Понятие состояния квантово-механической системы. Принцип суперпозиции

системы. Принцип суперпозиции" width="17" height="18" align="BOTTOM" border="0" />. Таким образом, в состоянии, которое описывается собственной функцией оператора

,соответствующая физическая величина имеет точно определенное значение, равное собственному значению этого оператора. Если же

-функция, описывающая состояние системы, не является собственной функцией оператора физической величины, то при ее измерении в этом состоянии будем получать различные значения из спектра собственных значений данного оператора. Это утверждение обычно формулируют в виде одного из постулатов квантовой механики.

Собственные значения оператора, сопоставляемого данной физической величине, являются теми значениями этой величины, которые реализуются в процессах измерения.

Это утверждение (3-й постулат) имеет очень большое значение для физической интерпретации математического аппарата квантовой механики. Требование, чтобы собственные функции оператора удовлетворяли стандартным условиям часто ограничивает возможные значения физической величины. Учет этих требований приводит к дискретному спектру собственных значений. Таким образом, мы имеем дело с математическим отображением процесса квантования в физике.

2.4 Свойства собственных значений и собственных функций эрмитовых операторов

а) Докажем, что собственные значения самосопряженных операторов являются действительными числами.

Доказательство. Напишем уравнение собственных значений

и комплексно с ним сопряженное

Умножим левую и правую часть первого уравнения слева на , второго на и проинтегрируем их по всей области изменения независимых переменных

Поскольку операторы самосопряженные, левые части этих равенств одинаковы (см. соотношение (2.1.2)). Вычитая почленно второе соотношение из первого, получаем

Поскольку функции квадратично интегрируемы и интеграл в левой части, по условию нормировки, равен единице, получаем или . Это означает, что собственные значения самосопряженных операторов – действительные числа. Поэтому в квантовой механике могут использоваться только самосопряженные операторы – при измерении физических величин можно получить только действительные значения.

б) Докажем, что собственные функции самосопряженных операторов, соответствующие разным собственным значениям, взаимно ортогональны. Для определенности принимаем, что спектр собственных значений оператора дискретный и вырождение отсутствует.

Доказательство. Напишем уравнения собственных значений для операторов и :

Умножаем левую и правую часть на слева, второго – на справа и интегрируем по всей области изменения независимых переменных:

Вычитаем почленно второе уравнение из первого и, учитывая эрмитовость оператора , (см. равенство (2.1.4а)), получаем

(2.4.1)

Если , то и из этого соотношения следует

(2.4.2)

или

, (2.4.2а)

что и требовалось доказать. Если , скобка в соотношении (2.4.1) равна нулю, а интеграл, по условию нормировки, должен равняться единице:

(2.4.3)

Формулы (2.4.2) и (2.4.3) можно объединить в одну

, (2.4.4)

или

, (2.4.4а)

где - символ Кронекера,

Аналогичное соотношение имеет место для ортов прямоугольных координатных осей в евклидовом пространстве:

Функции, удовлетворяющие условию (2.4.4) называют ортонормированными.

Физический смысл ортогональности собственных функций и оператора заключается в том, что при измерении физической величины в этих состояниях мы обязательно получим разные значения: - в состоянии , - в состоянии . В дальнейшем мы вернемся к обсуждению значения ортогональности собственных функций эрмитовых операторов в структуре квантовой теории.

в) Докажем, что совокупность собственных функций эрмитового оператора является полной (замкнутой) системой. Это означает, что не существует еще какой-то другой функции, которая была бы ортогональна к собственным функциям данного эрмитового оператора.

Доказательство. Пусть - собственные функции оператора с дискретным спектром собственных значений, а - произвольная квадратично интегрируемая функция. (Для простоты рассуждений независимой переменной будем считать координату х).

Разложим -функцию в ряд по собственным функциям :

. (2.4.5)

Сумма в правой части равенства содержит первых членов разложения, - остаток. Коэффициенты нужно определить так, чтобы получить возможно меньшую погрешность (остаток). Мера погрешности:

Так как собственные функции ортонормированы, интеграл в правой части можно преобразовать следующим образом:

квантовый механический система функция импульс

Будем искать минимум , приравнивая нулю производные по и . Из условия минимума, учитывая ортонормированность собственных функций , получаем следующие выражения для этих коэффициентов:

или (2.4.6)

или (2.4.6а)

Найдем соответствующее им значение погрешности:

Если для любой квадратично интегрируемой функции в пределе имеет место равенство

т.е. , (2.4.7)

то система собственных функций называется замкнутой (полной). Поскольку -функция нормирована на единицу, то

. (2.4.8)

Соотношение (2.4.7) называют условием полноты системы собственных функций. Оно означает, что система собственных функций эрмитового оператора достаточна для представления любой -функции в виде суммы ряда

(2.4.9)

Таким образом, любое состояние, описываемое амплитудой вероятности , может быть представлено в виде суперпозиции (2.4.9) состояний, являющихся собственными для оператора какой-либо физической величины. Т.е. математическое условие полноты системы собственных функций эрмитовых операторов превращается в физический принцип суперпозиции состояний.

Выражение (2.4.9) аналогично разложению вектора в бесконечномерном евклидовом пространстве с базисными векторами в ортогональной системе координат . Проекция вектора на направление, задаваемое ортом определяется скалярным произведением

и аналогично выражению (2.4.6). Поэтому собственные функции оператора физической величины называют базисными волновыми функциями, описывающими базисные состояния.

Таким образом, выбор процедуры измерения, т.е. выбор прибора, способного измерить интересующую нас физическую величину (в математической схеме – выбор оператора), являются выбором системы базисных состояний. В математической схеме это аналогично выбору системы координат в евклидовом пространстве. Базисные состояния, соответствующие собственным функциям оператора исследуемой физической величины, характеризуются тем, что в этих состояниях эта физическая величина имеет точно определенное значение. В процессе измерения физической величины, представляемой оператором , квантовомеханическая система всегда переходит в состояние, собственное для данного оператора, т.е. в базисное.

г) Выясним физический смысл коэффициентов . Представим - функцию характеризирующую состояние системы в виде суммы ряда (2.4.9) собственных функций оператора . Затем подставим эту сумму в выражение (2.1.1), определяющее среднее значение физической величины:

Подействуем оператором на суперпозицию состояния, стоящую справа. Используя уравнение собственных значений

получаем:

Перемножаем скобки и представляем выражение как сумму интегралов вида

Поскольку собственные функции эрмитовых операторов ортонормированы, т.е. (см. формулу (2.4.4)), получаем

. (2.4.10)

Из соотношений (2.4.8) и (2.4.10) следует, что квадрат модуля коэффициента определяет вероятность того, что в результате измерения физической величины в состоянии мы получим значение , соответствующее собственной функции .

Таким образом, аналогично тому, как есть плотность вероятности локализации квантовомеханической системы в точке , есть плотность вероятности того, что при измерении физической величины реализуется значение . Т.е. есть амплитуда вероятности (волновая функция), если независимой переменной является величина . В первом случае () говорят о координатном представлении, во втором – об -представлении.

2.5 Операторы с непрерывным спектром собственных значений

Если оператор имеет непрерывный спектр собственных значений, то собственные функции нельзя перенормировать числами 1, 2, 3,…. Они зависят от собственных значений как от параметра. Если оператор обозначаем буквой , а собственные значения - , то можно записать

(Для простоты рассуждений независимой переменной считаем координату ). Собственные функции нельзя нормировать на единицу, как в случае дискретного спектра. Интеграл расходится, так как не обращается быстро в нуль на бесконечности. Реальные системы, т.е. системы с конечными радиусом действия, находятся в ограниченной области пространства и имеют дискретный спектр энергии. Следовательно, волновые функции возможных состояний достаточно быстро убывают к нулю вне этой области. Поэтому для таких систем всегда имеет конечное значение и собственные функции операторов с дискретным спектром всегда можно нормировать на единицу. Если же квантовомеханическая система находится в состоянии , то она совершает неограниченное (инфинитное) движение во всем пространстве. Это движение характеризуется определенным значением физической величины . Например, волновая функция свободной частицы, движущейся вдоль оси и имеющей импульс имеет вид

Соотношения, описывающие свойства собственных функций дискретного спектра, обобщаются на случай непрерывного спектра. Подобно тому, как произвольная функция может быть представлена в виде суммы ряда собственных функций оператора с дискретным спектром, она может быть разложена также и по полной системе собственных функций оператора с непрерывным спектром. Только сумму следует заменить интегралом

. (2.5.1)

Интегрирование производится по всей области значений, которые может принимать величина .

Естественно считать вероятностью того, что рассматриваемая физическая величина в состоянии, описываемом функцией имеет значение в интервале от оси до . Как известно, сумма вероятностей всех возможных значений случайной величины должна равняться единице:

. (2.5.2)

Условие полноты (2.4.7) для системы собственных функций оператора с непрерывного спектра имеет вид