨p∣H^∣ψ(t)⟩
根据 ⟨p∣ψ(t)⟩=ψ(p,t) ,可得
iℏ∂t∂ψ(p,t)=∫dp′ ⟨p∣H^∣p′⟩ ⟨p′∣ψ(t)⟩ =∫dp′ [2mp2δ(p−p′)+V(iℏ∂p∂)δ(p−p′)]ψ(p′,t) =[2mp2+V(iℏ∂p∂)]ψ(p,t)
动能 T=2mp2 平均值
Tˉ=⟨ψ∣T∣ψ⟩=⟨ψ∣2mp2∣ψ⟩ =2m1∫∫dx dx′ ⟨ψ∣x⟩ ⟨x∣p2∣x′⟩ ⟨x′∣ψ⟩ =2m1∫∫dx dx′ ψ∗(x)[−ℏ2∂2x∂2δ(x−x′)]ψ(x′) =2m1∫dx ψ∗(x)(−ℏ2∂x2∂2)ψ(x)
势能 V(x) 平均值
Vˉ=⟨ψ∣V(x)∣ψ⟩ =∫∫dx dx′ ⟨ψ∣x⟩ ⟨x∣V(x)∣x′⟩ ⟨x′∣ψ⟩ =∫∫dx dx′ ψ∗(x) V(x)δ(x−x′) ψ(x′) =∫dx ψ∗(x)V(x)ψ(x)
动能 T=2mp2 平均值
Tˉ=⟨ψ∣T∣ψ⟩=⟨ψ∣2mp2∣ψ⟩ =2m1∫∫dp dp′ ⟨ψ∣p⟩ ⟨p∣p2∣p′⟩ ⟨p′∣ψ⟩ =2m1∫∫dp dp′ ψ∗(p) p2δ(p−p′) ψ(p′) =2m1∫dp ψ∗(p)p2ψ(p)
势能 V(x) 平均值
Vˉ=⟨ψ∣V(iℏ∂p∂)∣ψ⟩ =∫∫dp dp′ ⟨ψ∣p⟩ ⟨p∣V(iℏ∂p∂)∣p′⟩ ⟨p′∣ψ⟩ =∫∫dp dp′ ψ∗(p) V(iℏ∂p∂)δ(p−p′) ψ(p′) =∫dp ψ∗(p)V(iℏ∂p∂)ψ(p)
一维谐振子的哈密顿量
H^=2m1p^2+21mω2x^2
引入一对互为厄米共轭的算符
a^=2ℏmω(x^+mωip^) a^+=2ℏmω(x^−mωip^)
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^+]=2ℏmω[x^+mωip^,x^−mωip^] =2ℏmω{[x^,x^]−mωi[x^,p^]+mωi[p^,x^]+m2ω21[p^,p^]} =2ℏmω(−mωiiℏ−mωiiℏ) =1
使用 a^ 与 a^+ 可以表示坐标与动量算符
x^=2mωℏ(a^++a^) p^=i2ℏmω(a^+−a^)
则哈密顿量也可以用 a^ 与 a^+ 表示为
H^=2m1p^2+21mω2x^2 =2m1[i2ℏmω(a^+−a^)]2+21mω2[2mωℏ(a^++a^)]2 =−4ℏω[(a^+)2−a^+a^−a^a^++a^2]+4ℏω[(a^+)2+a^+a^+a^a^++a^2] =2ℏω(a^+a^+a^a^+) =2ℏω[a^+a^+(a^+a^+1)] =ℏω(a^+a^+21)
记 N^=a^+a^ , 则哈密顿量可表示为
H^=ℏω(N^+21)
易知 H^ 与 N^ 对易,求解 H^ 的本征值与本征函数可以先转化为求解 N^ 的本征值与本征函数,设 N^ 的本征方程为
N^∣n⟩=n∣n⟩
这里的 n 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⟩ 满足 ⟨n′∣n⟩=δnn′ ,在任何量子态 ∣ψ⟩ 下,有
Nˉ=⟨ψ∣a^+a^∣ψ⟩=⟨a^ψ∣a^ψ⟩≥0
由此可得 N^ 为正定厄米算符。考虑 N^ 与 a^+,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^
则
N^a^∣n⟩=(a^N^−a^)∣n⟩=a^N^∣n⟩−a^∣n⟩=a^n∣n⟩−a^∣n⟩=(n−1)a^∣n⟩
故 a^∣n⟩ 是 N^ 的本征态,对应的本征值为 (n−1) ,考虑到 N^∣n−1⟩=(n−1)∣n−1⟩ ,且 N 的本征态应该是非简并的,则 a^∣n⟩ 与 n−1⟩ 应该为同一个本征态,即
a^∣n⟩=λn∣n−1⟩
故
n=⟨n∣N^∣n⟩=⟨n∣a^+a^∣n⟩ =∣λn∣2⟨n−1∣n−1⟩=∣λn∣2
取 λn=n ,则
a^∣n⟩=n∣n−1⟩
同理,
N^a^+∣n⟩=(a^+N^+a^+)∣n⟩=(n+1)a^+∣n⟩
故 a^+∣n⟩ 是 N^ 的本征态,对应的本征值为 (n+1) ,考虑到 N^∣n=1⟩=(n+1)∣n+1⟩ ,且 N 的本征态应该是非简并的,则 a^+∣n⟩ 与 n+1⟩ 应该为同一个本征态,即
a^+∣n⟩=μn∣n+1⟩
故
n+1=⟨n∣N^+1∣n⟩=⟨n∣a^+a^+1∣n⟩ =⟨n∣a^a^+∣n⟩=∣μn∣2⟨n+1∣n+1⟩=∣μn∣2
取 μn=n+1 ,则
a^+∣n⟩=n+1∣n+1⟩
可以发现,通过 a^ 或 a^+ 的作用,可以使得本征态由 ∣n⟩ 变向前一个或后一个本征态 ∣n−1⟩ 或 ∣n+1⟩ 。因为算符 N^ 的本征值有下确界,故有最小值,可通过讨论逐次用 a^ 的作用得到;而 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^+ 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^ 和 a^+ 则分别是光子的产生和湮没算符。
由 N^ 的一个本征态 ∣n⟩ 出发,逐次用 a^ 作用,可得 N^ 的一系列本征态:
∣n⟩,a^∣n⟩∝∣n−1⟩,a^2∣n⟩∝∣n−2⟩,⋯
考虑到 N^ 为正定厄米算符,其本征值必为非负实数,即 n≥0,故应当存在最小的本征值,设其为 n0 ,对应的本征态为 ∣n0⟩ ,易知 a^∣n0⟩=n0∣n0−1⟩ 也为 N^ 的本征态,而如果 n0>0 ,其对应的本征值为 n0−1<n0 ,这与 n0 为最小本征值相矛盾,故 n0=0 ,此时 a^∣n0⟩=n0∣n0−1⟩=0 ,其对应的本征值为 0 ,这就不矛盾了。故 N^ 的最小本征值 n0=0 ,对应的本征态为 ∣0⟩ 。
从 ∣0⟩ 出发,逐次用 a^+ 作用,可得 N^ 的全部本征态:
∣0⟩,a^+∣0⟩∝∣1⟩,(a^+)2∣0⟩∝∣2⟩,⋯
用归纳法可以证明 N^ 的正交归一化本征态可以表示为
∣n⟩=n!1(a^+)n∣0⟩
回到对 H^=ℏω(N^+21) 的讨论,由 N^ 的本征值为 0,1,2,⋯ 可知 H^ 的本征值为 (n+21)ℏω(n=0,1,2,⋯) ,即
H^∣n⟩=(n+21)ℏω∣n⟩
首先考虑基态 ∣0⟩ 在坐标表象下的表示,由 a^∣0⟩=0 与 a^ 的定义可得
2ℏmω(x^+mωip^)ψ0(x)=2ℏmω(x+mωℏdxd)ψ0(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)=(πℏmω)41e−2ℏmωx2
记 α=ℏmω ,则
ψ0(x)=(πα2)41e−2α2x2
激发态的波函数可借助 a^+ 得到
ψn(x)=⟨x∣n⟩=n!1⟨x∣(a^+)n∣0⟩ =n!12ℏmω(x^−mωip^)ψ0(x) =(2n)!!1(πα2)41(αx−α1dxd)ne−2α2x2
- Fock空间:由粒子数算符 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,⋯} 构成的表象。
一维坐标算符 x^ 在占有数表象上的矩阵表示为
xn′n′′=⟨n′∣x^∣n′′⟩=⟨n′∣2mωℏ(a^++a^)∣n′′⟩=2mωℏ[⟨n′∣a^+∣n′′⟩+⟨n′∣a^∣n′′⟩] =2mωℏ[n′′+1⟨n′∣n′′+1⟩+n′′⟨n′∣n′′−1⟩] =2mωℏ[n′′+1 δn′,n′′+1+n′′ δn′,n′′−1]
一维动量算符 p^ 在占有数表象上的矩阵表示为
pn′n′′=⟨n′∣p^∣n′′⟩=⟨n′∣i2ℏmω(a^+−a^)∣n′′⟩=i2ℏmω[⟨n′∣a^+∣n′′⟩−⟨n′∣a^∣n′′⟩] =i2ℏmω[n′′+1⟨n′∣n′′+1⟩−n′′⟨n′∣n′′−1⟩] =i2ℏmω[n′′+1 δn′,n′′+1−n′′ δn′,n′′−1]