自旋与旋转

                     

贡献者: 叶月2_

  • 本文缺少预备知识,初学者可能会遇到困难。

自旋对态矢作用

   通过对角动量理论的学习,我们已经知道,在向量空间中,$\mathrm e^{-\mathrm i\hat J_i\phi}$ 可以描述经典向量绕生成元 $\hat J_i$ 对应的轴旋转 $\phi$。但对于可以选择任意表象的态矢而言,这种绕固定轴的转动还可以影响别的观测结果,即期望值。

   以三维空间中自旋 $1/2$ 的粒子为例,其自旋期望值为 $(\overline{\hat S_x},\overline{\hat S_y},\overline{\hat S_z})$。设该粒子的初始态矢为 $ \left\lvert a \right\rangle $,态矢绕 $z$ 轴 “转动” 后变为 $\mathrm e^{-\mathrm i \hat S_z\phi} \left\lvert a \right\rangle $。则期望值变化为:

\begin{equation} \left\langle a \right\rvert \hat S_i \left\lvert a \right\rangle \rightarrow \left\langle a \right\rvert \mathrm e^{\mathrm i \hat S_z\phi}\hat S_i\mathrm e^{-\mathrm i \hat S_z\phi} \left\lvert a \right\rangle ~. \end{equation}
在 $\hat S_z$ 表象下计算 $\mathrm e^{\mathrm i \hat S_z\phi}\hat S_x\mathrm e^{-\mathrm i \hat S_z\phi}$ 得:

\begin{equation} \begin{aligned} \mathrm e^{\mathrm i \hat S_z\phi}\hat S_x\mathrm e^{-\mathrm i \hat S_z\phi}&=\mathrm e^{\mathrm i \hat S_z\phi}\left(\frac{1}{2}( \left\lvert - \right\rangle \left\langle + \right\rvert + \left\lvert + \right\rangle \left\langle - \right\rvert )\right)\mathrm e^{-\mathrm i \hat S_z\phi}\\ &=\frac{1}{2}\left(\mathrm e^{-\mathrm i \phi} \left\lvert - \right\rangle \left\langle + \right\rvert + \left\lvert + \right\rangle \left\langle - \right\rvert \mathrm e^{\mathrm i \phi}\right)\\ &=\frac{1}{2}\left[ \operatorname {cos}\phi( \left\lvert - \right\rangle \left\langle + \right\rvert + \left\lvert + \right\rangle \left\langle - \right\rvert )+\mathrm i \operatorname {sin}\phi( \left\lvert + \right\rangle \left\langle - \right\rvert - \left\lvert - \right\rangle \left\langle + \right\rvert )\right]\\ &= \operatorname {cos}\phi \hat S_x- \operatorname {sin}\phi \hat S_y~. \end{aligned} \end{equation}
因此,$\hat S_x$ 的期望值变化为:
\begin{equation} \overline{\hat S_x}\rightarrow \overline{\hat S_x} \operatorname {cos}\phi-\overline{\hat S_y} \operatorname {sin}\phi~. \end{equation}
同理可以计算出其他分量的期望值变化:
\begin{equation} \overline{\hat S_y}\rightarrow \overline{\hat S_y} \operatorname {cos}\phi+\overline{\hat S_x} \operatorname {sin}\phi~, \end{equation}
\begin{equation} \overline{\hat S_z}\rightarrow \overline{\hat S_z}~. \end{equation}
因此,自旋期望值可看作经典矢量,态矢绕自旋 $z$ 分量 “旋转” 相当于该矢量绕自旋 $z$ 分量 “旋转”:
\begin{equation} \begin{pmatrix} \operatorname {cos}\phi &- \operatorname {sin}\phi &0 \\ \operatorname {sin}\phi & \operatorname {cos}\phi & 0\\ 0& 0 &1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \overline{\hat S_x}\\ \overline{\hat S_y}\\ \overline{\hat S_z} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \overline{\hat S'_x}\\ \overline{\hat S'_y}\\ \overline{\hat S'_z} \end{pmatrix}~. \end{equation}
可以利用贝克-豪斯多夫(Baker-Hausdorff)公式计算 $\mathrm e^{\mathrm i \hat S_z\phi}\hat S_x\mathrm e^{-\mathrm i \hat S_z\phi}$。 计算过程表明自旋期望值的变化适用于任意角动量期望值的变化(即也适用于轨道角动量算子期望值)。

   也就是说,态矢绕任意角动量分量 $\hat J_i$ 的指向旋转 $\phi$,相当于该角动量期望值矢量 $\overline{\hat J_i}$ 在三维空间的旋转。

                     

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