算符
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invitationM21 楼主
我来介绍一下算符
我们都知道,传统的力学中,粒子有动量,能量等等物理量,这些量一般是确定值。
但是汉森堡的测不准原理说明微观粒子拥有测不准性,就是坐标和动量不能同时得到确定值(如果觉得难理解,你只要考虑到波粒二象性就知道为什么了,波粒二象性是根源)
在刚刚接触薛定谔方程时,我们知道描述量子力学的关系是波函数,他带有很多波的性质
回顾一下薛定谔方程
记不记得定态薛定谔方程的左侧是E?
可能你应经知道
表示的就是能量,其实这就是能量的算符。
类似的,由于测不准原理,物理量都会没有确定值,我们要用算符来表示物理量(数学上叫做泛函算子),它能够把一个函数变为另一个函数。比如我们熟悉的D(微分)也是算符。
这种运算符号可以记作
如果一个等式中有她乘上函数之类的就是关于他的方程(比如薛定谔方程,刚才那个右侧叫做哈密尔顿算符)如果
右侧系数是常数,就说这个函数fai是算符的本征函数,这个常数是一个本征值(是不是联想到了线性代数?实际上在以后的表象中确实可以用矩阵表示算符)
值得一提的是量子力学的算符几乎要求都是厄米算符(对算符有限制,一类共同特点的算符),要保证本征值都是实数
等我组织一下语言在说具体算符
接着回来
前面已经说到,算符可以表示物理量,这样才可以用统一的语言来归结到一个方程中,最终描述波函数。我个人认为,在量子力学中,经典的力学量不是根本的,但我们可以借助他们描述波函数。
既然这样,我们怎样把经典力学的物理量演化成算符呢?
我们常常把测不准原理,量子化原理和相对性原理当做宇宙的基本规律。测不准原理要求坐标和动量的波动性,所以二者是分立的基本量,因此我们从这里入手,借助他们规定其他物理量(这是因为动量和坐标的波动性才导致了其他物理量的波动性,才需要转化为算符)。
在薛定谔方程的“推导”过程中,我们借助平面波的假设把动量转化成了算符
坐标的算符是他本身
角动量在经典物理中的定义是坐标与动量的外积,在量子力学中可以直接把前面两个算符外积一下,类似的,由于我们这样理解:其他物理量的波动性是由于动量与坐标的波动性引起,所以我们可以吧经典物理的力学量都通过以下方法转变成算符:写出他在经典物理的动量坐标表达式,然后把动量坐标换成算符。因为坐标算符是本身,因此只需要换掉动量。
比如能量E是P的路径积分的时间导数(我觉得大部分高中生都没有这个意识),把动量算符积分了偏个导就成了能量的算符。
系统的哈密尔顿算符表示的是系统能量(所以薛定谔放成的中文就是能量等于能量……),这个是哈密顿运动或波动方程来的,可以学学理论力学。
需要说明的是已经说过算符必须是厄米算符,这是因为必须保证他的本征值有物理意义,必须是实数。厄米算符满足这点,它的定义是这样
满足这个关系的算符是厄米算符,其中两个希腊字母是函数,x是所有变量,星号是复共轭。
这也是有数学含义的(在这里你可以看到线性代数与泛函分析的关系,20年代的量子力学直接推动了现代数学的发展)。
像自旋这样不能用动量表示的物理量需要用别的方法。
先写到这里,再过一段时间(稍长一些)可能写一下应用
2013年07月11日 13点07分 1
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