海森堡绘景

更新时间:2022-08-25 16:34

海森堡绘景是量子力学的一种表述。这表述的算符(可观察量和其它算符)相依于时间,而量子态则不相依于时间。海森堡绘景与薛定谔绘景有很明显的差异。薛定谔绘景表述的算符是常数,而量子态则随着时间演化。虽然有这些差异,两种绘景只是不同于依赖时间的基底的改变。两种绘景的测量统计结果完全相同。这是必然的。因为,它们都是在表达同样的物理现象。

介绍

海森堡绘景是量子力学的一种表述。这表述的算符(可观察量和其它算符)相依于时间,而量子态则不相依于时间。海森堡绘景与薛定谔绘景有很明显的差异。薛定谔绘景表述的算符是常数,而量子态则随着时间演化。虽然有这些差异,两种绘景只是不同于依赖时间的基底的改变。两种绘景的测量统计结果完全相同。这是必然的。因为,它们都是在表达同样的物理现象。海森堡绘景是矩阵力学在一个任意基底的表述。其哈密顿量不一定是对角的。

数学细节

在量子力学里,海森堡绘景表述的量子态 不相依于时间,可观察量 满足海森堡方程:

其中, 是约化普朗克常数, 是哈密顿量, 是 与 的对易算符。在有些方面,我们感觉海森堡绘景会比薛定谔绘景更自然,更具有基础性。特别是在表述相对论的时候,海森堡绘景显然的表露出洛伦兹不变性

更加地,海森堡绘景表述的量子力学与经典力学的相似可以很容易的观察到:将对易算符改为泊松括号,海森堡方程立刻就变成了哈密顿力学里的运动方程。

史东-冯诺伊曼理论 (Stone-von Neumann theorem) 证明海森堡绘景与薛定谔绘景是等价的。

导引海森堡方程

设定可观察量 (一个厄米算符)。处于时间 的量子态,其可观察量的期望值是

根据薛定谔绘景,

那么,

定义相依于时间的算符 ,

随时间的导数是

所以,

应用算符恒等式:

对于不相依于时间的,我们得到

由于泊松括号与对易算符的关系,在哈密顿力学里,这方程也成立。

对易关系

很明显地,由于算符的相依于时间,对易关系在海森堡绘景里跟在薛定谔绘景里有很大的差异。例如,思考算符 与。这些算符随时间的演化,相依于系统的哈密顿量。一维谐振子的哈密顿量是

位置算符和动量算符的演化方程分别为

再求这两个方程随时间的导数,

设定初始条件为

二次微分方程的解答分别是:

稍加运算,可以得到海森堡绘景里的对易关系:

请注意,假若 ,我们立刻会得到熟悉的正则对易关系。

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