67555

СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ

Лекция

Физика

Зависимость от времени можно ввести в квантовую механику разными способами. До сих пор мы пользовались картиной Шредингера в которой считается что всю зависимость от времени несут векторы состояния волновые функции а в операторы наблюдаемых она может входить лишь в исключительных...

Русский

2014-09-12

611.5 KB

0 чел.

Л Е К Ц И Я  5

СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ

В координатном представлении

 = r,   = iiÑ.

Коммутаторы этих операторов таковы :

 = iidkl

Очевидно, что коммутатор оператора координаты с «чужим» компонентом импульса (скажем,  с ) равен нулю. Проверим, что

 = ii (  и , аналогично ).

Имеем:

 y(x) = y- y = x +ii(xy) =

 

 = ii x+ ii x+ ii y = ii  y,

откуда в силу произвольности y и получаем, что надо.

Итак, коммутатор координаты со «своим» импульсом отличен от нуля. Это накладывает ограничения на дисперсии координаты и импульса в заданном состоянии, называемые соотношениями неопределенностей. Проведем общее рассмотрение для наблюдаемых A и B, записывая

 = i,

где . Операторы  и  эрмитовы, и множитель i введен для того, чтобы оператор  был также эрмитовым (сам коммутатор антиэрмитов). Введем операторы уклонения от среднего значения в заданном состоянии:

  ,   .

Они эрмитовы и удовлетворяют тому же коммутационному соотношению:

 = i.

Дисперсией наблюдаемой A (аналогично B) в состоянии y  называется

 Dy(A) (DA)2 .

Задача - получить ограничения на дисперсии наблюдаемых A и B.

Образуем скалярное произведение (D,D) и найдем его мнимую часть:

Im(Dy, Dy) = 1/2i (Dy, D y) - (Dy, Dy)* =

= 1/2i( D y, D y)-( Dy, D y) =

= 1/2i( y, DD y)-( y, DD y) =

= 1/2i (y, y) = 1/2i(y, y) = 1/2C.

Учтем теперь, что модуль мнимой части не больше модуля самого числа, а затем воспользуемся неравенством Коши - Буняковского:

Im(Dy, Dy)   (Dy, Dy)  =

=  = (DA)(DB).

Сравнивая с предыдущим, мы и приходим к общему соотношению неопределенностей:

 DADВ l 1/2UCU.

В частности, для координаты и импульса  = i, а потому C = i, и получаем соотношение неопределенностей Гейзенберга:

 DxDpx l i/2.

Ни в одном состоянии дисперсии координаты и импульса не могут обе быть нулями. Значит x и px совместно неизмеримы.

МАТРИЧНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

Возьмем какой-то эрмитов оператор  и поставим задачу на собственные значения:

 n = Ann.

Допустим, что спектр - чисто дискретный. Это значит, что собственные векторы образуют ортонормированный базис:

(jn, jm) = dnm  Û  jnjm = dnm,

 jnjn = .

Любой вектор y можно разложить по этому базису:

 y = ynjn,

где дискретная последовательность коэффициентов Фурье

 yn = jny

будет однозначно задавать состояние y. Расположим числа yn в матрицу - столбец:

 y = .

Она и представляет вектор состояния y. Образуем эрмитово сопряженную матрицу, которая будет матрицей - строкой с компонентами

= jn y* = yjn = y*n.

Она будет представлять совектор y :

 y= (y*1, y*2,...).

С использованием условия полноты jnjn =  скалярный квадрат запишется как

 y y  = y  jn jny = yn2 .

Если вектор y  нормирован, т.е. y y =1, то сумма также равна 1, т.е. ряд сходится.

Рассмотрим теперь некоторый оператор ,который действуя на y  переводит его в :

 = y .

Умножая скалярно на  jn и пользуясь условием полноты, найдем:

  jn y  =  jn y  =  jn jm jm y ,

или

 =Fnmym,

где введена матрица оператора:

 Fnm   jn jm.

Оператор  переводит y в , а матрица Fnm переводит компоненты  yn вектора y в компоненты  вектора . Если оператор эрмитов, то и его матрица эрмитова:

 Fnm = (Fmn)*.

Среднее значение оператора  в состоянии y теперь вычисляется так:

F =  = ,

т.е.

 F = Fnm y*n ym.

Рассмотрим теперь другое представление, порожденное оператором :

  jR n = Bn jR n,  jR n jR m = dnm,  jR n jR n = .

Векторы y в нем представляются другими волновыми функциями:

 yRn =  jR n y,

а операторы  - другими матрицами:

.

Но так как оба базиса - ортонормированные, то волновые функции и матрицы операторов в обоих представлениях связаны унитарным преобразованием:

 yRn = Unmym, FRnm = UnnRFnRmRU+mRm.

Раньше мы формулировали эти утверждения на языке операторов.

Найдем шпур (след) матрицы оператора  в B -представлении:

 

= ,      (U+U = ),

т.е. шпур матрицы инвариантен относительно унитарного преобразования - не зависит от выбора представления.

Задача на собственные значения оператора

 y = Fy

в матричном A-представлении ставится как

(Fnm-Fdnm)ym = 0.

Система однородных линейных уравнений для определения ym имеет нетривиальные решения при условии

det CFnm-FdnmC = 0

Это вековое или характеристическое уравнение является алгебраическим. Его решения F1,F2,...Fk... есть искомые собственные значения. Подставляя каждое из них в систему уравнений, найдем последовательности

 F1:                     y(1)1, y(1)2,... y(1)n,.....

 F2:                              y(2)1, y(2)2,... y(2)n...

                  ..............................................................

представляющие собственные векторы y(n), т.е. являющиеся их волновыми функциями.

Если в качестве базисных векторов выбрать собственные векторы  yn  оператора , то его матрица будет диагональной:

 Fnm = yn ym  = yn Fmym  = Fm yn ym  = Fmdnm

Таким образом, решение задачи на собственные значения оператора  равнозначна диагонализации его матрицы: находимUyn, устанавливаем унитарное преобразование, связывающее Uyn с Ujn, и совершаем это унитарное преобразование над исходной матрицей Fnm. В результате и получим диагональную матрицу.

Все те же операции можно проделать и в случае, когда спектр оператора  - непрерывный, но все надо понимать в обобщенном смысле. Базис образуют обобщенные собственные векторы:

 A = AA, AB = d(A-B),    òdAAA = .

Волновая функция

 y ()= Ay

есть «настоящая» функция, ибо зависит от непрерывного аргумента. Если оператор  переводит вектор y в , т.е.

 = y,

то для волновых функций имеем:

(A)  A = Ay = òAAR ARy,

т.е.

(A) = òF(A,AR)y(AR)dAR,

где

 F(A,AR)  AAR

ядро интегрального оператора .

Для произведения двух операторов

 

 

получим

 F1(A,AR) = A23 AR = A2ARR ARR3AR dARR,

т.е. ядро произведения получается как свертка операторов-сомножителей:

 F(A,AR) = ò F(A, ARR) F(ARR,AR)dARR.

- . .- . - . - .

Рассмотрим уравнение Шредингера

 iiy = y,

которое для одной частицы во внешнем поле записывается как

 iiy = y +V(r)y.

В координатном представлении мы его уже получали:

 iiy(r,t) = -i2/2m Ñ2 y(r,t) + (r) y(r,t).

Найдем теперь уравнение Шредингера в импульсном представлении. Нам нужно найти действие оператора , т.е.  =  и V(r) на волновую функцию (p), которая есть

 (p) = ácpy.

Для ядра оператора V имеем

 W(p,pR) = ácpcpR = (cp(r),V(r) cpR (r)),

где cp(r) - собственные функции оператора импульса в координатном представлении:

 cp(r) = .

Подстановка дает:

W(p,pR) = ,

т.е. ядро W получается из V путем преобразования Фурье:

W(p,pR) = .

Для оператора кинетической энергии  имеем:

K(p,pR) =  i2/2m(cp(r),Ñ2cp(rR)) =  i2/2m=

=  i2/2m  = p2/2md(p-pR):

                  K(p,pR) = p2/2md(p-pR).

Подставляем все это в уравнение Шредингера в импульсном представлении:

ii.

Получаем:

 ii ,

т.е.

 ii ,

где

 W(p,pR) = .

В итоге получилось интегро-дифференциальное уравнение.

Если V(r)есть полином от r2,т.е. включает сумму членов вида

 Vn = anr2n,

то eсть уравнение Шредингера сводится к дифференциальному. Действительно, в этом случае

Wn(p,pR) = =

= an (-i2Ñ2p )n = an(-i2Ñ2p )nd(p-pR);

ò Wn(p,pR) (pR,t)dpR = an(-i2Ñ2p )nò d(p-pR) (pR,t)dp = an (-i2Ñ2p )n(p,t);

ii(p,t) = (p2 /2m +an(-i2Ñ2p )n) (p,t).

Важный пример - изотропный гармонический осциллятор, с

 V(r)= (2  k/m).

В координатном представлении уравнение Шредингера записывается как

 iiy(r,t) = -i2/2mÑ2 y(r,t) + (m w2 r2/2)y(r,t).

В импульсном представлении, учитывая, что n = 1 и a = mw22, имеем:

 ii(p,t) = p2/2m(p,t) - i2mw22Ñ2(p,t)

Уравнения с точностью до переобозначения констант идентичны, а значит идентичны и их решения. Но они, как функции в координатном и импульсном представлениях, должны быть связаны преобразованием Фурье. Поэтому, если не обращать внимания на константы, волновые функции изотропного гармонического осциллятора инвариантны относительно преобразования Фурье: сами функции и их фурье-образы практически совпадают. Таким свойством обладают функции Эрмита и только они, и мы предсказываем волновые функции стационарных состояний осциллятора.

КАРТИНЫ ШРЕДИНГЕРА И ГЕЙЗЕНБЕРГА

Зависимость от времени можно ввести в квантовую механику разными способами. Они называются разными картинами (представлениями).

До сих пор мы пользовались картиной Шредингера, в которой считается, что всю зависимость от времени несут векторы состояния (волновые функции), а в операторы наблюдаемых она может входить лишь в исключительных случаях (например, в гамильтониан системы, находящейся в нестационарных внешних условиях). Основным динамическим уравнением в картине Шредингера является уравнение Шредингера.

iiyш(t) = ш yш(t).

Оно позволяет связать вектор состояния yш(t) в произвольный момент времени t с вектором состояния yш(t0), заданным в начальный момент . Ведем оператор эволюции ) определением

 yш(t) = )yш(t0).

Так как нормировка векторов не должна меняться во времени, имеем:

1 = áyш(t0)Uyш(t0)  = áyш(t)Uyш(t)  = áyш(t0)  yш(t0) ,

т.е. ) должен быть унитарным оператором:

 .

Если гамильтониан  не зависит явно от времени (стационарные внешние условия), то оператор эволюции может быть выписан в явном виде:

) =

Тогда

 yш(t) = .

Дифференцируя это соотношение по времени, найдем::

  yш(t) =- i/iш=- i/iш yш(t)  ii yш(t) = ш yш(t),

т.е. получим уравнение Шредингера, как и должно быть.

Перейдем теперь к картине Гейзенберга, совершая унитарное преобразование

 yг(t) = yш(t) =  )yш(t0) =

= yш(t0) = yш(t0)

т.е.

 yг(t) = yш(t0) = yг(t0)  yг.

Таким образом, в картине Гейзенберга векторы состояний не меняются во времени: один и тот же вектор описывает состояние системы во все моменты времени.

Но теперь вся зависимость от времени перекидывается на операторы наблюдаемых, унитарное преобразование которых дает

 г(t) = ш) .

При унитарном преобразовании средние значения наблюдаемых не меняются. Их в разных картинах можно записать как

 áFñ (t) = áyш(t) Uш yш(t) =

= áyгUш)yг = áyгUг(t) yг.

Таким образом, зависимость от времени средних значений не зависит от выбора картины, а именно она-то и является самой главной.

В картине Гейзенберга уравнения Шредингера нет, так как векторы состояний постоянны. Основные динамические уравнения формулируются для операторов. Чтобы получить их, найдем сначала уравнение, которому подчиняется оператор эволюции и сопряженный ему. Имеем:

 yш(t)  = )yш(t0) .

Дифференцируем по времени:

 iiyш(t)  = ii)yш(t0) .

С другой стороны, согласно уравнению Шредингера,

 iiyш(t)  = ш yш(t0)  = ш yш(t0) .

Сравнение дает уравнение

 ii) = ш ),

к которому нужно добавить очевидное начальное условие

.

Переходя к сопряженному уравнению с учетом эрмитовости найдем

  ii = ш

Гамильтониан в КГ имеет вид

 г = 

Если

,

то мы выносим ш налево и пользуемся унитарностью . Тогда получим

 г (t) = ш  .

Это справедливо, в частности, когда ш не зависит от времени и (см. выше)

.

Очевидно, что в этом случае .

Теперь, пользуясь уравнениями для  и , мы можем получить динамические уравнения для операторов наблюдаемых в картине Гейзенберга:

 г(t) = .

Дифференцируем по времени: 

 г(t) =

 

.

В итоге получаем уравнения Гейзенберга - динамические уравнения в картине Гейзенберга:

 г(t) ,

где по определению

.

Картина Шредингера хороша при практической работе (уравнения для векторов состояний в определенном представлении становятся дифференциальными уравнениями для обычных функций - волновых функций). Картина Гейзенберга с этой точки зрения хуже (уравнения для операторов), но она хороша при общих размышлениях. В частности, позволяет с легкостью обсудить законы сохранения.

FILENAME lecture05.doc

 -  PAGE 32 -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7941. Особливості розвитку культури Галицько-Волинської держави 26.1 KB
  ТЕМА: Особливості розвитку культури МЕТА: створити умови для: розуміння учнями всіх особливостей розвитку культури Галицько - Волинського князівства розвитку аналітичного та логічного мислення учнів на основі опрацювання істо...
7942. Освіта у XVIII - XIX ст. та роль Києво-Могилянської академії в культурному та історичному житті 110.03 KB
  Освіта у XVIII - XIX ст.та роль Києво-Могилянської академії в культурному та історичному житті Нижча освіта в Україні у кін.17 -поч. 18ст. була дуже поширеною, бо майже кожне село мало свою школу. Існува...
7943. Витоки Української культури 119 KB
  Тема Витоки Української культури. Мета: Розглянути первісну культуру народів, що заселяли території сучасної України розвивати в ліцеїстів вміння розрізняти аспекти культурології як наукового знання виховувати патріотизм та гордість за приналежніс...
7944. Поняття суспільство,суспільне, соціальне, соціум. Суспільство як самоорганізована система 53.5 KB
  Поняття суспільство,суспільне, соціальне, соціум. Суспільство як самоорганізована система У переважній більшості суспільствознавчої літератури (як у минулому, так і тепер) подається тлумачення, що поняття суспільство і соціум є тотожними та рівн...
7945. Поняття про природу. Природа як об’єкт знання та пізнання. 68 KB
  Етимологічно, тобто відповідно до первісного значення слова, поняття природа є похідним від слів при роді (тобто родовій общині, формі спільноти людей, повязаних між собою кровною спорідненістю), при родах, при породіллі (тобто при народженні, адже природа породжує людину). Але це поняття і в літературі, і в буденній мові вживається неоднозначно
7946. Роль природно-історичного середовища і спадковості у формуванні та розвитку людини 46.5 KB
  Тема уроку: Роль природно-історичного середовища і спадковості у формуванні та розвитку людини. Мета уроку: З’ясувати роль природно-історичного середовища і спадковості у формуванні та розвитку людини, сформувати природні, соціокультурні та дух...
7947. Сутність людини та сенс людського життя 22.85 KB
  Тема Сутність людини та сенс людського життя Мета: Проаналізувати та визначити основні поняття сутності людини та сенсу людського життя розвивати вміння критично аналізувати різні точки зору на певну проблему виховувати толерантне ставлення до пра...
7948. Ценообразование. Конспект лекций 526.5 KB
  В конспекте лекций изложены основные подходы к ценообразованию на современном этапе, рассмотрены вопросы государственного регулирования цен и ценовой политики предприятия. Содержание Введение...
7949. Понятие внутренней картины болезни и здоровья 283.5 KB
  Понятие внутренней картины болезни и здоровья. Определение понятия внутренняя картина болезни. Внутренняя картина болезни = понятие, введенное отечественным терапевтом Романом Альбертовичем Лурией. Лурия Роман Альбертович, (1874-1944гг)...