厄米算符

更新时间:2024-04-03 15:09

数学里,作用于一个有限维的内积空间,一个自伴算子(self-adjoint operator)等于自己的伴随算子;等价地说,表达自伴算子的矩阵埃尔米特矩阵。即厄米算符表达了一个厄米矩阵(Hermitian Matrix)。

简介

埃尔米特矩阵等于自己的共轭转置。根据有限维的谱定理,必定存在着一个正交归一基,可以表达自伴算子为一个实值对角矩阵

量子力学中,可以观测的物理量要用厄米算符来表示。算符的厄米性不仅对算符有了很大的限制,而且对波函数也有一些限制。。

物理学

量子力学中的力学量用算符来表示,而实验上的可观测的物理量用厄米算符来表示。因此,要弄清物理量的特点,研究厄米算符的性质就显得尤为重要。此外,在很多量子力学教材中,算符的厄米性通常被认为主要是对算符的限制,而很少关注或说明算符的厄米性对波函数的限制,甚至有很多不准确的表述。其实,为了保证算符的厄米性,常常要求波函数满足一定的条件。

基本内容

定义及性质

其中ϕ ψ 、是任意波函数,则称算符为厄米算符。

厄米算符具有一些重要的性质:

(1)在任何状态下,厄米算符的本征值必为实数;

(2)在任何状态下平均值为实数的算符必为厄米算符;

(3)厄米算符的属于不同本征值本征函数彼此正交;

(4) 厄米算符的本征函数具有完备性

量子力学中力学量用厄米算符来描述

量子体系中的可观测量力学量)用线性厄米算符来描述是量子力学的一个基本假设,其正确性应该由实验来判定。

量子体系中的力学量用相应的线性厄米算符来描述”具有多方面的含义:

一,算符的线性是状态叠加原理所要求的;

二,实验上的可观测的力学量总是实数,力学量相应的算符必须是厄米算符;实际上,这种要求是有些过分了,即使某个力学量的算符不是厄米算符,只要它的本征值是实数即可,但是这样做的结果会使本征矢变成超完备的,以致不便于使用。

三,量子力学里测量值通常不是唯一确定的值,而是具有一定概率分布的一系列的值,这些测量值的平均值可用

(ψ 已经归一化)来表示;

四,力学量之间的关系也可通过相应算符之间的关系(如对易关系)来反映出来。

基于以上三点,量子力学中的力学量用厄米算符来描述。

厄米算符与经典的对应

我们知道算符的性质可用矩阵来表示,那么厄米算符对应怎样的矩阵

呢?

从厄米算符是定义出发:

但是需要指出的是,以线性厄米算符表示力学量扩充了量子力学中力学量的范围,除了有经典的对应的力学量外,即使经典物理中没有相应的力学量,但只要是线性厄米算符,在微观世界中有意义,诸如宇称自旋同位旋等,也都是力学量。

算符的厄米性对波函数的限制

实验上的可观测的物理量都是厄米算符,为了保证算符的厄米性,常常要求波函数满足一定的条件。接下来,下文将在一些文献的基础上,以常见的几种一维算符为例,对此做一些探讨。

量子力学中的常见算符

量子力学中的常见算符有坐标算符、动量算符、能量算符、角动量算符等等,对于宇称算符、自旋算符以及同位旋算符,这里我们不讨论。从这些常见的算符出发,分析它们对波函数的限制,再利用厄米算符的一些性质(如两厄米算符之和仍为厄米算符,可対易的两厄米算符之积仍为厄米算符)来研究更广泛的算符,以期得到普遍的结论。

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