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 > *5.4 Schrödinger图画和Heisenberg图画 > *5.4.3 海森堡图画
下面我们就来转而介绍
海森堡图画
从薛定谔图画当中的
波函数和算符可以
进行一个变换
而转到海森堡图画
在波函数这个方面
我们用ψ右上角
加上一个括号H表明
它是在
海森堡图画里的波函数
它就等于这样的一个
时间演化算符作用于
波函数在薛定谔图画里的
那个形式
但是要强调一下
请大家注意
原来我们所写的
薛定谔方程随时间的
演化的那个变换
是e指数上-iHt除以hbar
现在没有这个负号
与此同时
算符在海森堡图画里边的
形式记作F右上角括号H
它等于把算符
在薛定谔图画里的形式
做一个这样的变换
左边乘上一个
时间有关的演化算符
和它是一样的
右边也乘上一个
时间演化的算符
是指数上加了一个负号
也就是说
是这个算符的幂算符
很容易看出
这是一个幺正变换
刚才我们已经指出
对于哈密顿量算符而言
不必在右上角加上H
或者是S
而现在我们就可以看到
这样做的道理
因为假如我把这个式子
应用于
哈密顿量算符本身的话
那么大家就看到了
这里就是哈密顿量算符
当然和它是可以对易的
因此你就可以认为
这两个可以交换一下顺序
把它拿到这边来
而恰好就出现的这个算符
和它的幂的乘积
出来的是单位算符
所以当把这个式子
用到
哈密顿量算符本身的时候
我们看到
它在两个图画里边的
表达式是完全一样的
这就是
H不再加注的道理所在
注意到刚才我所强调的那个
在薛定谔图画里边的
波函数的演化方程
是这样的一个时间演化算符
这里有一个负号
我们马上就发觉
实际上海森堡图画里边的
波函数就是
薛定谔图画里边的
波函数的初始值
因此实际上
它是和时间无关的
至于说海森堡图画里边的
算符随时间的演化
我们可以进行这样的计算
计算一下
海森堡图画里的算符
对时间的偏导数
注意到这个算符自己
是三个因子的乘积
其中和时间有关的
只是最左边的和
最右边的因子
因此这样的一个
对时间的偏导数
包含两项
一项是这个因子
对时间求偏导
一项是这个因子
对时间求偏导
而这个导数的做法
完全类似于刚才我们所说的
这种指数算符对时间偏导的
那个过程
因此这里出现的是一个
H注意前面是
正的i除以hbar
然后乘上同样的
这个指数因子
而这里边对时间的偏导
出来的是负的i除以hbar
拿下一个H
然后我们重新
把这一部分换成
海森堡图画里的算符
这个也完全类似
变成海森堡图画里的算符
然而注意
第一项是H在F的左边
第二项是H在F的右边
并且第二项是负号
我们就发觉
这里可以把它简化成为
ihbar分之一
F和H的对易括号
我们把上面的两个式子
合起来重新写一下
那就是这样的两个方程
在海森堡图画里
波函数是和时间无关的
因此这个偏导数等于零
然而算符是和时间有关的
它随着时间的演化
满足这个方程
这就是
海森堡图画里的基本方程
由于我们刚才引入的
从薛定谔图画到
海森堡图画的变换
是一个幺正变换
所以在这两种图画里边
算出来的波函数的内积
和算符的平均值等等
都是一样的
因此
它们所给出的
物理可观察量的数值
也是一样的
也就是说
它们给出
完全一样的物理预言
我们看一下刚才给出的
海森堡图画里的
算符随时间演化的方程
不难发现对它取平均值
就得到了
前面我们已经介绍过的
埃伦费斯特定理
如果我们把
量子力学的这两种图画
和经典力学做一下对比
我们发觉
在薛定谔图画里边
力学量算符是与时间无关的
这个性质就非常不同于
经典力学里
对于力学量的理解
而在海森堡图画里边
力学量算符是随时间变化的
这和经典力学里边
对力学量的理解是一致的
不仅如此在方程的形式上
它们也比较容易加以对比
在经典力学里
我们有所谓的
力学量的正则运动方程
那就是力学量对时间的导数
是它和系统的哈密顿量的
泊松括号
那么
如果我们把这个等式里边的
力学量都换成算符
并且用对易括号除以hbar
去代替泊松括号
我们正好就得到了这个方程
而这个方程就是
海森堡图画里的力学量算符
所满足的方程
所以有的时候
这个方程也被称为
量子力学里的运动方程
但是注意
它是在海森堡图画里边
写出来的
尽管在量子力学理论里边
薛定谔图画和海森堡图画
都占有很重要的地位
但是为了简单起见
我们这门课将一贯的使用
薛定谔图画的语言
如果有些同学以后
学习量子场论的理论的话
你会发觉在量子场论里边
更经常使用的是
海森堡图画的语言
-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