当前课程知识点:量子力学(上) > 第四章 力学量用算符表示 > 4.1 算符及其运算 > 4.1.4算符的对易关系
对于算符而言
一个很重要的特点是
它们的乘法一般是
不满足交换律的
或者说乘法是不可交换的
这样一来
为了表达两个算符的
这样的关系
我们就定义一个
这样的表达式
它记作 [F̂, Ĝ]
其实就等于
F̂Ĝ - ĜF̂
这个表达式有个名字
叫做对易括号或者是
对易子
所以说两个算符
如果它们的乘积
是可以交换顺序的
也就是说
F̂Ĝ 等于
ĜF̂ 的话
那么
这个对易括号就是零
这个时候
我们就称 F̂ 和 Ĝ 是对易的
否则的话
就称为它们是不对易的
对易也就是可以交换
由于我们以后要经常用到
各种不同算符的对易括号
所以这里
列举一下对易括号的
一些基本的性质
第一条
对易括号是交换反对称的
那就是
[Â, B̂]
等于 -[B̂, Â]
这一点从对易括号的定义
马上就可以知道
第二条
对易括号是一个线性的运算
意思是说
把对易括号里边的
某一个算符换成算符的和
那么
它的对易括号
也就是两个对易括号之和
这个加法
可以放在左边的算符
也可以放在右边的算符
这个规则都是成立的
而且如果用常数乘以算符
那么
其实也就是对易括号之后
乘以这个常数
无论这个常数
出现在左边
还是出现在右边
第三条
我们有的时候
需要去先做算符的乘积
然后再做对易括号
我们把它称之为
算符乘积对易括号的展开
这个规则是这个样子的
假设先用 ÂB̂
然后再和 Ĉ 做对易括号
那么它也出现两项
一项把 Â 提到对易括号之外
乘以 [B̂, Ĉ]
而另外一项
是把 B̂ 提到对易括号之外
乘以 [Â, Ĉ]
这里一定要注意
左边和右边的
 和 B̂ 的左右顺序
是不可以颠倒的
也就是
把 Â 提到对易括号之外
一定向左移动
而把 B̂ 提到对易括号之外
一定向右移动
类似地,也可以让
对易括号里边的右边的算符
是一个乘积
那么也是有两项之和
其中一定要把
原来在左边的那个算符
向左移动
原来在右边的那个算符
向右移动
由于这样的
乘积对易括号的展开
以后会经常地要用到
所以这里
特别地要证明一下
比如说这个式子
那就是
 和 B̂ 乘积之后
和 Ĉ 取对易括号
那么
先按照对易括号的定义
它应该等于
ÂB̂Ĉ - ĈÂB̂
那就是
这两个算符交换求差
那么下面我们做一个技巧
就是插入一正一负的这两项
因为这两项实际上是
完全相等的
所以说
等于插进去一个零项
它的顺序是
 没有动
把 B̂ 和 Ĉ 交换一下
构成的一个这样的项
只不过这是负这是正
那么
然后我们就利用分配律
把它写成为
因为 Â 在这两项当中
是同时在左边的
所以说可以把它写成
Â(B̂Ĉ - ĈB̂)
而后面这一项呢
B̂ 是共同的在最右方
可以把它拿到这个括号之外
括号里边是 ÂĈ - ĈÂ
大家很容易发觉
这个括号里边
就是 B̂ 和 Ĉ 对易括号
而这个括号里边
就是 Â 和 Ĉ 的对易括号
所以说
这样的一个乘积的对易括号
成为这样的两项之和
这是
上页写的那个第一个式子
而第二个式子的证明
也是完全类似的
如果我们来考虑
三个算符的二重对易括号
那么它们存在着一个
恒等的关系
这个关系叫做雅可比恒等式
就是这样的一个式子
我们看这是一个
三项的二重对易括号之和
所谓二重对易括号是
比如说这一项是 B̂ 和 Ĉ
先做对易括号
然后
再拿 Â 和这个对易括号
再做对易括号
那么
这三项的顺序关系
叫做循环置换
比如说从这一项
得到这一项的规则是
把 B̂ 向左移动一个
Ĉ 也向左移动一个
然而把 Â 调到最右方来
所以说这里边的顺序是
B̂, Ĉ, Â
当然,对易括号如何来进行
这个次序这两个是没有动的
而这一项
又再一次是它的
一个循环置换
那么雅可比恒等式告诉我们
这三个二重对易括号之和
是零
其实这个等式很容易证明
那就是
把每一个对易括号
都按照它的定义
写成为算符的乘积之差
那么展开之后你就发觉
它们所有的项都正负对消
最后给出的是零
量子力学的基本算符
是坐标算符和动量算符
所以我们要了解一下
它们之间的对易括号是什么
这就是量子力学的
基本对易括号
首先来看坐标算符
由于现在我们有
x, y, z 三个坐标
在这里用角标 i 来表示它们
那么这就意味着比如说
x̂ 和 ŷ 的对易关系
由于 x̂ 和 ŷ
就是 x, y 坐标自己
这就意味着
它们两个的乘积交换
并且求差
那么由于它们都是实变量
这个乘积是可以交换的
所以这个对易括号是零
这里边是说的动量的
两个不同分量之间的
对易关系
我们知道
动量算符就是偏微分算符
乘以常数
所以说
这样的一个对易括号
意味着两个二重偏微分运算
次序不同
再求它们之间的差
而在多元函数微分学里边
我们知道
二重偏微分运算
是和微分次序无关的
也就是说这个差值是零
因此
动量算符的
两个不同分量之间
是可以对易的
但是
如果我们来考虑
动量算符和坐标算符
之间的乘积的差的话
它们就不再是零了
这个对易括号是
p̂ 的第 i 个分量
和 x̂ 的第 j 个分量
之间的对易括号
是一个常数 -iℏ
乘以这样的一个符号
这个符号有两个下标
它的意义是
当这两个下标相等的时候
这个符号代表 1
当这两个下标不相等的时候
这个符号代表 0
那么具体地说
假如我这里考虑的是
p̂1 和 x̂1 的交换
那么这就意味着
i 和 j 是相等的
这个对易括号是 -iℏ
而假如我考虑的是
p̂1 和 x̂2 的对易括号
那么 1 和 2 是不等的
这里是零, 意思就是
p̂1 和 x̂2 是可对易的
如此等等
这个符号
我们以后是经常用到的
它被称为克罗尼克符号
由于这个关系
具有非常重要的意义
所以我们要来证明一下
第一步
先把这样的一个对易括号
作用于 ψ
然后把对易括号的定义
展开为两项之差
它们分别地去作用于 ψ
那么我们知道
这个乘积算符
作用于 ψ 的意义是
先用这个算符作用于 ψ
这也就是一个简单的乘法
然后再用这个算符
作用于这样的作用的结果
于是这个偏微分应该写在
x 乘以 ψ 之后
再去做偏微分
这项是先做偏微分
再做乘法
所以说
这两顶分别地写成为
这样的不同的两项
然后我们知道
这是两个函数的
乘积的一个微分
它本身又成为两项
第一项
是 ψ 不被微分
这里的 xj 对 xi 做微分
那么我们知道
当 j 和 i 相等的时候它是 1
j 和 i 不等的时候它是 0
这正好就是
克罗尼克 δ 符号
另外一项
应该是 ψ 被微分
而 xj 不被微分
于是就成为这一项
我们马上发现
这样的两项是一正一负
彼此消掉的
于是最后
就只剩下了一项
就是 -iℏ 乘以 δij
然后再乘以 ψ
于是最后我们把
整个这个式子
从这儿走到这儿
由于它们作用于任何的 ψ
这两端都是相等的
因此这个对易括号
也就等于 -iℏδij
有了上面的基本运算法则
我们就不难证明
底下的一些进一步的结果
第一
如果我们有一个任意的
力学量 F̂
那么它总可以表示成为
坐标算符和动量算符的
一个函数
这里我们暂时先考虑
一维情形的话
那么
很多的情况下
我们需要做这个算符 F̂
和坐标算符的对易关系
那么根据上面的运算法则
就很容易证明是这样的
这里是 x̂ 和 F̂ 的对易括号
这有个常数是 iℏ
乘以这样的一个新的算符
那就是
先在经典力学的意义上
去做 F 这个函数
对于 px 这个变量的偏微分
然后再把这个偏微分的
结果函数一起都变成
量子力学的算符
这里之所以会出现一个常数
iℏ
那是因为
比如说
我们去做 x̂ 和 p̂x 的对易括号
那只不过是把刚才所写下的
p̂x 和 x̂ 的对易括号
交换一下位置
因此原来是 -iℏ
现在变成了 +iℏ
那么完全类似地
也就很容易证明
这样的一个关系
那就是如果去做
p̂x 和 F̂ 的对易括号
那么是这个常数是
-iℏ 乘以 F 对 x 的
偏微分的算符
这个式子在我们以后考虑
比如
哈密顿量算符的
不变性的时候
会有很重要的应用
刚才只是用 x 坐标作为例子
那么很容易想到
它们对于 y 坐标和 z 坐标
也是类似的
然后我们考虑
以后也会经常碰到的一个
物理量
那就是粒子的轨道角动量
它的经典力学的定义就是
L = r × p
只要把这里边的经典量
都换成算符
它就变成了量子力学里的
算符的定义
进一步说
p̂ 现在可以理解成为 -iℏ
乘以算符 ∇
如果我们把这里的叉积
再具体地写下来的话
那么大家知道
两个矢量的叉积
仍然是一个矢量
这个叉乘之后的
矢量的三个分量
分别地由原来的
这两个矢量的三个分量
以这种方式来构成
比如说 L̂ 的 x 分量
它的第一项是
ŷ 乘以 p̂z
然后减去 ẑ 乘以 p̂y
L̂ 的 y 和 z 分量也是类似的
在这里我们再一次用到了
循环置换的这个规则
比如说
从这个式子到这个式子
那就是在这里
把 y 向左推移一下
把这个 z 也向左推移一下
然而把 x 调到最右方来
所以说
这一项的 x, y, z 的循环置换
就变成了这一项
其它的各项的得出
也是遵循类似的规则
那么
我们以后在分析
粒子的轨道角动量
这个物理量的时候
就要用到
这三个分量算符之间的
对易关系
那么
根据刚才我们给出的
坐标和动量的
基本对易关系
就很容易证明
比如说
L̂x 和 L̂y 的对易括号
是 iℏL̂z
只要把这个式子
进行 x, y, z 的循环置换
就可以得到
下面的这两个式子
在我们以后的分析当中
还会用到角动量的平方
这个意义本身来说
是和在经典力学里的
矢量平方的定义
是一样的
就是所谓的一个
矢量的平方
就是
它的三个分量的平方之和
所以说我们在量子力学里
也就定义 L̂2 这个算符
是三个分量算符的平方
再相加
这里的算符的平方
意味着算符作用两次
那么再利用
上面的这些关系
就很容易证明
L̂2 这个算符
和这三个分量算符
都是对易的
所有的这些关系
在我们以后分析
粒子轨道角动量
这个力学量的性质的时候
将会起到
决定性的作用
-引言
--引言
-1.1 普朗克的光量子假说
-1.2 玻尔的原子结构模型
-1.3 德布罗意的物质波假说
-第一章 量子力学的历史渊源--第1周作业
-2.1波函数
-第二章 波函数与薛定谔方程--第2周作业
-2.2 薛定谔方程
-第二章 波函数与薛定谔方程--第3周作业
-3.1一维运动问题的一般分析
-第三章 一维势场中的粒子--第4周作业
-3.2 方势阱
-3.3 δ函数势阱
-第三章 一维势场中的粒子--第5周作业
-3.4 线性谐振子
-3.5 一维散射问题
-第三章 一维势场中的粒子--第6周作业
-*3.6 δ势的穿透
-*3.7 周期性势场中的能带结构
--第三章 一维势场中的粒子--第7周作业
-4.1 算符及其运算
-第四章 力学量用算符表示--第8周作业
-4.2 厄密算符的主要性质
-第四章 力学量用算符表示--第9周作业
-4.3 动量本征函数的归一化
-4.4 角动量算符的本征值和本征态
-第四章 力学量用算符表示--第10周作业
-5.1 量子力学中的守恒量
-5.2 对称性与守恒量
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第11周作业
-5.3 全同粒子系统波函数的交换对称性
-*5.4 Schrödinger图画和Heisenberg图画
-第五章 量子力学中的对称性与守恒量--第12周作业
-6.1 中心力场中粒子运动的一般性质
-*6.2 球无限深势阱
-第六章 中心力场--第13周作业
-6.3 三维各向同性谐振子
-6.4 氢原子和类氢离子
-7.1 带电粒子在电磁场中的薛定谔方程
-*7.2 朗道能级
-*7.3 阿哈罗诺夫-博姆(Aharonov-Bohm)效应