Dynamické obrázky - Dynamical pictures - Wikipedia
v kvantová mechanika, dynamické obrázky (nebo reprezentace) je několik ekvivalentních způsobů, jak matematicky formulovat dynamiku kvantového systému.
Dva nejdůležitější jsou: Heisenbergův obrázek a Schrödingerův obrázek. Liší se pouze zásadní změnou s ohledem na časovou závislost, analogickou k Lagrangeova a Eulerova specifikace tokového pole: zkrátka, časová závislost je spojena s kvantové stavy na Schrödingerově obrázku a do operátory na Heisenbergově obrázku.
Existuje také přechodná formulace známá jako interakční obrázek (nebo Dirac obrázek), což je užitečné při provádění výpočtů, když jsou komplikované Hamiltonian má přirozený rozklad na jednoduchý „svobodný“ hamiltonián a rozrušení.
Rovnice, které platí v jednom obrázku, nemusí nutně platit v ostatních, protože časově závislé unitární transformace spojují operátory v jednom obrázku s analogickými operátory v ostatních. Ne všechny učebnice a články výslovně uvádějí, ze kterého obrázku každý operátor pochází, což může vést ke zmatku.
Schrödingerův obrázek
Pozadí
V elementární kvantové mechanice Stát kvantově-mechanického systému představuje komplexně oceněný vlnová funkce ψ(X, t). Více abstraktně, stát může být reprezentován jako stavový vektor, nebo ket, |ψ⟩. Tato sada je prvkem a Hilbertův prostor, vektorový prostor obsahující všechny možné stavy systému. Kvantově mechanický operátor je funkce, která bere ket |ψ⟩ A vrátí nějaký další ket |ψ ′⟩.
Rozdíly mezi Schrödingerovými a Heiseinbergovými obrázky kvantové mechaniky se točí kolem toho, jak zacházet se systémy, které se vyvíjejí v čase: časově závislá povaha systému musí být nesen nějakou kombinací stavových vektorů a operátorů. Například a kvantový harmonický oscilátor může být ve stavu |ψ⟩ Pro které očekávaná hodnota hybnosti, , osciluje v čase sinusově. Lze se zeptat, zda by se tato sinusová oscilace měla projevit ve stavovém vektoru |ψ⟩, Operátor hybnosti , nebo oboje. Všechny tři z těchto možností jsou platné; první dává Schrödingerův obrázek, druhý Heisenbergův obrázek a třetí interakční obrázek.
Schrödingerův obrázek je užitečný, když se jedná o časově nezávislý hamiltonián H, to znamená, .
Operátor vývoje času
Definice
Operátor vývoje času U(t, t0) je definován jako operátor, který působí na ket v čase t0 vyrábět ket někdy jindy t:
Pro podprsenky místo toho máme
Vlastnosti
Jednotnost
Operátor vývoje času musí být unitární. Je to proto, že požadujeme, aby norma stavu se nesmí časem měnit. To znamená
Proto,
Identita
Když t = t0, U je operátor identity, od té doby
Uzavření
Vývoj času od t0 na t lze považovat za dvoustupňový časový vývoj, nejprve od t0 na mezičas t1a poté od t1 do posledního času t. Proto,
Diferenciální rovnice pro operátora evoluce času
Pustíme t0 index v operátoru vývoje času s konvencí, že t0 = 0 a napište to jako U(t). The Schrödingerova rovnice je
kde H je Hamiltonian. Nyní pomocí operátoru evoluce času U psát , my máme
Od té doby je konstantní ket (stav ket na t = 0), a protože výše uvedená rovnice platí pro jakoukoli konstantní ket v Hilbertově prostoru, musí se operátor evoluce času řídit rovnicí
Pokud je hamiltonián nezávislý na čase, řešení výše uvedené rovnice je[1]
Od té doby H je operátor, tento exponenciální výraz se má hodnotit pomocí jeho Taylor série:
Proto,
Všimněte si, že je libovolný ket. Pokud je však počáteční ket je vlastní stát Hamiltonian, s vlastní hodnotou E, dostaneme:
Vidíme tedy, že vlastní stavy Hamiltonianů jsou stacionární stavy: zachycují pouze celkový fázový faktor, jak se vyvíjejí s časem.
Pokud je Hamiltonian závislý na čase, ale Hamiltonians v různých dobách dojíždí, pak lze operátor časového vývoje napsat jako
Pokud je Hamiltonian závislý na čase, ale Hamiltonians v různých časech nedojíždí, pak lze operátor časového vývoje napsat jako
kde T je objednávání času operátor, který je někdy známý jako série Dyson, po FJ Dysonovi.
Alternativou k Schrödingerovu obrázku je přepnutí na rotující referenční snímek, který se sám otáčí propagátorem. Jelikož undulatory rotaci nyní předpokládá samotný referenční rámec, funkce nerušeného stavu se jeví jako skutečně statická. Toto je Heisenbergův obrázek (níže).
Heisenbergův obrázek
Heisenbergův obrázek je formulace (autor: Werner Heisenberg zatímco je zapnutý Helgoland ve 20. letech 20. století) kvantová mechanika ve kterém operátoři (pozorovatelné a další) zahrnují závislost na čase, ale stavové vektory jsou nezávislé na čase.
Definice
Na Heisenbergově obrazu kvantové mechaniky je stavový vektor, , se nemění s časem a pozorovatelný A splňuje
kde H je Hamiltonian a [•, •] označuje komutátor dvou operátorů (v tomto případě H a A). Při převzetí očekávaných hodnot se získá Ehrenfestova věta vystupoval v zásada korespondence.
Podle Stone – von Neumannova věta, Heisenbergův obraz a Schrödingerův obraz jsou jednotně ekvivalentní. V určitém smyslu Heisenberg obrázek je přirozenější a pohodlnější než ekvivalentní obrázek Schrödinger, zejména pro relativistické teorie. Lorentzova invariance se projevuje na Heisenbergově obrázku. Tento přístup má také přímější podobnost s klasická fyzika: nahrazením výše uvedeného komutátoru symbolem Poissonova závorka, Heisenbergova rovnice se stává rovnicí v Hamiltoniánská mechanika.
Odvození Heisenbergovy rovnice
The očekávaná hodnota pozorovatelného A, což je Hermitian lineární operátor pro daný stát , darováno
V Schrödingerův obrázek, stát v čase t souvisí se státem v čase 0 jednotkou operátor evoluce času, :
Pokud Hamiltonian se nemění s časem, pak lze operátor evoluce času napsat jako
kde H je Hamiltonian a ħ je snížená Planckova konstanta. Proto,
Definujte tedy
Z toho vyplývá, že
Diferenciace byla podle produktové pravidlo, zatímco ∂A/∂tje časová derivace iniciály A, ne A(t) definován operátor. Poslední rovnice platí od exp (-iHt/ħ) dojíždí s H.
Tím pádem
odkud se objevuje výše uvedená Heisenbergova pohybová rovnice, protože konvekční funkční závislost na X(0) a p(0) se převede na stejný závislost na X(t), p(t), takže poslední člen se převede na ∂Na)/∂t . [X, Y] je komutátor dvou operátorů a je definován jako [X, Y] := XY − YX.
Rovnici řeší Na) definované výše, jak je patrné při použitístandardní identita operátora,
z čehož vyplývá
Tento vztah platí také pro klasická mechanika, klasický limit z výše uvedeného, vzhledem k korespondence mezi Poissonovy závorky a komutátory,
V klasické mechanice pro A bez výslovné časové závislosti,
tedy opět výraz pro Na) je Taylorova expanze kolem t = 0.
Vztahy komutátoru
Vztahy komutátoru mohou vypadat odlišně od Schrödingerova obrázku z důvodu časové závislosti operátorů. Zvažte například operátory X(t1), X(t2), p(t1) a p(t2). Časový vývoj těchto operátorů závisí na Hamiltonian systému. Vzhledem k jednorozměrnému harmonickému oscilátoru
- ,
vývoj operátorů polohy a hybnosti je dán vztahem:
- ,
- .
Ještě jednou diferencovat obě rovnice a řešit je za vhodných počátečních podmínek,
vede k
- ,
- .
Přímý výpočet poskytuje obecnější komutátorové vztahy,
- ,
- ,
- .
Pro , jeden jednoduše obnoví standardní kanonické komutační vztahy platné na všech obrázcích.
Interakční obrázek
Interakční obrázek je nejužitečnější, když lze vývoj pozorovatelných oblastí vyřešit přesně, a omezit jakékoli komplikace na vývoj států. Z tohoto důvodu se Hamiltonián pro pozorovatelné nazývá „volný Hamiltonián“ a Hamiltonián pro státy se nazývá „interakční Hamiltonián“.
Definice
Operátory a stavové vektory v interakčním obrázku souvisí se změnou báze (unitární transformace ) stejným operátorům a stavovým vektorům na Schrödingerově obrázku.
Pro přepnutí na interakční obrázek rozdělíme Schrödingerův obrázek Hamiltonian na dvě části,
Jakýkoli možný výběr dílů poskytne platný obrázek interakce; ale aby byl obrázek interakce užitečný pro zjednodušení analýzy problému, budou části obvykle vybrány tak, aby je dobře srozumitelná a přesně řešitelná obsahuje některé těžší analyzovatelné poruchy tohoto systému.
Pokud to má Hamiltonián explicitní časová závislost (například pokud kvantový systém interaguje s aplikovaným vnějším elektrickým polem, které se mění v čase), bude obvykle výhodné zahrnout výslovně časově závislé termíny s odchází nezávislý na čase. Pokračujeme za předpokladu, že tomu tak je. Pokud tam je kontext, ve kterém má smysl mít být závislý na čase, pak lze pokračovat výměnou odpovídajícím operátor evoluce času v definicích níže.
Státní vektory
Stavový vektor v interakčním obrázku je definován jako[2]
kde je stejný stavový vektor jako na Schrödingerově obrázku.
Operátoři
Operátor na obrázku interakce je definován jako
Všimněte si, že obvykle nebude záviset na ta lze jej přepsat jako spravedlivý . Záleží jen na t pokud má operátor „explicitní časovou závislost“, například kvůli své závislosti na aplikovaném, externím, časově se měnícím elektrickém poli.
Hamiltonovský operátor
Pro provozovatele samotný, interakční obraz a Schrödingerův obraz se shodují,
To je snadno vidět ze skutečnosti, že operátoři dojíždět s jejich odlišitelnými funkcemi. Tento konkrétní operátor pak může být volán H0 bez dvojznačnosti.
Za narušení Hamiltonian H1,Já, nicméně,
kde se interakční obrázek narušuje Hamiltonian časově závislým Hamiltonianem - pokud [H1, s, H0, s] = 0 .
Je možné získat interakční obraz pro časově závislý hamiltonián H0, s(t), ale exponenciály je třeba nahradit jednotkovým propagátorem evoluce generované H0, s(t), nebo explicitněji s časově uspořádaným exponenciálním integrálem.
Matice hustoty
The matice hustoty lze ukázat, že se transformuje na interakční obrázek stejným způsobem jako kterýkoli jiný operátor. Zejména nechte a být matice hustoty v interakčním obrázku, respektive Schrödingerově obrázku. Pokud existuje pravděpodobnost být ve fyzickém stavu , pak
Rovnice vývoje času
Státy
Transformace Schrödingerova rovnice do interakčního obrázku dává:
Tato rovnice se označuje jako Schwinger –Tomonaga rovnice.
Operátoři
Pokud je provozovatel je časově nezávislý (tj. nemá „explicitní časovou závislost“; viz výše), pak odpovídající časový vývoj pro darováno:
Na obrázku interakce se operátoři vyvíjejí v čase jako operátoři v Heisenbergův obrázek s Hamiltonianem .
Matice hustoty
Transformace Schwinger-Tomonaga rovnice do jazyka matice hustoty (nebo ekvivalentně transformace von Neumannova rovnice do interakčního obrázku) dává:
Existence
Interakční obrázek nemusí vždy existovat. Při interakci kvantových teorií pole Haagova věta uvádí, že interakční obrázek neexistuje. Je to proto, že Hamiltonian nelze rozdělit na volnou a interagující část v sektoru předvolby. Navíc, i když na Schrödingerově obrázku Hamiltonian nezávisí na čase, např. H = H0 + PROTI, v interakčním obrázku to funguje, alespoň pokud PROTI nedojíždí s H0, od té doby
- .
Porovnání obrázků
Heisenbergův obraz je nejblíže klasické hamiltonovské mechanice (například komutátory objevující se ve výše uvedených rovnicích přímo odpovídají klasické Poissonovy závorky Schrödingerův obrázek, preferovaná formulace v úvodních textech, je snadno vizualizovatelný z hlediska Hilbertův prostor rotace stavových vektorů, i když mu chybí přirozené zobecnění na Lorentzovy invariantní systémy. Diracův obrázek je nejužitečnější v nestacionární a kovarianční perturbační teorii, takže je vhodný pro kvantová teorie pole a fyzika mnoha těl.
Souhrnné srovnání vývoje
Vývoj | Obrázek | ||
z: | Heisenberg | Interakce | Schrödinger |
Stát Ket | konstantní | ||
Pozorovatelný | konstantní | ||
Matice hustoty | konstantní |
Rovnocennost
Je zřejmé, že očekávané hodnoty všech pozorovatelných jsou stejné na obrázcích Schrödinger, Heisenberg a Interaction,
jak musí.
Viz také
Poznámky
- ^ Zde používáme skutečnost, že v t = 0, U(t) musí zredukovat na operátora identity.
- ^ Interakční obrázek, online skriptá z New York University (Mark Tuckerman)
Reference
- Cohen-Tannoudji, Claude; Bernard Diu; Frank Laloe (1977). Kvantová mechanika (první díl). Paris: Wiley. 312–314. ISBN 0-471-16433-X.
- Albert Messiah, 1966. Kvantová mechanika (Sv. I), anglický překlad z francouzštiny G. M. Temmer. Severní Holandsko, John Wiley & Sons.
- Merzbacher E., Kvantová mechanika (3. vydání, John Wiley 1998) str. 430-1 ISBN 0-471-88702-1
- L.D. Landau, E.M. Lifshitz (1977). Kvantová mechanika: nerelativistická teorie. Sv. 3 (3. vyd.). Pergamon Press. ISBN 978-0-08-020940-1. Online kopie
- R. Shankar (1994); Principy kvantové mechaniky, Plénum Press, ISBN 978-0306447907 .
- J. J. Sakurai (1993); Moderní kvantová mechanika (Revidované vydání), ISBN 978-0201539295 .
externí odkazy
- Pedagogičtí pomocníci kvantové teorie pole Klikněte na odkaz pro kap. 2 najdete rozsáhlý a zjednodušený úvod do Heisenbergova obrázku.