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 > 5.2.2 空间平移不变性与动量守恒
下面我们就举
具体的由某种不变性
导致守恒量的例子
首先来看空间平移
为了简单起见
我们就观察一维系统
也就是说一个粒子
在x轴上运动
我们来考虑x轴的一个平移
它就表示为x变为x′
等于x+δx
对于这个变换
可以有两种理解
一种是坐标系并没有移动
而是物理系统
整个的移动了一个距离
就比如说
我作为一个物理系统的代表
我向右走了一步
这意味着我做了一个平移
另外一种理解
是物理系统并没有移动
而是坐标系移动了一个距离
列举刚才那个例子
那就是假如我没有动
但是这个大屏幕
向这个方向移动了一个距离
那么结果也是一样的
这两种不同的变换的理解
前者称为主动的变换
那是因为物理系动了
而后者称为被动的变换
那是因为物理系没有动
坐标系动了
当然这两种变换的结果
其实是一样的
可以说
它们是一种互逆的关系
这因为运动本身就是相对的
所以
它们并没有本质上的差别
但是这两种不同的理解
导致后边
在理论上处理变换的时候
有一些差异
所以说我们还是要把
究竟立足于什么样的理解
加以明确
在我们这个课程里
我们将采用主动变换的理解
因此对于平移而言
它所导致的波函数的变换
是ψ′表示变换之后的
系统的状态
x′表示变换之后的坐标
它等于ψ
变换以前的那个波函数
在x变换以前的
那个坐标点的值
为什么对于主动变换而言
是这个等式呢
我们看这个图
就可以了解了
这条曲线表现的是
变换以前的波函数
这条曲线表现的是
变换以后的波函数
比如说我们以这一点的值
作为例子
那就表明ψ
在x这一点的值等于ψ′
在x′这一点的值
我们把平移变换代进去
这就表明ψ′在x+δx的值
等于ψ在x这一点的值
但是x是一个变量
所以我们也可以把这个+δx
拿到这边来变成-δx
所以这个式子也可以写成为ψ′
在x点的值
等于ψ在x-δx这一点的值
对于这个式子
我们可以利用大家
在数学分析里所熟知的
泰勒展开的表达式
但是由于
δx是一个无穷小量
所以说ψ′的展开
实际上只需要保留到
δx的一阶项
也就是说
ψ′(x)等于ψ(x)减去
δx乘以ψ对x的导数
如果我们把ψ(x)一起拿到
这个方程的最右边
那么可以把它写成一个
变换的样子
那就是这里是1
其实也就是单位算符
或者叫做恒等变换
然后减去一个无穷小的δx
乘以这样的一个算符就是
对x求导的算符
合起来作用于ψ(x)
前面我们已经引入了一个
所谓的无穷小变换的
一个表达式
那就是
括号里边是单位算符
加上iε乘以一个算符F
这样比较而言
我们可以把这里的δx
认为是无穷小量ε
然而正象前面所讲的
在这个表达式里边的
F的单位是并不定的
为了把这个量
完全的确定下来
我们做这样的安排
那就是第一
把这里的加号变成减号
第二这里除了一个hbar
再把它的新的算符定义为p_x
那么很明显
这个p_x就应该是负的ihbar
乘以一个对x的微分算符
而这个算符
当然是一个厄密算符
那么我们发觉
这个算符不是别的
正是沿x方向的动量算符
刚才我们讲到的是
无穷小的平移变换
假如进行的是
非无穷小的平移变换
这里我们把它写成为
x′等于x+a 这个a
不一定是一个无穷小量
那么
重新把这个波函数的变换
写下来的话
那就变成了ψ′在x点的值
等于ψ在x-a这一点的值
而我们把泰勒展开
完整的写下来的话
它是一个无穷级数
而这个级数
也可以用一种变换的形式
来表达
因为这里的-a的n次幂
除以n的阶乘
再乘以对x的n阶导数
它正好是一个
指数函数的无穷级数展开
这个指数函数是
这样的一个指数函数
指数上是
-a乘以对x的微分算符
用它作用于ψ(x)
正好就得到了这个表达式
而我们再回忆刚才引入的
p_x的定义
它就可以写成为
指数上-ia乘以p_x再除以hbar
这样的一个算符作用于ψ
当然根据我们前面的推导
大家就知道
这样的一个指数算符
是一个幺正算符
这个过程称之为
幺正算符的指数化
这是一个问题
那就是空间平移
导致系统波函数产生
什么样的变化
另一方面的问题
我们要考虑这个系统
是空间平移之下不变的
它的意思就是
H是x的函数
当我们把坐标x
做一个平移变换的时候
这个H并不发生改变
这就意味着H是一个
空间平移不变的量
也就是说
H对x的导数等于零
而一方面
我们原来已经知道了
这种导数可以利用对易括号
来表出
以前我们证明过这样的公式
于是这个H对x导数等于零
也就同时意味着
p_x和H的对易括号等于零
而这也就表明
p_x是一个守恒量
所以现在我们就得到了
系统的空间平移不变性
和动量守恒之间的一个联系
如果我们把刚才的论述
也推广到
沿着y和z方向的平移
那么我们就得到了
三维空间的平移
它可以用矢量的形式
把它写成这个样子
这个时候这个δr
是一个无穷小的三维矢量
相应的说波函数的变换
也就用以这样一个
无穷小的矢量作为一个参数
这时候要有一个点乘运算
因为这个时候的p
也变成了一个矢量
而它的表达式
很显然就是
-ihbar乘以倒三角算符
而它正好就是
三维空间的动量算符
完全类似的和前面所说的
平移不变性联系在一起
这时候的空间平移的不变性
就变成了H当r有一个
平移变换的时候保持不变
那么它也就导致了
三维的动量算符
和H的对易括号等于零
也就是说
三维动量p
现在是一个守恒量
很容易把
空间平移和时间平移
联系起来考虑
刚才我们证明的是
空间平移的不变性
导致了动量守恒
那么很容易推想到
对于时间平移不变而言
应该是时间平移不变性
要导致能量守恒
其实这件事情
已经是我们所熟知的事实
因为前面我们证明了
如果H和时间是无关的
也就是说
H对时间的导数等于零
那么
它就是H在时间平移下不变
那么H这个时候
就是一个守恒量
同时它的物理意义就是能量
-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