算符的指数函数、波函数传播子

                     

贡献者: addis

预备知识 一阶线性常微分方程组

1. 不含时,有限维的情况

   我们可以证明对任意厄米矩阵 $ \boldsymbol{\mathbf{H}} $,$ \boldsymbol{\mathbf{U}} (t) = \exp\left(- \mathrm{i} \boldsymbol{\mathbf{H}} t\right) $ 都是酉矩阵,称为传播子(propagator)。要证明一个矩阵是酉矩阵,只需要证明

\begin{equation} \boldsymbol{\mathbf{U}} ^\dagger \boldsymbol{\mathbf{U}} = \boldsymbol{\mathbf{I}} ~. \end{equation}
由 $ \exp\left(- \mathrm{i} \boldsymbol{\mathbf{H}} t\right) $ 的级数定义以及厄米算符的性质可得 $ \exp\left(- \mathrm{i} \boldsymbol{\mathbf{H}} t\right) ^\dagger = \exp\left( \mathrm{i} \boldsymbol{\mathbf{H}} t\right) $,所以
\begin{equation} \boldsymbol{\mathbf{U}} (t) ^\dagger \boldsymbol{\mathbf{U}} (t) = \exp\left( \mathrm{i} \boldsymbol{\mathbf{H}} t\right) \exp\left(- \mathrm{i} \boldsymbol{\mathbf{H}} t\right) = \exp\left( \boldsymbol{\mathbf{0}} \right) = \boldsymbol{\mathbf{I}} ~, \end{equation}
注意只有 $[ \boldsymbol{\mathbf{A}} , \boldsymbol{\mathbf{B}} ] = 0$ 时才有
\begin{equation} \exp\left( \boldsymbol{\mathbf{A}} \right) \exp\left( \boldsymbol{\mathbf{B}} \right) = \exp\left( \boldsymbol{\mathbf{A}} + \boldsymbol{\mathbf{B}} \right) ~. \end{equation}

2. 不含时,无穷维的情况

   算符和有限维矩阵的性质往往有相同之处,然而当拓展到无穷维的情况时往往就需要高级得多的数学(泛函分析),我们暂不详细介绍这些数学,而是直接通过类比给出结论。

   将 “一阶线性常微分方程组” 中式 1 拓展成偏微分方程1,令 $A$ 为算符。

\begin{equation} \frac{\partial}{\partial{t}} f(x, y, \dots, t) = A f(x, y, \dots, t)~. \end{equation}
那么当 $A$ 不含 $t$ 时,有
\begin{equation} f(x, y, \dots, t) = \exp\left(A t\right) f(x, y, \dots, 0)~. \end{equation}
若 $A$ 含有 $t$,形式解式 9 变为
\begin{equation} f(x, y, \dots, t) = \hat{\mathcal T} \exp \left[\int_0^ t A(t') \,\mathrm{d}{t} ' \right] f(x, y, \dots, 0)~. \end{equation}

3. 含时薛定谔方程的解

   我们把哈密顿算符 $H$ 看作是无穷维矩阵,薛定谔方程可记为与一阶线性常微分方程组(式 1 )相同的形式

\begin{equation} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}{t}} \left\lvert \psi(t) \right\rangle = - \mathrm{i} H \left\lvert \psi(t) \right\rangle ~. \end{equation}
当哈密顿算符 $H$ 不含时,解为(根据式 2
\begin{equation} \left\lvert \psi(t) \right\rangle = \exp\left(- \mathrm{i} H t\right) \left\lvert \psi(0) \right\rangle ~, \end{equation}
当哈密顿算符含时,形式上可以把解记为
\begin{equation} \left\lvert \psi(t) \right\rangle = \hat{\mathcal T} \exp\left(\int_0^ t H(t') \,\mathrm{d}{t} '\right) \left\lvert \psi(0) \right\rangle ~. \end{equation}
我们把以上的 $\exp$ 就是波函数的传播子,其定义依然是使用指数函数的级数展开。


1. ^ 形象理解:将矢量 $ \boldsymbol{\mathbf{v}} $ 看作有无穷多个元,且取值连续,就成了 $f(x, t)$


致读者: 小时百科一直以来坚持所有内容免费无广告,这导致我们处于严重的亏损状态。 长此以往很可能会最终导致我们不得不选择大量广告以及内容付费等。 因此,我们请求广大读者热心打赏 ,使网站得以健康发展。 如果看到这条信息的每位读者能慷慨打赏 20 元,我们一周就能脱离亏损, 并在接下来的一年里向所有读者继续免费提供优质内容。 但遗憾的是只有不到 1% 的读者愿意捐款, 他们的付出帮助了 99% 的读者免费获取知识, 我们在此表示感谢。

                     

友情链接: 超理论坛 | ©小时科技 保留一切权利