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 > 5.2 对称性与守恒量 > 5.2.1体系的对称变换 幺正变换
这一节我们来讲
对称性和守恒量之间的关系
首先讲
什么叫做体系的对称性变换
我们知道有许多物理系统
在一些变换之下是不变的
这种不变性也被称为对称性
那么在量子力学里
系统的状态用
波函数ψ来描写的ψ
随时间的演化
服从薛定谔方程
现在我们假设ψ
受到了某种变换
这个变换有两个条件
第一它不依赖于时间
第二它是可逆的
那么
我们就可以把这个变换
形式的写为ψ变为ψ′
而ψ′是借助一个
算符Q来完成的
那就是ψ′等于Qψ
前面我们讲到
在量子力学里
力学量用算符来代表
现在我们又为算符赋予了
另外一个意义
那就是它代表一个变换
其实这二者是一致的
以后我们就会有一个
进一步的理解
由于我们假设Q是可逆的
所以这个变换
也可以反过来写成为ψ
等于Q的逆作用于ψ′
Q的逆我们表示成为
Q指数上负1
那么什么叫做
系统对于这个变换
是不变的呢
那就是ψ′服从
与ψ相同的运动方程
也就是说
它也满足同样的哈密顿量
H所决定的那个薛定谔方程
就是ihbarψ′对t的偏导数
也等于H作用于ψ′
那么我们知道ψ′
等于Q作用于是ψ
而Q是和时间无关的
所以说把ψ′
代到上面这个方程里边来
就得到底下这个方程
而这个Q可以写在
时间偏导数的左边
然后
我们再考虑到Q是可逆的
所以可以在这个等式的两边
乘以Q的逆算符
于是左边就不再出现
而右边的最左方
出现了一个Q的逆
因些这个地方称为
Q逆HQ作用于ψ
而我们知道ψ
本身是满足原来的
薛定谔方程的
所以说
从这个式子马上就可以得到
Q逆HQ就等于H
再进一步
我们还把这个式子的两边
同时乘以Q
于是左边就变成了Q乘以H
而右边就变成了H乘以Q
再把等式的右边移到左边来
于是就变成了QH减去HQ
而这正好是
Q和H的对易括号
而这个对易括号是等于零的
于是
我们就把这样的一个事实
就是系统在变换Q的作用下
保持不变
取得了一个数学的关系
就是Q和H的对易括号
等于零
对于这种变换
我们就称为系统的对称变换
由于在量子力学里
可观察量
都是和波函数的内积
联系在一起的
比如说
某个力学量的平均值
就是这个力学量算符
和波函数所构成的内积
如此等等
所以
系统在变换之下的不变性
也应该要求在变换之后
波函数的内积保持不变
也就是说在变换之后的
任意两个波函数
比如说ψ′和Φ′
所构成的那个内积
应该等于变换以前的
同样的内积
如果我们把这个变换
代到内积的表达式里边
那么自然是
成为Q作用于ψ和
Q作用于Φ的那个内积
然后就利用所谓的
厄密共轭算符的定义
可以把这个Q拿到右边来
然而要变成它的厄密共轭
于是
这个内积就可以重新写为ψ
与Q厄密共轭
乘以Q作用于Φ的内积
那么根据刚才我们所说的
左边的变换之后的内积
应该等于变换之前的内积
由于这两个波函数
都是任意取定的
所以说我们必须要求
这样的一个算符的乘积
应该是一个单位算符
或者叫做一个恒等变换
于是我们就得到了
Q厄密共轭乘以Q
应该等于单位算符
而在线性代数里
大家都知道
如果有两个矩阵
它们的乘积是单位矩阵的话
那么把它们的次序交换一下
仍然是单位矩阵
这个事实对于算符来说
也是成立的
所以说
不但Q厄密共轭乘以Q
等于单位算符
而且Q乘以Q厄密共轭
也等于单位算符
满足这种条件的变换
我们称为幺正变换
而Q称为幺正算符
当然这里边特别要注意
尽管我们这里也用到了
Q的厄密共轭
但是
幺正条件和厄密条件
是不一样的
厄密条件是Q的厄密共轭
等于Q
而现在呢是Q的厄密共轭
乘以Q等于单位算符
我们来看一看这个
对称变换的条件
那就是
Q和H的对易括号等于零
我们发觉它非常熟悉
因为在形式上
这个条件和
守恒量的那个条件
是完全一样的
因为前面我们讲到了
如果某一个算符代表力学量
记作F它和H是对易的
那么它就是守恒量
因此我们从这个条件
似乎能够得出
Q是一个守恒量的结论
问题是刚才我们已经强调了
守恒量意味着
这个算符应该是厄密的
可是Q满足的幺正条件
不是厄密条件
所以说Q尽管满足这个方程
却不一定是一个守恒量
因为
它不一定是一个厄密算符
那么我们马上就可以想到
我们能不能
利用这样的一个条件
与某种方法产生出来一个
守恒的力学量呢
如果
这个对称变换依赖于一个
连续的实参数
这里边就用到了一个所谓
连续变换的这样一个概念
直接的就理解为
这个变换包含参数
而这个参数可以从零开始
连续的变化
那么
我们就可以利用
下面这个方法
从幺正算符得到厄密算符
主要的是考虑
所谓恒等变换附近的一个
无穷小的邻域
也称之为无穷小变换
也就是说这个Q是单位算符
或者说恒等变换
加上一个i这是虚数单位
ε是一个无穷小的实参数
乘以F
这里的
是一个形式上定义的
一个新的算符
那么我们就可以
把这样的
代入那个幺正条件
也就是说
让Q厄密共轭乘以Q等于I
而现在的Q
是这样的一个表达式
这里边有厄密共轭
使得这个表达式里边的I
变成-I F变成它的厄密共轭
这个Q就是原来那个
无穷小的表达式
由于ε是一个无穷小量
所以说把这样一个乘积
展开以后
我们可以把ε
平方的那一项舍掉不要
于是就变成了
单位算符
加上iε而括号里边是
F-F^dagger
它应该等于单位算符
那么这样一来
这个括号就应该等于零
于是我们就得到了
F是等于F的厄密共轭
也就是说
F是一个厄密的算符
当然由于Q本身是和
H可以对易的
而单位算符
当然和F可以对易
所以它也就导致了
F和H是可以对易的
而同时它又是一个厄密算符
可以代表力学量
于是我们的结论就是
F是一个守恒的物理量
这样我们就从对称性
得到了守恒量
这样的一个算符
称为Q的无穷小算符
或者叫做Q的生成元
当然以上的推导
并没有指定ε
究竟是一个什么样的参数
这也就导致
F并没有完全确定下来
因为
它可以包含任意的常数因子
或者说F的单位是没有确定
-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