Kompletny zestaw obserwabli dojazdowych

W mechanice kwantowej kompletny zestaw obserwabli dojeżdżających (CSCO) to zbiór operatorów dojeżdżających , których wspólne wektory własne można wykorzystać jako podstawę do wyrażenia dowolnego stanu kwantowego . W przypadku operatorów z widmami dyskretnymi CSCO to zbiór dojeżdżających obserwabli, których jednoczesne przestrzenie własne obejmują przestrzeń Hilberta, tak że wektory własne są jednoznacznie określone przez odpowiednie zestawy wartości własnych.

Ponieważ każda para obserwowalnych w zestawie dojeżdża do pracy, wszystkie obserwowalne są kompatybilne, więc pomiar jednego obserwowalnego nie ma wpływu na wynik pomiaru innego obserwowalnego w zbiorze. Nie jest zatem konieczne określanie kolejności, w jakiej mierzone są różne obserwable. Pomiar kompletnego zbioru obserwowalnych jest pomiarem kompletnym w tym sensie, że rzutuje stan kwantowy układu na unikalny i znany wektor w bazie zdefiniowanej przez zbiór operatorów. Oznacza to, że aby przygotować całkowicie określony stan, musimy arbitralnie przyjąć dowolny stan, a następnie wykonać serię pomiarów odpowiadających wszystkim obserwabliom w zbiorze, aż stanie się on jednoznacznie określonym wektorem w przestrzeni Hilberta ( do fazy ).

Twierdzenie o zgodności

Rozważmy dwa obserwowalne, i , reprezentowane przez operatory i ZA . Wtedy następujące stwierdzenia są równoważne:

  1. i są kompatybilnymi obserwowalnymi.
  2. wspólną własną.
  3. Operatory pracy co że .

Dowody

Dowód, że wspólna podstawa własna implikuje komutację

Niech być zbiorem stanów ortonormalnych (tj. kompletną podstawę własną dla każdego z dwóch zgodnych obserwowalnych i i reprezentowane przez operatory samosprzężone i z odpowiednimi (o wartościach rzeczywistych) wartościami odpowiednio i To daje do zrozumienia ze

dla każdego wzajemnego stanu własnego . Ponieważ baza własna jest kompletna, możemy rozszerzyć dowolny stan według

gdzie . Powyższe wyniki na to wskazują

dla dowolnego stanu . Zatem , co oznacza, że ​​dwaj operatorzy dojeżdżają do pracy.

Dowód, że obserwable dojeżdżające do pracy posiadają pełny zestaw wspólnych funkcji własnych

Gdy ma niezdegenerowane wartości własne:


Niech być kompletnym zestawem ortonormalnych zestawów własnych operatora samosprzężonego odpowiadającym zbiorowi wartości własnych { \ Displaystyle A . Jeśli samosprzężone i dojeżdżają do pracy, możemy napisać

Więc jeśli możemy powiedzieć, że eigenketem odpowiadającym wartości własnej za . Ponieważ zarówno i są zestawami własnymi związanymi z tą samą niezdegenerowaną wartością własną mogą różnić się co najwyżej o stałą multiplikatywną za Nazywamy tę stałą . Więc,

,

co oznacza jest eigenketem własnym , a zatem jednocześnie ZA B . W przypadku niezerowy wektor jest zestawem własnym z wartością własną .


Gdy ma zdegenerowane wartości własne:


Załóżmy jest . Niech odpowiednie ortonormalne eigenkety będą . Ponieważ , rozumujemy jak powyżej, aby stwierdzić, że jest eigenketem odpowiadającym zdegenerowanej wartości własnej . Możemy więc rozwinąć podstawie zdegenerowanych zestawów własnych za :

do to współczynniki rozszerzalności. Współczynniki tworzą samosprzężoną macierz, ponieważ . Następnym krokiem byłoby przekątowanie macierzy . Aby to zrobić, sumujemy wszystkie ze stałymi \ Więc,

Zatem B z wartością własną jeśli mamy

układ równań liniowych dla stałych . Rozwiązanie nietrywialne istnieje, jeśli

Jest to równanie rzędu ma . sol } Dla każdego pierwiastka rozwiązanie, powiedzmy re r Ze względu na samosprzężenie liniowo niezależne Dlatego tworzą nową podstawę

jest jednocześnie eigenketem własnym i z wartościami własnymi i odpowiednio.

Dyskusja

Rozważamy dwie powyższe obserwable i . Załóżmy, że istnieje kompletny zestaw ketów którego każdy element jest jednocześnie zestawem własnym ZA i . mówimy i są . _ wartości i _ odpowiednio przez i , możemy napisać

Jeśli system znajduje się w jednym ze stanów własnych, powiedzmy , wtedy zarówno można mierzyć jednocześnie z dowolnym poziomem precyzji, a otrzymamy i odpowiednio i Pomysł ten można rozszerzyć na więcej niż dwa obserwabli.

Przykłady zgodnych obserwabli

Składowe kartezjańskie operatora pozycji to , i . Wszystkie te komponenty są kompatybilne. Podobnie, składowe kartezjańskie operatora pędu czyli , p p są również zgodne.

Definicja formalna

Zbiór obserwabli nazywa się CSCO, jeśli:

  1. Wszystkie obserwable dojeżdżają parami.
  2. Jeśli określimy wartości własne wszystkich operatorów w CSCO, zidentyfikujemy unikalny wektor własny (do fazy) w przestrzeni Hilberta systemu.

Jeśli mamy CSCO, możemy wybrać bazę dla przestrzeni stanów złożoną ze wspólnych wektorów własnych odpowiednich operatorów. Możemy jednoznacznie zidentyfikować każdy wektor własny (aż do fazy) na podstawie zestawu wartości własnych, którym odpowiada.

Dyskusja

Miejmy operatora który ma wszystkie niezdegenerowane wartości własne . W rezultacie istnieje jeden unikalny stan własny odpowiadający każdej wartości własnej, co pozwala nam oznaczyć je odpowiednimi wartościami własnymi. przykład stan odpowiadający oznaczyć . Taki obserwowalny sam w sobie jest samowystarczalnym CSCO.

Jeśli jednak niektóre wartości własne ( na przykład zdegenerowane poziomy energii , to powyższy wynik już nie obowiązuje. W takim przypadku musimy rozróżnić funkcje własne odpowiadające tej samej wartości własnej. Aby to zrobić, wprowadza się drugi obserwowalny (nazwijmy go ), który jest zgodny z . Twierdzenie można znaleźć własnych i . Teraz, jeśli para wartości własnych stanu tej podstawy, twierdzimy, . Degeneracja w .

Może się jednak zdarzyć, że degeneracja nie zostanie całkowicie zniesiona. istnieje co najmniej jedna para, identyfikuje jednoznacznie dodając kolejną obserwowalną , która jest kompatybilna zarówno z , . Jeśli podstawa wspólnych funkcji własnych , do jest wyjątkowa , to znaczy jednoznacznie określony zbiór wartości własnych wtedy utworzyliśmy CSCO: . Jeśli nie, dodajemy jeszcze jedną zgodną obserwowalną i kontynuujemy proces, aż do uzyskania CSCO.

Ta sama przestrzeń wektorowa może mieć różne kompletne zestawy operatorów komutujących.

Załóżmy, że mamy skończoną CSCO . Wtedy możemy rozwinąć dowolny ogólny stan w przestrzeni Hilberta jako

gdzie są zestawami własnymi operatorów i tworzą przestrzeń bazową. To jest,

itd

Jeśli mierzymy w stanie to prawdopodobieństwo, że jednocześnie mierzymy jest podane przez .

Dla kompletnego zestawu operatorów komutujących możemy znaleźć transformację jednostkową, która jednocześnie diagonalizuje je wszystkie.

Przykłady

Atom wodoru bez spinu elektronu lub protonu

Dwie składowe operatora momentu pędu nie dojeżdżają do pracy, ale spełniają relacje komutacji:

Tak więc żaden CSCO nie może obejmować więcej niż jednego składnika . Można pokazać, że kwadrat operatora momentu pędu , dojeżdża z .

H nabla ^ jest funkcją tylko i ma niezmienniczość obrotową, gdzie jest zmniejszoną masą system. Ponieważ składniki są generatorami rotacji, można to pokazać

Dlatego zestaw dojazdów składa się z jednego składnika (który jest za . Rozwiązanie spin elektronów Niech być dowolnym stanem bazowym w przestrzeni Hilberta atomu wodoru. Następnie

zbiór wartości własnych , całkowicie określa unikalny stan własny atomu wodoru.

Wolna cząsteczka

W cząstki hamiltonian _ Tłumaczenie dojeżdża z hamiltonianem: . Jeśli jednak wyrazimy na podstawie operatora translacji, przekonamy się, że podwójnie zdegenerowane wartości własne. Można pokazać, że aby w tym przypadku utworzyć CSCO, potrzebujemy innego operatora zwanego operatorem , takiego , że . tworzy CSCO.

Ponownie niech i być zdegenerowanymi stanami własnymi odpowiadającymi wartości własnej , tj

Degeneracja w usuwana przez operatora pędu .

Więc tworzy CSCO.

Dodanie momentu pędu

Rozważamy przypadek dwóch układów, 1 i 2, operatorami i Możemy zapisać stany własne i ^ i i jak .

Wtedy stany bazowe całego systemu to podane przez

Dlatego dla całego systemu zbiór wartości własnych jest następujący: całkowicie określa unikalny stan bazowy i tworzy CSCO. Równoważnie istnieje inny zestaw stanów bazowych dla systemu, pod względem operatora całkowitego momentu pędu . Wartości własne to gdzie jot 2 i = . Stany bazowe operatorów i { . W ten sposób możemy również określić unikalny stan bazowy w przestrzeni Hilberta całego systemu przez zbiór wartości własnych , a odpowiedni CSCO to .

Zobacz też