当前课程知识点:量子力学(上) > 第四章 力学量用算符表示 > 4.2 厄密算符的主要性质 > 4.2.7 不确定关系的准确形式
不确定关系的准确形式
首先我们先给出一些定义
这个积分
算符F作用在波函数ψ上
然后再乘以ψ的共轭
对全空间的积分
我们称为物理量F的平均值
或期望值
如果这个算符是厄密算符
那么这个物理量的平均值
一定是实数
下面我们对这个定理
作出证明
由完备力学量集的完备性
我们可以知道
波函数ψ可以写成
完备基底的线性组合
也就是说ψ
等于a_k乘上ψ_k
然后对k求和
我们将这个线性组合
代入到平均值的定义中
经过一些简单的计算
我们可以得到
平均值等于a_k模的平方
乘上λ_k对k求和
其中λ_k
就是厄密算符F的本征值
由于
厄密算符的本征值都是实数
因此λ_k是实数
a_k模的平方也是实数
因此平均值也是实数
这样我们就证明了
厄密算符的平均值必是实数
因为a_k模的平方给出了
得到测量值λ_k的几率
因此a_k模的平方乘上λ_k
再对k求和
显然是F的平均值
这也从侧面
说明了物理量F
平均值定义的合理性
下面我们定义偏差算符
它是算符F减去
物理量F的平均值
偏差算符的平均值
显然等于零
偏差算符平方的平均值
我们称为
物理F在态ψ上的
均方偏差也称涨落
对于厄密算符
涨落为非负实数
对于这一结论的证明
我们将在下一页中看到
定理
如果算符F是厄密算符
那么当且仅当ψ
是F的本征态时
F在态ψ上的涨落为零ψ
是F的本征态
是涨落为零的
充分必要条件
它显然是一个充分条件
因为
当ψ是F的本征态时
测量F
一定是有确定的值
因此涨落为零
必要条件
表示为当涨落为零时
那么ψ
一定是算符F的本征态
我们下面
要证明这个定理
我们首先从涨落的定义出发
第一行
写的就是涨落的定义
它是偏差算符平方的平均值
由于在这里F是厄密算符
因此
F减去F的平均值
即偏差算符
也是厄密算符
偏差算符平方可以写成
两个偏差算符的乘积
由于偏差算符是厄密算符
我们可以把最前面的一个
偏差算符
写到这个ψ的共轭的里面
那么从这个式子
我们可以看到
它恰巧是
偏差算符作用在ψ上
模的平方
对全空间的积分
这显然是一个
大于等于零的数
这也证明了
我们之前的一个结论
也就是
如果F是厄密算符
那么
涨落是非负的实数
如果涨落为零
那么必定有偏差算符
作用在ψ上等于零
偏差算符
作用在ψ上等于零
就是算符F的本征方程
因此ψ
就是算符F的本征态
因此我们也证明了
上面的定理
我们在之前的章节中提到
一对对易的算符
具有同时本征函数
那么同时本征函数的
物理意义
就在于
当在同时本征函数下
测量这一对对易的算符
所对应的物理量时
这两个物理量
都有确定的值
那么
如果厄密算符
F和G不对易
也就是
F和G的对易等于
i乘上C这个算符不等于零
在这种情况下
力学量F和G
通常
不能同时有确定的值
那么
它们涨落之间的关系
就是不确定关系
不确定关系的准确形式
推导如下
我们引入一个函数I(ζ)
其中ζ是一个实参数
这个参数
定义为如下的形式ζ
乘上F的偏差算符减去
i乘上G的偏差算符
作用在波函数ψ上
的模的平方
然后再对全空间求积分
那么这个函数
显然是大于等于零的
我们将这个积分
写成内积的形式
那就是ζ
乘上F的偏差算符
作用在波函数ψ上
减去i乘上G的偏差算符
作用在波函数ψ上
对自己的内积
这个内积
可以展开为以下的四项
分别是
左边这个函数的第一项
和右边的
函数的第一项的内积
加上左边函数的第一项
和右边函数的第二项的内积
再加上左边函数的第二项
和右边函数的第一项的内积
再加上左边函数的第二项
和右边函数的第二项的内积
由于F的偏差算符
和G的偏差算符是厄密算符
因此我们可以将
左边的算符
放到右边算符的前面
得到ψ
和偏差算符的平方
作用在ψ的内积
加上这个内积就可以写成ψ
和F的偏差算符
乘上G的偏差算符的
作用在ψ上的内积
如此等等
我们还可以将第二项
和第三项写在一起
这显然是
F的偏差算符
和G偏差算符的对易
因此我们就得到了
这样的一个公式
因为F的偏差算符
是F算符减去
F的平均值
G的偏差算符
是G算符
减去G的平均值
因此
F和G的偏差算符之间的
对易实际上
就等于F和G的对易
因此我们也可以把这个公式
写成F和G的对易
那么这个第二项的内积
实际上就是
F和G对易的平均值
第一项的内积
给出的就是F的涨落
那么最后一项的这个内积
给出的就是G的涨落
因此
我们得到最后的一个答案
F的涨落乘上ζ的平方
减去i
乘上F G对易的平均值
乘上ζ再加上G的涨落
由于我们之前知道
这个函数iζ
是大于等于零的
因此这个二次三项式
也是大于等于零的
根据二次三项式
判别式的性质
我们得到
线性项系数的平方
也就是负i F G对易的
平均值的平方
减去
4倍的平方项前边系数
就是F的涨落
乘上常数项G的涨落
是小于等于零的
或者我们可以表示为
F的涨落乘上G的涨落
大于等于四分之一的
负i F G的对易的
平均值的平方
由于我们之前已定义了
F和G的对易
等于i乘上算符C
因此
右侧就等于四分之一
算符C平均值的平方
这就是准确的
海森伯不确定关系
在数学上
它称为施瓦茨不等式
例如
坐标算符
和动量算符的x分量
是不对易的
它们的对易括号等于ihbar
那么在不确定关系中
F就是x
G就是p_x
C就是hbar
因此我们得到的坐标算符
和动量算符 的不确定关系
就是x的涨落乘上p_x的涨落
大于等于四分之一hbar的平方
通常
我们将这里的不确定关系
两边开根号
那么我们定义Δx
是x涨落的开根号
Δp_x是p_x涨落的开根号
那么我们就得到了Δ
x乘上Δp_x大于等于
二分之一hbar
这是一个
我们常见的形式
在不确定关系中
等号所对应的状态
通常称为
最小测不准态
这里要说明的是
并不是所有的量子系统
都存在最小测不准态
接下来
我们举例说明
我们举的例子
是一维谐振子系统的
零点能
这里的零点能
是指的一维谐振子的
最小能量
从经典力学来看
一维谐振子的
最小能量就是零
也就是当它不振动的时候
接下来
我们将推导量子力学中的
零点能
一维谐振子系统的
哈密顿时算符
等于
动量算符的平方除上
2倍的谐振子的质量
加上二分之一的
谐振子的质量
乘上原频率的平方
乘上坐标算符的平方
因此
能量的平均值
就是
动量算符平方的平均值
除上2倍的质量
加上二分之一的mω平方
再乘上坐标算符平方的
平均值
我们不难证明
对于谐振子的能量本征态
有坐标算符的平均值
和动量算符的平均值
都等于零
因此x的涨落就等于
坐标x平方的平均值
p_x涨落等于
p_x算符平方的平均值
我们将这个关系代入到
能量的平均值中
因此我们得到
以下的公式
接下来
我们就是要求出
能量的平均值的最小值
在这里我们假设
一维谐振子所处的
能量本征态
是最小测不准态
这就意味着
坐标x的涨落
乘上动量p_x的涨落
等于四分之一hbar的平方
这个等式
是我们刚才提到过的
这是一个约束条件
在这个约束条件下
求能量平均值的极值
我们可以应用
拉格朗日乘数法
也就是
我们构造一个新的函数
求出
这个函数f的无条件极值
函数f的第一部分
就是上面的这一部分
就是能量的平均值
那么第二部分
就是约束条件
其中κ
是拉格朗日待定乘子
那么学过经典力学的同学
一定对应用拉格朗日乘数法
求极值的方法并不陌生
因此在这里
我们只给出最后的结论
结果是
极值点出现在
x的涨落等于hbar除上2mω
p_x的涨落等于hbarmω除上2
我们发现
x的涨落和p的涨落
是满足这个约束条件的
我们将x的涨落
和p_x的涨落
代入到这个公式中
就得到能量平均值的
最小值
这个最小值
等于二分之一?ω
称为一维谐振子的零点能
所以在这里我们能看出
量子力学和经典力学的不同
而一维谐振子的
非零的零点能
是不确定关系的结果
得出这一结论的前提条件
是我们的一个假设
因为
我们假设了
一维谐振子的
能量本征态
是最小测不准态
我们在之前的章节中
已经求解了一维谐振子的
波函数
因此
我们不难验证
一维谐振子的基态
确实是最小测不准态
我们这里要说明的是
任何一个系统的基态
未必都是最小测不准态
比如说
我们也曾求解了
无限深势阱的
本征函数
在那里我们发现
无限深势阱的基态
并不是最小测不准态
那么我们自然要问
最小测不准态
存在的条件是什么呢
我想
通过这一小节的学习
同学们可以
自己通过思考
回答这个问题
这就是
4.2节的全部内容
-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