Операторы создания и уничтожения
Операторы рождения и операторы уничтожения — это математические операторы , которые имеют широкое применение в квантовой механике , особенно при изучении квантовых гармонических осцилляторов и многочастичных систем. [1] Оператор уничтожения (обычно обозначаемый ) уменьшает количество частиц в данном состоянии на одну. Оператор создания (обычно обозначается ) увеличивает число частиц в данном состоянии на одну и является сопряженным оператором уничтожения. Во многих разделах физики и химии использование этих операторов вместо волновых функций известно как второе квантование . Их представил Поль Дирак . [2]
Операторы рождения и уничтожения могут действовать на состояния различных типов частиц. Например, в квантовой химии и теории многих тел операторы рождения и уничтожения часто действуют на электронные состояния. Они также могут относиться конкретно к лестничным операторам квантового гармонического осциллятора . В последнем случае оператор рождения интерпретируется как повышающий оператор, добавляющий в колебательную систему квант энергии (аналогично для понижающего оператора). Их можно использовать для представления фононов . Построение гамильтонианов с использованием этих операторов имеет то преимущество, что теория автоматически удовлетворяет теореме о кластерном разложении . [3]
Математика операторов рождения и уничтожения бозонов такая же, как и для лестничных операторов квантового гармонического осциллятора . [4] Например, коммутатор операторов рождения и уничтожения, связанных с одним и тем же состоянием бозона, равен единице, а все остальные коммутаторы исчезают. Однако для фермионов математика другая: используются антикоммутаторы . вместо коммутаторов [5]
Лестничные операторы для квантового гармонического осциллятора
[ редактировать ]В контексте квантового гармонического осциллятора лестничные операторы интерпретируются как операторы создания и уничтожения, добавляющие или вычитающие фиксированные кванты энергии в систему осцилляторов.
Операторы рождения/уничтожения различны для бозонов (целый спин) и фермионов (полуцелый спин). Это происходит потому, что их волновые функции имеют разные свойства симметрии .
Сначала рассмотрим более простой бозонный случай фотонов квантового гармонического осциллятора.Начнем с уравнения Шредингера для одномерного независимого от времени квантового гармонического осциллятора :
Сделайте замену координат, чтобы обезразмерить дифференциальное уравнение.
Уравнение Шрёдингера для генератора принимает вид
Обратите внимание, что количество — та же энергия, что и для квантов света , и что скобка в гамильтониане может быть записана как
Последние два члена можно упростить, рассмотрев их влияние на произвольную дифференцируемую функцию.
что подразумевает, совпадающее с обычным каноническим коммутационным соотношением , в представлении пространства позиций: .
Поэтому, и уравнение Шредингера для осциллятора при замене приведенного выше и перестановке коэффициента 1/2 принимает вид
Если определить как «оператор создания» или «оператор повышения» и в качестве «оператора уничтожения» или «оператора понижения» уравнение Шрёдингера для осциллятора сводится к Это значительно проще исходной формы. Дальнейшие упрощения этого уравнения позволяют получить все перечисленные выше свойства.
Сдача в аренду , где — безразмерный оператор импульса у одного есть
и
Обратите внимание, что они подразумевают
Операторы и можно противопоставить обычным операторам , которые коммутируют со своими сопряженными. [номер 1]
Используя приведенные выше коммутационные соотношения, оператор Гамильтона можно выразить как
Можно вычислить коммутационные соотношения между и операторы и гамильтониан: [6]
Эти соотношения можно использовать, чтобы легко найти все собственные состояния энергии квантового гармонического осциллятора следующим образом.
Предполагая, что является собственным состоянием гамильтониана . Используя эти коммутационные соотношения, следует, что [6]
Это показывает, что и также являются собственными состояниями гамильтониана с собственными значениями и соответственно. Это идентифицирует операторов и как операторы «понижения» и «повышения» между соседними собственными состояниями. Разность энергий между соседними собственными состояниями равна .
Основное состояние можно найти, предположив, что понижающий оператор имеет нетривиальное ядро: с . Применяя гамильтониан к основному состоянию,
Так является собственной функцией гамильтониана.
Это дает энергию основного состояния , что позволяет идентифицировать собственное значение энергии любого собственного состояния как [6]
Более того, оказывается, что первый из упомянутых операторов в (*), числовой оператор играет самую важную роль в приложениях, а вторая, можно просто заменить на .
Следовательно,
времени оператор эволюции во Тогда
Явные собственные функции
[ редактировать ]Основное состояние квантового гармонического осциллятора можно найти, наложив условие, что
Записанная в виде дифференциального уравнения, волновая функция удовлетворяет условию с решением
Константа нормализации C оказывается равной от , используя интеграл Гаусса . Явные формулы для всех собственных функций теперь можно найти повторным применением к . [7]
Матричное представление
[ редактировать ]Матричное выражение операторов рождения и уничтожения квантового гармонического осциллятора относительно указанного выше ортонормированного базиса имеет вид
Их можно получить через отношения и . Собственные векторы относятся к квантовому гармоническому осциллятору и иногда называются «числовым базисом».
Обобщенные операторы создания и уничтожения
[ редактировать ]Благодаря теории представлений и C*-алгебрам, выведенные выше операторы на самом деле являются конкретным примером более обобщенного понятия операторов рождения и уничтожения в контексте алгебр CCR и CAR . Математически и даже в более общем плане лестничные операторы можно понимать в контексте корневой системы полупростой группы Ли и связанной с ней полупростой алгебры Ли без необходимости реализации представления в виде операторов в функциональном гильбертовом пространстве . [8]
В случае представления в гильбертовом пространстве операторы строятся следующим образом: Пусть быть одночастичным гильбертовым пространством (то есть любым гильбертовым пространством, рассматриваемым как представляющее состояние одной частицы).( Бозонная ) алгебра CCR над — это оператор алгебры с сопряжением (называемый * ), абстрактно порожденный элементами , где свободно перемещается по , с учетом отношений
Карта от для бозонной алгебры CCR требуется, чтобы она была комплексно антилинейной (это добавляет больше отношений). Его сопряжение и карта является комплексным линейным по H . Таким образом встраивается как комплексное векторное подпространство в собственную алгебру CCR. В представлении этой алгебры элемент будет реализован как оператор уничтожения, а в качестве оператора создания.
В общем, алгебра CCR бесконечномерна. Если мы возьмем пополнение банахового пространства, оно станет C*-алгеброй . Алгебра CCR над тесно связана с алгеброй Вейля , но не идентична ей . [ нужны разъяснения ]
Для фермионов (фермионная) алгебра CAR над строится аналогично, но с использованием антикоммутаторных соотношений, а именно
Алгебра CAR конечномерна только тогда, когда является конечномерным. Если мы возьмем пополнение банахового пространства (необходимое только в бесконечномерном случае), оно станет алгебра. Алгебра CAR тесно связана с алгеброй Клиффорда , но не идентична ей . [ нужны разъяснения ]
Физически говоря, удаляет (т.е. аннигилирует) частицу в состоянии тогда как создает частицу в состоянии .
свободного поля Вакуумное состояние – это состояние без частиц, характеризующийся
Если нормируется так, что , затем дает количество частиц в состоянии .
Операторы рождения и уничтожения для уравнений реакции-диффузии
[ редактировать ]Описание операторов уничтожения и рождения также оказалось полезным для анализа классических уравнений реакции диффузии, например ситуации, когда газ молекул диффундируют и взаимодействуют при контакте, образуя инертный продукт: . Чтобы увидеть, как такого рода реакции можно описать с помощью формализма операторов уничтожения и создания, рассмотрим частицы в узле i одномерной решетки. Каждая частица движется вправо или влево с определенной вероятностью, и каждая пара частиц в одном и том же месте аннигилирует друг друга с некоторой другой вероятностью.
Вероятность того, что одна частица покинет узел за короткий промежуток времени dt, пропорциональна , скажем, вероятность прыгнуть налево и прыгать правильно. Все частицы останутся на месте с вероятностью . (Поскольку время dt настолько короткое, вероятность того, что двое или более уйдут во время dt , очень мала и будет проигнорирована.)
Теперь мы можем описать заселенность решетки частицами как «кет» вида . Он представляет собой сопоставление (или соединение, или тензорное произведение) числовых состояний. , расположены в отдельных узлах решетки. Напомним, что
и для всех n ≥ 0 , а
Это определение операторов теперь будет изменено, чтобы учесть «неквантовую» природу этой проблемы, и мы будем использовать следующее определение: [9]
отметим, что хотя поведение операторов на кетах было изменено, эти операторы по-прежнему подчиняются коммутационному соотношению
Теперь определите так что это применимо к . Соответственно определим как подать заявку к . Так, например, чистый эффект заключается в перемещении частицы из -th на i -й узел при умножении на соответствующий коэффициент.
Это позволяет записать чисто диффузионное поведение частиц как
Член реакции можно определить, заметив, что частицы могут взаимодействовать в разными способами, так что вероятность аннигилирования пары равна , давая член
где числовое состояние n заменяется числовым состоянием n - 2 на узле по определенной ставке.
Таким образом, государство развивается путем
Другие виды взаимодействий могут быть включены аналогичным образом.
Такой тип обозначений позволяет использовать методы квантовой теории поля при анализе реакционно-диффузионных систем. [10]
Операторы рождения и уничтожения в квантовых теориях поля
[ редактировать ]В квантовых теориях поля и задачах многих тел работают с операторами рождения и уничтожения квантовых состояний. и . Эти операторы изменяют собственные значения числового оператора , на единицу, по аналогии с гармоническим осциллятором. Индексы (такие как ) представляют собой квантовые числа , обозначающие одночастичные состояния системы; следовательно, это не обязательно отдельные числа. Например, кортеж квантовых чисел используется для обозначения состояний атома водорода .
Коммутационные соотношения операторов рождения и уничтожения в системе нескольких бозонов таковы: где является коммутатором и это дельта Кронекера .
У фермионов коммутатор заменяется антикоммутатором . , Поэтому замена непересекающихся (т.е. ) операторы в произведениях операторов рождения или уничтожения меняют знак в фермионных системах, но не в бозонных системах.
Если состояния, помеченные i, являются ортонормированным базисом гильбертова пространства H , то результат этой конструкции совпадает с конструкцией алгебры CCR и алгебры CAR из предыдущего раздела, кроме одного. Если они представляют собой «собственные векторы», соответствующие непрерывному спектру некоторого оператора, как для несвязанных частиц в КТП, тогда интерпретация более тонкая.
Нормализация
[ редактировать ]Пока Зи [11] получает импульсного пространства нормировку согласно симметричному соглашению для преобразований Фурье, Тонг [12] и Пескин и Шредер [13] используйте общее асимметричное соглашение для получения . Каждый выводит .
Средницкий дополнительно объединяет лоренц-инвариантную меру со своей асимметричной мерой Фурье: , уступая . [14]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Нормальный оператор имеет представление A = B + i C , где B , C самосопряжены и коммутируют , т.е. . Напротив, a имеет представление где самосопряжены, но . Тогда B и C имеют общий набор собственных функций (и одновременно диагонализуемы), тогда как p и q , как известно, не имеют и не являются таковыми.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фейнман 1998 , с. 151
- ^ Дирак, ПАМ (1927). «Квантовая теория испускания и поглощения излучения», Proc Roy Soc London Ser A , 114 (767), 243-265.
- ^ Вайнберг, Стивен (1995). «4». Квантовая теория полей Том 1 . Издательство Кембриджского университета. п. 169. ИСБН 9780521670531 .
- ^ Фейнман 1998 , с. 167
- ^ Фейнман 1998 , стр. 174–5.
- ^ Перейти обратно: а б с Брэнсон, Джим. «Квантовая физика в UCSD» . Проверено 16 мая 2012 г.
- ^ Этот и дальнейший операторный формализм можно найти в Glimm and Jaffe, Quantum Physics , стр. 12–20.
- ^ Харрис, Фултон, Теория представлений, стр. 164.
- ^ Прюсснер, Гуннар. «Анализ реакционно-диффузионных процессов методами теории поля» (PDF) . Проверено 31 мая 2021 г.
- ^ Баэз, Джон Карлос (2011). Теория сетей (серия сообщений в блоге; первый пост ). Позже адаптирован в Баэз, Джон Карлос; Биамонте, Джейкоб Д. (апрель 2018 г.). Квантовые методы в стохастической механике . дои : 10.1142/10623 .
- ^ Зи, А. (2003). Квантовая теория поля в двух словах . Издательство Принстонского университета. п. 63. ИСБН 978-0691010199 .
- ^ Тонг, Дэвид (2007). Квантовая теория поля . п. 24,31 . Проверено 3 декабря 2019 г.
- ^ Пескин, М. ; Шредер, Д. (1995). Введение в квантовую теорию поля . Вествью Пресс. ISBN 978-0-201-50397-5 .
- ^ Средницкий, Марк (2007). Квантовая теория поля . Издательство Кембриджского университета. стр. 39, 41. ISBN. 978-0521-8644-97 . Проверено 3 декабря 2019 г.
- Фейнман, Ричард П. (1998) [1972]. Статистическая механика: Сборник лекций (2-е изд.). Ридинг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли. ISBN 978-0-201-36076-9 .
- Альберт Мессия , 1966. Квантовая механика (Том I), английский перевод с французского Г. М. Теммера. Северная Голландия, Джон Уайли и сыновья. Ч. XII. онлайн