更新时间:2024-05-21 12:16
微观粒子有波动和粒子两重性质,1926年E.薛定谔从粒子的波动性出发,用波动方程来描述粒子体系的运动规律,解决了许多理论和实际的问题,这种理论就是波动力学。1925年左右,由W.K.海森伯、M.玻恩、W.泡利等从粒子的粒子性出发,用矩阵的形式来描述粒子体系的运动规律,也解决了同样的问题,这种不同于波动方程的矩阵运算形式的理论称为矩阵力学。
矩阵力学和波动力学描述客观规律的形式虽然不同,但是两者实质上是一致的,它们都是描述同一微观粒子运动规律的理论。
比较直观一点,粒子体系的状态可用位置坐标为自变量、时间为参量的波函数ψ(x,t)来描述(以下均考虑一维情况,所得结果易于推广至三维),|ψ(x,t)|2表示t时刻粒子在位置坐标x附近单位体积出现的几率。但是ψ(x,t)可以用动量孨的本征函数的正交、归一、完全集{ψp(x)}展开,即 式中
展开系数
可见,粒子体系的状态既可以由已知的 ψ(x,t)来描述,也可以用с(p,t)来描述。ψ(x,t)和с(p,t)是两种等价的不同表示形式的波函数。ψ (x,t)叫做坐标表象(或称x表象)波函数,с(p,t)叫做动量表象(或称p表象)波函数。
相似地ψ(x,t)可以用任一力学量孶的本征函数完全集{Un(x)}(n=1,2,3,…)展开(为了便于说明,设孶的本征值具有分立谱),即
展开系数为 因此,若已知ψ(x,t),则同样可以通过式⑷算出an(t)来,用数字集合{an(t)}来描述这个状态,{an(t)}叫做Q表象波函数。
可见,对于同一状态,有不同的表示形式,分别都是用一组数字集合(分立的或连续的或兼而有之)来描述状态,这些不同的表示形式中的每一个叫做一个表象。当要解决某特定问题时,便选取一个特定的Q表象,相当于选取一个特定的坐标系。Q表象中的本征函数正交、归一、完全集{Un(x)},是这一表象中的一组基矢(简称基),它相当于坐标系中的一组单位矢量,而波函数{an(t)}是态矢量ψ 在 Q表象中各基矢方向上的投影(一组数字),这就是表象理论的几何图像。
算符
表示力学量的算符,在不同表象中也有不同的表示形式。在坐标表象中, 各种力学量的算符形式是 是动量算符。算符
作用在波函数ψ(x,t)上得到另一个新的波函数 Ф(x,t),即
在Q表象中可将ψ(x,t)和Ф(x,t)分别用孶 的本征函数完全集{Un(x)}展开,展开系数的数字集合{an(t)}和{bn(t)}就是Q表象中分别与ψ(x,t)和Ф(x,t)等价的波函数。利用{Un(x)}正交、归一的性质,可得到
式中 Q表象中的式⑹和坐标表象中的式⑸相当,写成矩阵运算形式时为 即在Q表象中,算符弲 的表示形式是把数字集合{Fmn}排成一个方形矩阵,Fmn表示方形矩阵中第n行第m列的元素,即
而波函数ψ(x,t)和Ф(x,t)在Q表象中的表示形式,是把数字集合{an(t)}和{bn(t)}分别排成一个列矩阵,即
对于孶的本征值具有连续谱的情况,以上的论述仍然成立,只是{Un(t)}、{an(t)}和{bn(t)}等的角注 n要换成连续变化的λ,求和要换成对λ求积分,此时式 ⑺写成 仍然把它看作矩阵元,{Fλ'λ}看成方形矩阵,{aλ(t)}和{bλ (t)}看成列矩阵,矩阵的行和列都是连续编号的。
量子力学中采用不同的表象在理论上是完全等价的,而在实际工作中选取什么表象取决于所讨论的问题,表象选得适当可以使问题简化。
可以用表象理论的几何图像来说明表象变换。选取一个特定的表象,相当于在抽象的希耳伯特空间中选取一个有一组完全基矢(本征函数集)的特定的坐标系,表象变换相当于坐标系的基矢变换,从一个A表象变换到一个B表象,相当于由一组基矢{ψn(x)}(┭的本征函数集)变到另一组基矢{嗞α(x)}(峺)的本征函数集,这种变换是通过一个变换矩阵的作用来实现的。{ψn(x)}是完全集,B表象中的每一基矢嗞α(x)都可按{ψn(x)}展开
可见这个变换矩阵是一种幺正矩阵,式⑻中两种表象之间基矢的变换是一个幺正变换。
态
态的表象表示
⑴ 坐标表象
以坐标算符的本征态为基底构成的表象称为坐标表象。
⑵ 动量表象
以动量算符的本征态为基底构成的表象是动量表象。选x为自变量,动量算符的本征函数是平面波。
动量表象也可以用动量为自变量表示。在Px表象中,粒子具有确定动量分量Px的波函数是以Px为自变量的函数
⑶ 任意表象
设有某一线性厄米算符。为叙述方便起见,假定算符具有分立本征值谱。物理意义是:当体系处在以(r,t)所描述的状态时,力学量Q具有确定值Qn的概率是具有和波函数统计解释相同的概率解释。
说明:希尔伯特空间,空间的维数等于完备、正交、归一的本征函数系中本征函数的个数,它可以是有限维的,也可以是无穷维的,而且空间的基底既可以是个实向量也可以是个复函数。态矢量是个复矢量。
量子态希尔伯特空间中的态矢量; 波函数态矢量在特定基底中的分量,可用列矩阵或用函数表示; 任意算符的本征函数系表象的基;不同表象不同基,不同坐标系;本征函数基矢;厄米算符的本征函数系一组完备的基矢。