Владимира Иннокентьевича Бабецкого (3 семестр) (стр. 14 из 27)

3. Операторы динамических переменных. Координатное представление

В качестве базиса выбираются собственные векторы какого-либо оператора.1) Если взяты собственные векторы

оператора , то говорят, что мы работаем в A-представлении. Тогда все векторы и все операторы будут выражаться в этом базисе. Если – оператор координаты, тогда имеет место такое равенство: , – собственный вектор, отвечающий собственному значению q. Если в качестве базисных векторов будут взяты векторы , то есть собственные векторы оператора координат, то значит мы работаем в координатном представлении.

9

Проблема такая: как связать абстрактное пространство, в котором разыгрываются все эти события, с нашим реальным наблюдаемым миром, в котором мы живём? Как нам отсюда пролезть туда, в этот потусторонний мир, в котором действуют правила игры, которые мы сформулировали. Лазейка такая: чтобы задать вектор в виде набора чисел, надо предъявить базис. Операторы, с которыми мы имеем дело (это эрмитовы операторы), обладают тем свойством, что для них имеется n собственных векторов, эти собственные векторы эрмитова оператора ортогональны, если в качестве базиса выбрать собственные векторы оператора, то его матрица в этом базисе будет диагональной, а по диагонали будут стоять собственные значения. Собственные значения – это те числа, которые мы получаем при измерении переменной, которую описывает данный оператор. Вот так можно состыковать эти абстрактные математические объекты с реальными наблюдаемыми величинами. Если мы, например, экспериментально исследовали набор собственных значений данного оператора, то мы сразу можем написать его матрицу в базисе его собственных векторов, просто по диагонали расположивши эти собственные значения. Есть законы, которые связывают операторы друг с другом, и если мы нашли один оператор, то просто зная связь между этими операторами, мы можем построить и другие операторы. Мы тогда получим матрицы в том представлении, в котором исходный оператор был диагональным.

Если

это оператор координаты, а – собственный вектор этого оператора, отвечающий собственному значению q, то есть имеет место такое соотношение: ,1) оператор действует на собственный вектор, получается тот же собственный вектор, которому отвечает число q.2)

Произведение операторов

Если

, то это означает, что действует на некоторый вектор (на любой), это то же самое, что .3) Матрица оператора представится, оказывается, как произведение матриц Bи A, то есть .

Произведение операторов, вообще говоря, не коммутативно (потому что произведение матриц не коммутативно), то есть когда мы действуем оператором

, а потом или наоборот, сначала , потом , то это разные результаты.4) Разность произведений это некоторый оператор: и называется коммутатором операторов и . Это математические факты, а вот с этим делом связан физический факт, очень существенный.

Переменные, операторы которых не коммутируют (коммутируют), не могут (могут) быть измерены [и заданы] одновременно.

Мы уже сталкивались с такими вещами. Иксовая координата частицы и иксовая компонента импульса xи

не могут быть заданы одновременно: нельзя сказать, что частица имеет точно такую координату и имеет такую-то составляющую импульса, есть соотношение неопределённости. Это, кстати, означает, что операторы и не коммутируют.

Утверждение. Постулируется, что

.1)

Но, кстати, например

, это означает, что одновременно мы можем задать координату и игрековую составляющую импульса (или зетовую), а вот иксовую задать не можем, и измерить одновременно не можем. Это можно написать в более общем виде: .

Из того, что

, следует, что спектр собственных значений оператора координаты непрерывен. Иначе говоря, мы можем задать любое число q, и для него найдётся вектор , который является собственным вектором оператора . Физически это означает, что при измерении координат может быть получено любое число или, ещё проще говоря, координаты не квантуются.2)

Существует координатное представление, когда в качестве базисных векторов выбираются собственные векторы оператора координаты. Произвольный вектор может быть выражен в этом базисе. Если бы эти собственные векторы нумеровались каким-то дискретным параметром

, то тогда произвольный вектор представился бы суммой . Но у нас векторы нумеруются непрерывным параметром, это означает, что вместо суммы пишется интеграл: . Как находить коэффициенты разложения? В дискретном случае , а как быть, если параметр, нумерующий вектор, непрерывен? Аналогично: , базисные векторы таковы, что .

функция это функция, удовлетворяющая двум условиям:

1)

2)

функция проникла в математику именно в этой ситуации. Дирак, создатель квантовой теории, он эту функцию и изобрёл, потом в математике появилась целая теория этих функций.