狄拉克符号
目录
1 左矢, 右矢与内积 3
1.1 右矢 (ket) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 左矢 (bra) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 内积 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 算符 4
2.1 算符 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 本征值和本征矢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 物理量的本征矢与本征值 6
3.1 厄米算符的本征矢与本征值 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.2 量子态在本征矢上的展开 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.3 投影算符 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4 矩阵表示 8
4.1 算符对应的矩阵 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2 算符的作用与态对应的向量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.3 内积的矩阵表示 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.4 本征矢下的矩阵形式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.5 二分之一自旋系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5 基的变换 10
1
5.1 基的变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5.2 对角化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.3 等价物理量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1 左矢, 右矢与内积
1.1 右矢 (ket)
一个量子态全部信息可以用一个复矢量来表示
|
𝛼
⟩
称为 Ket(右矢). 两个 Ket 可以相加, 得到一个新的 Ket
|
𝛼
⟩
+
|
𝛽
⟩
=
|
𝛾
⟩
与平常的矢量相同,Ket 也可以进行数乘, 并且乘在左边和右边是一样的
𝑐
|
𝛼
⟩
=
|
𝛼
⟩
𝑐
需要注意的是,Ket 所表示的状态只与 Ket 的方向有关, 即𝑐
|
𝛼
⟩
与
|
𝛼
⟩
表示相同的量子态
1.2 左矢 (bra)
Bra 是 Ket 的共轭, 称为左矢
|
𝛼
⟩
𝐷𝐶
↔
⟨
𝛼
|
Bra space 与 Ket space 是一一对应的关系, 它遵循以下运算法则
𝑐
𝛼
|
𝛼
⟩
𝐷𝐶
↔ 𝑐
∗
𝛼
⟨
𝛼
|
|
𝛼
⟩
+
|
𝛽
⟩
𝐷𝐶
↔
⟨
𝛼
|
+
⟨
𝛽
|
𝑐
𝛼
|
𝛼
⟩
+ 𝑐
𝛽
|
𝛽
⟩
𝐷𝐶
↔ 𝑐
∗
𝛼
⟨
𝛼
|
+ 𝑐
∗
𝛽
⟨
𝛽
|
1.3 内积
引入左矢是为了表达内积
⟨
𝛽|𝛼
⟩
≡
⟨
𝛽
|
·
|
𝛼
⟩
这个内积是一个复数, 进行内积时 Bra 在左边 Ket 在右边 (左矢在左边右矢在右边, 逃). 若交换内积的
次序, 内积会变为原来的共轭
⟨
𝛼|𝛽
⟩
=
⟨
𝛽|𝛼
⟩
∗
这和普通的矢量内积不同! 若令上式中的 𝛽 → 𝛼, 则有
⟨
𝛼|𝛼
⟩
=
⟨
𝛼|𝛼
⟩
∗
, 也就是说
⟨
𝛼|𝛼
⟩
∈ ℝ
并且, 内积应当是” 正定” 的
⟨
𝛼|𝛼
⟩
≥ 0
当且仅当
|
𝛼
⟩
为 null ket 时取等
可以利用内积定义垂直.
|
𝛼
⟩
,
|
𝛽
⟩
垂直即它们的内积为零
⟨
𝛼|𝛽
⟩
= 0
当然此时
⟨
𝛽|𝛼
⟩
也为零. 定义了内积后就可以进行标准化
|
˜
𝛼
⟩
=
1
p
⟨
𝛼|𝛼
⟩
!
|
𝛼
⟩
标准化后内积就为 1 了
⟨
˜
𝛼|
˜
𝛼
⟩
= 1
p
⟨
𝛼|𝛼
⟩
称为
|
𝛼
⟩
的模方(norm)
2 算符
2.1 算符
量子力学中的物理量是算符, 它们作用在 Ket 的左边, 作用后得到新的 Ket
𝑋 ·
|
𝛼
⟩
≡ 𝑋
|
𝛼
⟩
算符相等定义为作用结果相等
𝑋 = 𝑌 ⇔ 𝑋
|
𝛼
⟩
= 𝑌
|
𝛼
⟩
若对于任意的 Ket 都有
𝑋
|
𝛼
⟩
= 0
则称 𝑋 为零算符.算符满足加法交换律和结合律与乘法分配律
𝑋 + 𝑌 = 𝑌 + 𝑋, 𝑋 + (𝑌 + 𝑍) = (𝑋 + 𝑌) + 𝑍, 𝑋 (𝑐
𝛼
|
𝛼
⟩
+ 𝑐
𝛽
|
𝛽
⟩
) = 𝑐
𝛼
𝑋
|
𝛼
⟩
+ 𝑐
𝛽
|
𝛽
⟩
算符还能在右边作用于 Bra得到新的 Bra
⟨
𝛼
|
· 𝑋 =
⟨
𝛼
|
𝑋
对于每一个算符都存在它的伴随算符 𝑋
†
(也叫厄米共轭算符)
𝑋
|
𝛼
⟩
𝐷𝐶
↔
⟨
𝛼
|
𝑋
†
若一个算符 𝑋 满足
𝑋 = 𝑋
†
则称其为厄米算符.算符可以相乘, 不过顺序不能交换
𝑋𝑌 ≠ 𝑌 𝑋
它遵循乘法结合律
𝑋 (𝑌 𝑍) = (𝑋𝑌 )𝑍 = 𝑋𝑌 𝑍
由此可以得到伴随算符的性质 (多么像矩阵啊, 逃)
(𝑋𝑌)
†
= 𝑌
†
𝑋
†
Bra 与 Ket 的乘积也会是一个算符
|
𝛽
⟩
·
⟨
𝛼
|
≡
|
𝛽
⟩ ⟨
𝛼
|
称为
|
𝛽
⟩
与
⟨
𝛼
|
的外积
外积作为算符也是满足结合律的
(
|
𝛽
⟩ ⟨
𝛼
|
) ·
|
𝛾
⟩
=
|
𝛽
⟩
· (
⟨
𝛼|𝛾
⟩
)
由此不难得到它的伴随算符
𝑋 =
|
𝛽
⟩ ⟨
𝛼
|
⇒ 𝑋
†
=
|
𝛼
⟩ ⟨
𝛽
|
对于含有算符的式子结合律依然是满足的
⟨
𝛽
|
· (𝑋
|
𝛼
⟩
) = (
⟨
𝛽
|
𝑋) ·
|
𝛼
⟩
≡
⟨
𝛽
|
𝑋
|
𝛼
⟩
不难得到
⟨
𝛽
|
𝑋
|
𝛼
⟩
=
⟨
𝛼
|
𝑋
†
|
𝛽
⟩
∗
如果 𝑋 是厄米算符, 那么
⟨
𝛽
|
𝑋
|
𝛼
⟩
=
⟨
𝛼
|
𝑋
|
𝛽
⟩
∗
2.2 本征值和本征矢
对于一个可观测的物理量, 如动量或是自旋, 用一个算符表示. 它作用在 Ket 的左边
𝐴
|
𝛼
⟩
若
|
𝛼
⟩
满足
𝐴
|
𝛼
⟩
= 𝑎
|
𝛼
⟩
则称
|
𝛼
⟩
是算符 𝐴 的本征矢,𝑎 是对应的本征值
3 物理量的本征矢与本征值
3.1 厄米算符的本征矢与本征值
物理量对应的算符是厄米的. 考察厄米算符 𝐴 的本征矢和本征值
𝐴
|
𝑎
′
⟩
= 𝑎
′
|
𝑎
′
⟩
由于 𝐴 是厄米的, 那么交换顺序也应该成立
⟨
𝑎
′′
|
𝐴 = 𝑎
′′∗
⟨
𝑎
′′
|
两式可以写为
⟨
𝑎
′′
|
𝐴
|
𝑎
′
⟩
= 𝑎
′
⟨
𝑎
′′
|𝑎
′
⟩
⟨
𝑎
′′
|
𝐴
|
𝑎
′
⟩
= 𝑎
′′∗
⟨
𝑎
′′
|𝑎
′
⟩
于是相减得到
(𝑎
′
− 𝑎
′′∗
)
⟨
𝑎
′′
|𝑎
′
⟩
= 0
令
⟨
𝑎
′′
|
=
⟨
𝑎
′
|
, 则 𝑎
′′∗
= 𝑎
′∗
, 由于
⟨
𝑎|𝑎
⟩
≠ 0, 那么
𝑎
′
= 𝑎
′∗
即
本征值为实数, 因而 𝑎
′′∗
= 𝑎
′′
, 那么原式可以改写为
(𝑎
′
− 𝑎
′′
)
⟨
𝑎
′′
|𝑎
′
⟩
= 0
对于不同的
|
𝑎
⟩
,
|
𝑎
′′
⟩
一般 𝑎
′
≠ 𝑎
′′
, 那么就有
⟨
𝑎
′′
|𝑎
′
⟩
= 0, (𝑎
′
≠ 𝑎
′′
)
由于
⟨
𝑎
′
|𝑎
′
⟩
= 1, 上式可以简记为
⟨
𝑎
′′
|𝑎
′
⟩
= 𝛿
𝑎
′′
𝑎
′
3.2 量子态在本征矢上的展开
希望任意的态都可以由一系列本征矢展开
|
𝛼
⟩
=
Õ
𝑎
′
𝑐
𝑎
′
|
𝑎
′
⟩
两边同时左乘其中一个本征矢
⟨
𝑎
′′
|
⟨
𝑎
′′
|𝛼
⟩
=
Õ
𝑎
′
𝑐
𝑎
′
⟨
𝑎
′′
|𝑎
′
⟩
由于
⟨
𝑎
′′
|𝑎
′
⟩
= 𝛿
𝑎
′′
𝑎
′
, 右边仅保留
⟨
𝑎
′′
|
=
⟨
𝑎
′
|
的项, 得到组合系数
𝑐
𝑎
′
=
⟨
𝑎
′
|𝛼
⟩
也就是说
|
𝛼
⟩
=
Õ
𝛼
′
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|𝛼
⟩
将
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
视为一个算符, 那么
Õ
𝛼
′
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
= 𝐼
该式称为完备性关系或封闭性. 由于该关系存在, 它可以插入在任意位置
⟨
𝛼|𝛼
⟩
=
⟨
𝛼
|
·
Õ
𝛼
′
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
!
·
|
𝛼
⟩
=
Õ
𝛼
′
⟨
𝑎
′
|𝛼
⟩ ⟨
𝛼|𝑎
′
⟩
=
Õ
𝛼
′
|⟨
𝑎
′
|𝛼
⟩|
2
若
|
𝛼
⟩
是归一化的, 那么上式等于 1, 那么就得到了组合系数的和
Õ
𝛼
′
𝑐
2
𝑎
′
=
Õ
𝛼
′
|⟨
𝑎
′
|𝛼
⟩|
2
= 1
3.3 投影算符
考察算符
|
𝛼
′
⟩ ⟨
𝛼
′
|
的作用. 将其作用在
|
𝛼
⟩
上
(
|
𝛼
′
⟩ ⟨
𝛼
′
|
) ·
|
𝛼
⟩
=
|
𝛼
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|𝛼
⟩
= 𝑐
𝛼
′
|
𝛼
′
⟩
发现
该算符提取出了
|
𝛼
⟩
平行于
|
𝛼
′
⟩
的分量
, 称其为投影算符, 记为
Λ
𝑎
′
≡
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
如前文所述, 投影算符的平方和等于 1
Õ
𝛼
′
Λ
2
𝑎
′
= 𝐼
4 矩阵表示
4.1 算符对应的矩阵
对于一个算符 𝑋, 利用完备性关系可以得到
𝑋 =
Õ
𝛼
′
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
!
𝑋
Õ
𝛼
′′
|
𝑎
′′
⟩ ⟨
𝑎
′′
|
!
=
Õ
𝛼
′
, 𝛼
′′
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
𝑋
|
𝑎
′′
⟩ ⟨
𝑎
′′
|
设空间是 𝑁 维的, 那么就有 𝑁
2
个元素
⟨
𝑎
′
|
𝑋
|
𝑎
′′
⟩
. 认为算符 𝑋 对应于一个 𝑁 × 𝑁 的矩阵
𝑋 ∼
𝑎
(1)
𝑋
𝑎
(1)
𝑎
(1)
𝑋
𝑎
(2)
· · ·
𝑎
(1)
𝑋
𝑎
( 𝑁 )
𝑎
(2)
𝑋
𝑎
(1)
𝑎
(2)
𝑋
𝑎
(2)
· · ·
𝑎
(2)
𝑋
𝑎
( 𝑁 )
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
设算符 𝑍 = 𝑋𝑌 , 那么在其中一样可以插入完备性关系
⟨
𝑎
′′
|
𝑋𝑌
|
𝑎
′
⟩
=
Õ
𝛼
′′′
⟨
𝑎
′′
|
𝑋
|
𝑎
′′′
⟩ ⟨
𝑎
′′′
|
𝑌
|
𝑎
′
⟩
算符 𝑋𝑌 对应的矩阵就是 𝑋 的矩阵与 𝑌 的矩阵相乘
4.2 算符的作用与态对应的向量
考虑算符作用的结果
|
𝛾
⟩
= 𝑋
|
𝛼
⟩
希望将其用
|
𝑎
′
⟩
展开, 那么组合系数就是
⟨
𝑎
′
|𝛾
⟩
=
⟨
𝑎
′
|
𝑋
|
𝛼
⟩
=
Õ
𝛼
′′
⟨
𝑎
′
|
𝑋
|
𝑎
′′
⟩ ⟨
𝑎
′′
|𝛼
⟩
若考虑 𝑋 对应的矩阵,
|
𝛼
⟩
,
|
𝛾
⟩
则正好可以写为列向量形式
|
𝛼
⟩
∼
𝑎
(1)
|𝛼
𝑎
(2)
|𝛼
.
.
.
𝑎
( 𝑁 )
|𝛼
,
|
𝛾
⟩
∼
𝑎
(1)
|𝛾
𝑎
(2)
|𝛾
.
.
.
𝑎
( 𝑁 )
|𝛾
在线性代数运算规则下满足关系
|
𝛾
⟩
= 𝑋
|
𝛼
⟩
同样对于行向量
⟨
𝛾
|
=
⟨
𝛼
|
𝑋
同样在
⟨
𝑎
′
|
下展开, 组合系数为
⟨
𝛾|𝑎
′
⟩
=
⟨
𝛼|𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
𝑋 =
Õ
𝛼
′′
⟨
𝛼|𝑎
′′
⟩ ⟨
𝑎
′′
|
𝑋
|
𝑎
′
⟩
它可以视为行向量
⟨
𝛾
|
∼
h
𝛾|𝑎
(1)
𝛾|𝑎
(2)
· · ·
𝛾|𝑎
( 𝑁 )
i
=
𝑎
(1)
|𝛾
𝑎
(
2
)
|𝛾
.
.
.
𝑎
( 𝑁 )
|𝛾
𝐻
4.3 内积的矩阵表示
那么内积也可以写为向量的内积
⟨
𝛽|𝛼
⟩
=
Õ
𝛼
′
⟨
𝛽|𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|𝛼
⟩
=
h
𝛽|𝑎
(
1
)
𝛽|𝑎
(2)
· · ·
𝛽|𝑎
( 𝑁 )
i
𝑎
(1)
|𝛼
𝑎
(2)
|𝛼
.
.
.
𝑎
( 𝑁 )
|𝛼
那么外积也可以写为矩阵形式
|
𝛽
⟩ ⟨
𝛼
|
∼
𝑎
(1)
|𝛽
𝑎
(1)
|𝛼
∗
𝑎
(1)
|𝛽
𝑎
(2)
|𝛼
∗
· · ·
𝑎
(1)
|𝛽
𝑎
( 𝑁 )
|𝛼
∗
𝑎
(2)
|𝛽
𝑎
(1)
|𝛼
∗
𝑎
(2)
|𝛽
𝑎
(2)
|𝛼
∗
· · ·
𝑎
(2)
|𝛽
𝑎
( 𝑁 )
|𝛼
∗
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.4 本征矢下的矩阵形式
考察算符 𝐴 在它自己的本征矢的矩阵形式
𝐴 ∼
𝑎
(1)
𝐴
𝑎
(1)
𝑎
(1)
𝐴
𝑎
(2)
· · ·
𝑎
(1)
𝐴
𝑎
( 𝑁 )
𝑎
(2)
𝐴
𝑎
(1)
𝑎
(2)
𝐴
𝑎
(2)
· · ·
𝑎
(2)
𝐴
𝑎
( 𝑁 )
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
这显然应当是个对角阵
𝐴 =
𝑎
(1)
𝑎
(2)
.
.
.
𝑎
( 𝑁 )
也就是
𝐴 =
Õ
𝑎
′
𝑎
′
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
=
Õ
𝑎
′
𝑎
′
Λ
𝑎
′
4.5 二分之一自旋系统
对于一个二分之一自旋系统, 它的态可以用两个基矢
|
𝑆
𝑧
; ±
⟩
表示, 简写为
|
+
⟩
,
|
−
⟩
由完备性关系, 单位算符可以写为
𝐼 =
|
+
⟩ ⟨
+
|
+
|
−
⟩ ⟨
−
|
由于
|
±
⟩
是 𝑆
𝑧
的本征矢, 由上一节的内容, 算符 𝑆
𝑧
就可以写为
𝑆
𝑧
=
ℏ
2
|
+
⟩ ⟨
+
|
−
|
−
⟩ ⟨
−
|
它作用在本征矢上将得到
𝑆
𝑧
|
+
⟩
=
ℏ
2
|
+
⟩
, 𝑆
𝑧
|
−
⟩
= −
ℏ
2
|
−
⟩
还可以定义两个算符
𝑆
+
≡ ℏ
|
+
⟩ ⟨
−
|
, 𝑆
−
≡ ℏ
|
−
⟩ ⟨
+
|
𝑆
+
作用在
|
−
⟩
上, 将其变为 ℏ
|
+
⟩
; 而 𝑆
−
作用在
|
+
⟩
上, 将其变为 ℏ
|
−
⟩
. 这两个算符称为升降算符, 它们并
不是厄米的
用矩阵形式表示就是
|
+
⟩
=
"
1
0
#
,
|
−
⟩
=
"
0
1
#
𝑆
𝑧
=
ℏ
2
"
1 0
0 −1
#
, 𝑆
+
= ℏ
"
0 1
0 0
#
, 𝑆
−
= ℏ
"
0 0
1 0
#
5
基的变换
5.1 基的变换
若有两个物理量 𝐴 和 𝐵, 它们的本征矢分别为
|
𝑎
′
⟩
和
|
𝑏
′
⟩
, 它们都可以作为基展开为一个相同的空间. 希
望找到一个量子态在两组基下展开的关系
可以假设有一个算符
𝑈
,
它表征了两组基之间的关系
|
𝑏
′
⟩
= 𝑈
|
𝑎
′
⟩
归一化的 ket 理应在变换后也是归一化的, 那么
𝑈𝑈
†
= 𝐼, 𝑈
†
𝑈 = 𝐼
希望找到 𝑈 的矩阵表示. 若在
|
𝑎
′
⟩
下展开, 矩阵的元素为
𝑎
(𝑘)
𝑈
𝑎
(𝑙)
=
𝑎
(𝑘)
|𝑏
(𝑙)
可以看出, 每个元素都是对应的内积. 换句话说, 矩阵的各元素就是旧基矢对新基矢的内积. 该矩阵称为从
|
𝑎
′
⟩
到
|
𝑏
′
⟩
的变换矩阵
假定已经有一个量子态在
|
𝑎
′
⟩
下展开
|
𝛼
⟩
=
Õ
𝑎
′
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|𝛼
⟩
希望找到它在
|
𝑏
′
⟩
下的展开, 其系数为
⟨
𝑏
′
|𝛼
⟩
. 那么
𝑏
(𝑘)
|𝛼
=
Õ
𝑙
𝑏
(𝑘)
|𝑎
(𝑙)
𝑎
(𝑙)
|𝛼
=
Õ
𝑙
𝑎
(𝑘)
𝑈
†
𝑎
(𝑙)
𝑎
(𝑙)
|𝛼
这实际上就是矩阵与列向量的乘积
对于算符 𝑋, 它在新基下的矩阵表示为
𝑏
(𝑘)
𝑋
𝑏
(𝑙)
=
Õ
𝑚,𝑛
𝑎
(𝑘)
𝑈
†
𝑎
(𝑚)
𝑎
(𝑚)
𝑋
𝑎
(𝑛)
𝑎
(𝑛)
𝑈
𝑎
(𝑙)
也就是说
𝑋
′
= 𝑈
†
𝑋𝑈
对于不同的基,
相同算符对应的矩阵具有相同的迹
, 即对角元之和
𝑡𝑟 (𝑋) =
Õ
𝑎
′
⟨
𝑎
′
|
𝑋
|
𝑎
′
⟩
=
Õ
𝑎
′
Õ
𝑏
′
Õ
𝑏
′′
⟨
𝑎
′
|𝑏
′
⟩ ⟨
𝑏
′
|
𝑋
|
𝑏
′′
⟩ ⟨
𝑏
′′
|𝑎
′
⟩
=
Õ
𝑏
′
Õ
𝑏
′′
⟨
𝑏
′′
|𝑏
′
⟩ ⟨
𝑏
′
|
𝑋
|
𝑏
′′
⟩
=
Õ
𝑏
′
⟨
𝑏
′
|
𝑋
|
𝑏
′
⟩
可以证明
𝑡𝑟 (𝑋𝑌 ) = 𝑡𝑟 (𝑌 𝑋)
𝑡𝑟 (𝑈
†
𝑋𝑈) = 𝑡𝑟 (𝑋)
𝑡𝑟 (
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′′
|
) = 𝛿
𝑎
′
𝑎
′′
𝑡𝑟 (
|
𝑏
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|
)
=
⟨
𝑎
′
|𝑏
′
⟩
5.2 对角化
对于一个厄米算符 𝐵, 希望找到
𝐵
|
𝑏
′
⟩
= 𝑏
′
|
𝑏
′
⟩
希望将其写为矩阵形式, 不妨在
|
𝑎
⟩
下展开, 改写为
Õ
𝑎
′
⟨
𝑎
′′
|
𝐵
|
𝑎
′
⟩ ⟨
𝑎
′
|𝑏
′
⟩
= 𝑏
′
⟨
𝑎
′′
|𝑏
′
⟩
假定 𝑏
′
是 𝐵 的第 𝑙 个本征值, 记为 𝑏
(𝑙)
, 那么令
𝐵
𝑖 𝑗
=
𝑎
(𝑖)
𝐵
𝑎
( 𝑗 )
, 𝐶
(𝑙)
𝑘
=
𝑎
(𝑘)
|𝑏
(𝑙)
上式就写为
𝐵
11
𝐵
12
𝐵
13
· · ·
𝐵
21
𝐵
22
𝐵
23
· · ·
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
𝐶
(𝑙)
1
𝐶
(𝑙)
2
.
.
.
= 𝑏
(𝑙)
𝐶
(𝑙)
1
𝐶
(𝑙)
2
.
.
.
从线性代数的观点来看,𝑏
𝑙
就是矩阵 𝐵 的特征值, 而 𝐶
(𝑙)
就是对应的特征向量, 利用特征方程即可求解
det (𝐵 − 𝜆𝐼) = 0
这样解出 𝑁 个特征向量, 即能得到 𝐵 的本征矢. 对于厄米算符而言, 它的本征矢是完备的, 进而就可以对
角化
实际上, 若算符非厄米, 它的本征矢不一定完备. 如升降算符中的 𝑆
+
在 𝑆
𝑧
基下写为
𝑆
+
∼
"
0 1
0 0
#
它就不可被对角化
5.3 等价物理量
与线性代数中 相似 的定义类似, 若存在一个酉变换 𝑈, 使得物理量 𝐴 和 𝐵 满足
𝐵 = 𝑈 𝐴𝑈
−1
则称 𝐴 和 𝐵 是等价的. 这是因为若写出 𝐴 的本征方程
𝐴
|
𝑎
′
⟩
= 𝑎
′
|
𝑎
′
⟩
那么
𝑈 𝐴𝑈
−1
𝑈
|
𝑎
′
⟩
= 𝑎
′
𝑈
|
𝑎
′
⟩
这正是 𝐵 的本征方程
(𝑈 𝐴𝑈
−1
)
|
𝑏
′
⟩
= 𝑎
′
|
𝑏
′
⟩
这说明 𝐵 具有着与 𝐴 完全相同的本征值