当前课程知识点:量子力学(上) > 第五章 量子力学中的对称性与守恒量 > 5.1 量子力学中的守恒量 > 5.1.1 力学量的平均值随时间的演化
现在我们来讲第五章
量子力学里的对称性
和守恒量
首先讲一下
量子力学里的守恒量的意义
为了了解这个问题
我们从研究力学量的平均值
如何随时间演化开始
我们知道
假如我有一个力学量 A
它在态 ψ 上的平均值
是这样的一个表达式
A 平均值等于 ψ 和 Âψ
的内积
所谓的内积
实际上是一个积分
就是 ψ 的复共轭
乘以 Âψ 再积分
当然
这个表达式有一个条件
就是 ψ 已经归一了
我们这里
设 ψ 是与时间有关的
那么 ψ 随时间的变化
要满足薛定谔方程
那就是 ψ
对 t 的偏导数等于
1/iℏ Ĥψ
当然要注意
这里
不仅仅 ψ 是和时间有关的
一般地说, Ĥ 和 Â
也都可能和时间是有关的
这样我们就可以来求
A 的平均值对时间的导数
它应该由三项来构成
因为这个内积里边
有三个因子相乘
因此它们的导数
要分别地对每一个因子求导
然后加起来
其中 ψ 对 t 的偏导数
可以用薛定谔方程代进去
这里和这里
代入了薛定谔方程
但是要注意
在内积的这个表达式里边
写在左边的这个因子
在积分里
实际上是
以复共轭的形式出现的
所以
当我们把 iℏ 这样的因子
提到内积符号外边的时候
这一项拿出去的时候
实际上要拿到它的复共轭
因此这里出一个负号
这个因子没有问题
直接拿到内积符号之外
其次我们要注意
Ĥ 是一个厄密算符
因此可以把它从
内积因子的左方移到右方
因此这个式子
就可以重新写为这个式子
那么我们发觉
这两项里边出现的
实际上是 Â 和 Ĥ 的对易括号
因为这是负号
这是正号
所以这个式子
又可以重新写成为
下边这个式子
那么
这项意味着
是 Â 对 t 的偏导数的平均值
这边意味着
前边有一个
1/iℏ 的这样的因子
后边就是
 和 Ĥ 的对易括号的平均值
现在我们把这个式子
从头到最后一个式子
写出来的话
就是
A 的平均值对 t 的导数
是 Â 对 t 的偏导数的平均值
还要加上一项 1/iℏ
 和 Ĥ 的对易括号的平均值
这个式子
就是广义的埃伦费斯特定理
因为埃伦费斯特
在最初推导他的定理的时候
是取了一个特例
下面我们马上就会看到
在量子力学里
算符大多数是不显含时间的
因此
我们先考虑 Â 不显含时间
这种情形
也就是说
 对 t 的偏导数
是等于零的
这样一来
这项就等于零
埃伦费斯特定理
就变成了下面这一个
比较简单的等式
那就是
A 的平均值对 t 的导数
等于 1/iℏ
 和 Ĥ 的对易括号的平均值
埃伦费斯特
最早的时候取了一个特例
那就是让 Â 等于算符 p̂
也就是 -iℏ∇
哈密顿量算符
就是通常所假设的
动能加势能
那么
由于埃伦费斯特定理
出现的是 1/iℏ
 算符和 Ĥ 的对易括号
那么在现在的情形下
就成为这样的对易括号
我们发觉
p̂ 和 p̂2/2m
当然是彼此对易的
因此剩下的就是
p̂ 和势能的对易括号
而再利用 p̂ 的这个表达式
我们发觉这个对易括号
实际上是 ∇
和 V 的对易括号
这时候要注意
它的意义应该理解为
把这样的一个对易括号
作用于任意的波函数
展开
利用微分算符对于
乘积的作用的法则
写成某一个东西乘以 ψ
我们发觉
这前边保留下来的正好是
V 的梯度的负值
而我们又知道
V 的梯度的负值
实际上就是力 f
所以刚才那个等式就变成了
p 的平均值对 t 的导数
等于 f 力的平均值
这个等式
是我们非常熟悉的
牛顿第三运动定律的(注:此处应是牛顿第二定律)
另外一个表现
因为现在
在量子力学的意义上
所有的这些量
都被平均值代替了
这就是
埃伦费斯特最初推导出
他的定理的时候
所写下来的那个等式
由此我们可以理解
量子力学的动力学
和经典力学的动力学
之间的关系
更一般地说
在量子力学里
关于力学量的平均值
随时间演化的那个方程
就是
A 的平均值对时间的导数
是等于 1/iℏ
 和 Ĥ 对易括号的平均值
和经典力学里边的
正则运动方程
就是 A 对时间的导数
是 A 和 H 的泊松括号
看起来非常类似
那么泊松括号的定义
是这个样子的
两个力学量
A 和 B 的泊松括号
是它们对于广义坐标
以及广义动量的
偏导数乘积, 求差再求和的
这样的一个表达式
这个泊松括号
也具有反对称的特点
那就是
A 和 B 的泊松括号
等于负的 B 和 A 的泊松括号
前面我们看到的
经典力学的运动方程里边
写下来的
A 和 H 的泊松括号里的 H
其实就是经典的哈密顿量
所以在形式上说
我们看到量子力学里的
对易括号除以 iℏ
和经典力学里的
泊松括号的地位是一样的
在历史的线索上
曾经提出如何把经典力学
进行量子化
而得到量子力学
那么在经典力学中
把泊松括号换成
量子力学的对易括号
除以 iℏ
是实现这种量子化的
途径之一
-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