薛丁格繪景

薛丁格繪景(Schrödinger picture)是量子力學的一種表述,為紀念物理學者埃爾溫·薛丁格而命名。在薛丁格繪景里,量子系統的態矢量隨著時間流易而演化,而像位置、自旋一類的對應於可觀察量的算符則與時間無關。 薛丁格繪景與海森堡繪景、狄拉克繪景不同。在海森堡繪景里,對應於可觀察量的算符會隨著時間流易而演化,而描述量子系統的態矢量則與時間無關。在狄拉克繪景里,態矢量與算符都會隨著時間流易而演化。 這三種繪景殊途同歸,所獲得的結果完全一致。這是必然的,因為它們都是在表達同樣的物理現象。

簡介

薛丁格繪景(Schrödinger picture)是量子力學的一種表述,為紀念物理學者埃爾溫·薛丁格而命名。在薛丁格繪景里,量子系統的態矢量隨著時間流易而演化,而像位置、自旋一類的對應於可觀察量的算符則與時間無關。

薛丁格繪景與海森堡繪景、狄拉克繪景不同。在海森堡繪景里,對應於可觀察量的算符會隨著時間流易而演化,而描述量子系統的態矢量則與時間無關。在狄拉克繪景里,態矢量與算符都會隨著時間流易而演化。

這三種繪景殊途同歸,所獲得的結果完全一致。這是必然的,因為它們都是在表達同樣的物理現象。

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在薛丁格繪景里,負責時間演化的算符是一種么正算符,稱為時間演化算符。假設時間從 流易到 ,而經過這段時間間隔,態矢量 演化為態矢量 ,這時間演化過程以方程表示為

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其中, 是時間演化算符。

假設系統的哈密頓量H不含時,則時間演化算符為

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其中, 是約化普朗克常數,指數函式 必須通過其泰勒級數計算。

在初級量子力學教科書里,時常會使用薛丁格繪景。

時間演化算符

定義

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時間演化算符 定義為

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其中,右矢 表示時間為t的態矢量, 是時間演化算符,從時間t演化到時間 。

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這方程可以做這樣解釋:將時間演化算符 作用於時間是 的態矢量 ,則會得到時間是t的態矢量 。

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類似地,也可以用左矢 來定義:

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其中,算符 是算符U的厄米共軛。

性質

么正性

由於態矢量必須滿足歸一條件,態矢量的範數不能隨時間而變:

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可是,

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所以,時間演化算符必須是么正算符。

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其中, 是單位算符。

單位性

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時間演化算符 必須是單位算符 ,因為,

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閉包性

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從初始時間 到最後時間t的時間演化算符,可以視為從中途時間到最後時間t的時間演化算符,乘以從初始時間到中途時間的時間演化算符:

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根據時間演化算符的定義,

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所以

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可是,再根據定義

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所以,時間演化算符必須滿足閉包性:

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時間演化算符的微分方程

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為了方便起見,設定,初始時間永遠是0,則可忽略時間演化算符的參數,改寫為。含時薛丁格方程為

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其中,H是哈密頓量。

從時間演化算符的定義式,可以得到

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由於可以是任意恆定態矢量(處於的態矢量),時間演化算符必須遵守方程

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假若哈密頓量不含時,則這方程的解答為

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注意到在時間t=0,時間演化算符必須約化為單位算符U(0)=I。由H是算符,指數函式必須通過其泰勒級數計算:

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按照時間演化算符的定義,在時間t,態矢量為

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注意到可以是任意態矢量。假設初始態矢量是哈密頓量的本徵態,而本徵值是,則在時間t,態矢量為

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這樣,可以看到哈密頓量的本徵態是定態,隨著時間的流易,只有相位因子在進行演化。

假設,哈密頓量與時間有關,但在不同時間的哈密頓量相互對易,則時間演化算符可以寫為

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假設,哈密頓量與時間有關,而在不同時間的哈密頓量不相互對易,則時間演化算符可以寫為

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其中,T是時間排序算符。

必須用戴森級數來表示,

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參閱

•哈密頓-亞可比方程

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