Вопрос 44

Стационарное состояние свободной частицы. 

Для одиночной частицы с массой m уравнение   запишется как

∇ ²ψ_n(ξ) +2m/ђ² (E − U)ψ_n(ξ) = 0,

,

Вопрос 45

В квантовой физике наряду с оператором импульса имеет место оператор координаты. Так как координата является вещественной величиной, то оператор координаты эрмитов.

Оператор координаты не коммутирует с оператором импульса, то есть

Согласно каноническому коммутационному соотношению:

и все остальные коммутаторы между  равны 0

Применение[править | править исходный текст]

Среднее значение координаты для состояния с волновой функцией ψ определяется как

Формальное определение[править | править исходный текст]

В квантовой механике оператором импульса частицы называют оператор — генератор группы трансляций. Это эрмитов оператор, собственные значения которого отождествляются с импульсом системы частиц. В координатном представлении для системы нерелятивистских частиц он имеет вид

где  — оператор набла, соответствующий дифференцированию по координатам -ой частицы. Гамильтониан системы выражается через оператор импульса:

Для замкнутой системы () оператор импульса коммутирует с гамильтонианом и импульс сохраняется.

Вопрос 46

Коммутатором операторов  и  в алгебре, а также квантовой механике называется оператор . В общем случае он не равен нулю. Понятие коммутатора распространяется также на произвольные ассоциативные алгебры (не обязательно операторные). В квантовой механике за коммутатором операторов также закрепилось название квантовая скобка Пуассона.

Если коммутатор двух операторов равен нулю, то они называются коммутирующими, иначе — некоммутирующими.

Коммутатор в квантовой механике[править | править исходный текст]

Как известно, физическое измерение в квантовой механике соответствует действию оператора  физической величины  на вектор состояния системы. Так называемые чистые состояния, в которых физическая величина имеет строго определённое значение, соответствуют собственным векторам , при этом значение величины в данном состоянии — это собственное число вектора чистого состояния:

Если две квантовомеханические величины одновременно измеримы, то в чистых состояниях они обе будут иметь определённое значение, то есть множества собственных векторов операторов величин совпадают. Но тогда они будут коммутировать:

Соответственно, некоммутирующие операторы соответствуют физическим величинам, не имеющим одновременно определённого значения. Типичный пример — операторы импульса (компоненты импульса)  и соответствующей координаты  (см.соотношение неопределённостей).

Вопрос 47

Измерение в квантовой механике — концепция, описывающая возможность получения информации о состоянии системы путём проведения физического эксперимента.

Результаты измерения интерпретируются как значения физической величины, которой ставится в соответствие эрмитов оператор физической величины, называемый традиционно наблюдаемой. Сами значения измерений являютсясобственными значениями этих операторов, а после проведения селективного измерения (то есть измерения, результат которого известен экспериментатору) состояние системы оказывается в соответственном полученному значению собственном подпространстве, что называется редукцией фон Неймана. При идеализированном «абсолютно точном» измерении могут быть получены только лишь такие значения физической величины, которые принадлежат спектрусоответствующего этой величине оператора, и никакие другие. Пример: собственными значениями оператора проекции спина частицы со спином 1/2 на произвольное направление являются только величины , поэтому в эксперименте Штерна — Герлаха пучок таких частиц разделится только на два — не больше и не меньше — пучка с положительной и отрицательной проекцией спина на направление градиента магнитного поля.

Если же результат измерения остался неизвестным экспериментатору (такое измерение называют неселективным), то квантовая система переходит в состояние, которое в общем случае описывается матрицей плотности (даже если исходное состояние было чистым), диагональной в базисе оператора измеренной физической величины, причём величина каждого из диагональных элементов в этом базисе равна вероятности соответствующего исхода измерения.

Вероятность получить то или иное собственное значение как результат измерения равна квадрату длины проекции исходного нормированного на единицу вектора состояния на соответственное собственное подпространство.

В более общей форме среднее значение измеряемой величины равно следу произведения оператора матрицы плотности квантовой системы и оператора соответствующей величины.