Jump to content

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 связано с тем, 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 смысле 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

в обозначениях бра-кет .

Карта от к бозонной алгебре CCR требуется, чтобы она была комплексной 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 банахова 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 влево 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 ]
  1. ^ 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.
  1. ^ Фейнман 1998 , с. 151
  2. ^ Дирак, ПАМ (1927). «Квантовая теория испускания и поглощения излучения», Proc Roy Soc London Ser A , 114 (767), 243-265.
  3. ^ Вайнберг, Стивен (1995). «4». Квантовая теория полей Том 1 . Издательство Кембриджского университета. п. 169. ИСБН  9780521670531 .
  4. ^ Фейнман 1998 , с. 167
  5. ^ Фейнман 1998 , стр. 174–5.
  6. ^ Перейти обратно: а б с Брэнсон, Джим. «Квантовая физика в UCSD» . Проверено 16 мая 2012 г.
  7. ^ Этот и дальнейший операторный формализм можно найти в Glimm and Jaffe, Quantum Physics , стр. 12–20.
  8. ^ Харрис, Фултон, Теория представлений, стр. 164.
  9. ^ Прюсснер, Гуннар. «Анализ реакционно-диффузионных процессов методами теории поля» (PDF) . Проверено 31 мая 2021 г.
  10. ^ 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 .
  11. ^ Зи, А. (2003). Квантовая теория поля в двух словах . Издательство Принстонского университета. п. 63. ИСБН  978-0691010199 .
  12. ^ Тонг, Дэвид (2007). Квантовая теория поля . п. 24,31 . Проверено 3 декабря 2019 г.
  13. ^ Пескин, М. ; Шредер, Д. (1995). Введение в квантовую теорию поля . Вествью Пресс. ISBN  978-0-201-50397-5 .
  14. ^ Средницкий, Марк (2007). Квантовая теория поля . Издательство Кембриджского университета. стр. 39, 41. ISBN.  978-0521-8644-97 . Проверено 3 декабря 2019 г.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f906a2e6233cdca12a592ec9188e42ef__1719436200
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f9/ef/f906a2e6233cdca12a592ec9188e42ef.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Creation and annihilation operators - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)