Понятие состояния квантово-механической системы. Принцип суперпозиции (стр. 3 из 10)

1.4. В момент времени

волновая функция частицы имеет вид , где и – постоянные. Определить нормировочный коэффициент , изобразить примерный вид зависимости от и область локализации частицы.

Указание. Распределение вероятностей, описываемое плотностью вида

называется нормальным или гауссовским,

– среднее значение случайной величины, – ее дисперсия.

1.5. Частица локализована на оси

в области и ее состояние описывается функцией

Вычислить среднее значение ее координаты

и дисперсию .

2. Операторы квантовой механики

2.1 Операторы динамических переменных

Функция есть рецепт, позволяющий по данному числу x найти другое число

. Подобно этому оператор – рецепт, позволяющий по заданной функции найти другую функцию . Оператор определен на некотором множестве функций, если указано действие, с помощью которого каждой функции множества сопоставляется другая функция: . (Оператор будем обозначать буквой со “шляпкой”).

Примеры:

1. Если функция

получается из с помощью операции дифференцирования, то это можно записать следующим образом:

,

где

- оператор, действующий на функцию .

2. В физике часто используют оператор Лапласа:

.

3. Оператор умножения на независимую переменную x:

.

Физика имеет дело с наблюдаемыми процессами, явлениями, объектами. Наблюдения, измерения всегда связаны со взаимодействием изучаемого объекта с чем-то внешним (окружением, прибором, наблюдателем). Это взаимодействие всегда сопровождается возмущением изучаемого объекта. В классической физике предполагалось, что это возмущение можно сделать как угодно малым и им пренебречь. Однако существование кванта действия

означает, что есть предел малости возмущения, которым для микрообъектов пренебречь нельзя. Измерение в квантовой механике – взаимодействие макроприбора с микроскопической системой – существенно меняет состояние последней. Физической процедуре измерения в математическом формализме теории соответствует оператор, действующий на -функцию, характеризующую состояние системы. Измерение меняет состояние системы, оператор изменяет -функцию, характеризующую состояние.

Следующее утверждение считается одним из постулатов квантовой механики:

каждой физической величине

в квантовой механике соответствует оператор . Он определяется таким образом, чтобы среднее значение этой величины в состоянии выражалось соотношением

(2.1.1)

или в скобочной форме

(2.1.1а)

Здесь q – набор независимых переменных, от которых зависит

-функция, – произведение дифференциалов этих переменных. Интегрирование проводится по всей области изменения независимых переменных. Операторы динамических переменных обозначают теми же буквами, что и соответствующие физические величины, но со “шляпкой” над ними. Например, оператор координаты , оператор импульса , оператор энергии и т.п.

Чтобы не нарушался принцип суперпозиции, операторы динамических переменных в квантовой механике должны быть обязательно линейными. Применение оператора к суперпозиции функций

и должно равняться суперпозиции результатов действия этого оператора к каждой из функций и . Оператор называется линейным, если он удовлетворяет условиям:

,

где с – произвольная постоянная. Эти условия можно объединить

.

Типичные примеры линейных операторов: умножение на независимую переменную

, дифференцирование по x .

Операторы динамических переменных должны быть обязательно самосопряженными (эрмитовыми). Это следует из требования, чтобы измеряемые в процессе опытов физические величины выражались действительными числами. Следовательно, среднее значение физической величины, представляемой оператором

, также должно быть действительным числом, т.е.

.

Используя соотношение (2.1.1) запишем это равенство в интегральной форме

(2.1.2)

или с помощью скобок

(2.1.2а)

Операторы, для которых выполняется это соотношение, считаются самосопряженными (эрмитовыми). Дадим общее определение такого оператора.

Каждому оператору

можно привести в соответствие другие: комплексно сопряженный с ним , транспонированный , сопряженный .

Оператор

является комплексно сопряженным с оператором , если выполняется соотношение: .

Операторы

и называют транспонированными друг с другом, если выполняется соотношение

(2.1.3)

или в скобочной форме

. (2.1.3а)

Оператор

называют сопряженным оператору . Следовательно, для произвольной пары функций и и операторов и имеет место соотношение