Операторы создания и операторы уничтожения — это математические операторы , которые широко применяются в квантовой механике , в частности, при изучении квантовых гармонических осцилляторов и многочастичных систем. [1] Оператор уничтожения (обычно обозначаемый ) уменьшает число частиц в заданном состоянии на единицу. Оператор создания (обычно обозначаемый ) увеличивает число частиц в заданном состоянии на единицу, и он является сопряженным к оператору уничтожения. Во многих разделах физики и химии использование этих операторов вместо волновых функций известно как вторичное квантование . Они были введены Полем Дираком . [2]
Операторы создания и уничтожения могут действовать на состояния различных типов частиц. Например, в квантовой химии и теории многих тел операторы создания и уничтожения часто действуют на электронные состояния. Они также могут относиться конкретно к операторам лестницы для квантового гармонического осциллятора . В последнем случае оператор создания интерпретируется как повышающий оператор, добавляющий квант энергии к системе осциллятора (аналогично для понижающего оператора). Их можно использовать для представления фононов . Построение гамильтонианов с использованием этих операторов имеет то преимущество, что теория автоматически удовлетворяет теореме о кластерном разложении . [3]
Математика для операторов рождения и уничтожения бозонов та же, что и для лестничных операторов квантового гармонического осциллятора . [4] Например, коммутатор операторов рождения и уничтожения, которые связаны с одним и тем же состоянием бозона, равен единице, в то время как все остальные коммутаторы равны нулю. Однако для фермионов математика отличается, в ней вместо коммутаторов используются антикоммутаторы . [5]
Лестничные операторы для квантового гармонического осциллятора
В контексте квантового гармонического осциллятора операторы лестницы интерпретируются как операторы создания и уничтожения, добавляющие или вычитающие фиксированные кванты энергии из системы осциллятора.
Сделайте замену координат, чтобы сделать дифференциальное уравнение безразмерным.
Уравнение Шредингера для осциллятора принимает вид
Обратите внимание, что эта величина представляет собой ту же энергию, что и для квантов света , и что скобки в гамильтониане можно записать как
Последние два члена можно упростить, рассмотрев их влияние на произвольную дифференцируемую функцию
что подразумевает,
совпадая с обычным каноническим коммутационным соотношением , в представлении позиционного пространства: .
Следовательно,
и уравнение Шредингера для осциллятора становится, с заменой вышеизложенного и перестановкой множителя 1/2,
Если определить
как «оператор создания» или «оператор повышения» и
как «оператор уничтожения» или «оператор понижения» , то уравнение Шредингера для осциллятора сводится к
Это значительно проще исходной формы. Дальнейшие упрощения этого уравнения позволяют вывести все свойства, перечисленные выше до сих пор.
Операторы и можно противопоставить нормальным операторам , которые коммутируют со своими сопряженными операторами. [примечание 1]
Используя приведенные выше коммутационные соотношения, оператор Гамильтона можно выразить как
Можно вычислить коммутационные соотношения между операторами и и гамильтонианом: [6]
Эти соотношения можно использовать для легкого нахождения всех собственных энергетических состояний квантового гармонического осциллятора следующим образом.
Предполагая, что является собственным состоянием гамильтониана . Используя эти коммутационные соотношения, следует, что [6]
Это показывает, что и также являются собственными состояниями гамильтониана с собственными значениями и соответственно. Это определяет операторы и как "понижающие" и "повышающие" операторы между соседними собственными состояниями. Разность энергий между соседними собственными состояниями составляет .
Основное состояние можно найти, предположив, что понижающий оператор обладает нетривиальным ядром: с . Применяя гамильтониан к основному состоянию,
То же самое и с собственной функцией гамильтониана.
Это дает энергию основного состояния , которая позволяет определить собственное значение энергии любого собственного состояния как [6]
Более того, оказывается, что первый упомянутый оператор в (*), числовой оператор, играет наиболее важную роль в приложениях, тогда как второй, можно просто заменить на .
Записанная в виде дифференциального уравнения, волновая функция удовлетворяет
решению
Константа нормализации C находится из , используя гауссовский интеграл . Явные формулы для всех собственных функций теперь могут быть найдены повторным применением к . [ 7]
Матричное представление
Матричное выражение операторов рождения и уничтожения квантового гармонического осциллятора относительно указанного выше ортонормированного базиса имеет вид
Их можно получить с помощью соотношений и . Собственные векторы являются собственными векторами квантового гармонического осциллятора и иногда называются «числовым базисом».
В случае представления пространства Гильберта операторы строятся следующим образом: Пусть будет одночастичным пространством Гильберта (то есть любым пространством Гильберта, рассматриваемым как представляющим состояние одной частицы). ( Бозонная ) алгебра ККС над является алгеброй-с-оператором-сопряжения (называемой * ), абстрактно порожденной элементами , где свободно пробегает по , подчиняясь соотношениям
Отображение из в бозонную алгебру CCR должно быть комплексно антилинейным (это добавляет больше отношений). Его сопряженный элемент — , а отображение комплексно линейно в H . Таким образом, встраивается как комплексное векторное подпространство своей собственной алгебры CCR. В представлении этой алгебры элемент будет реализован как оператор уничтожения и как оператор рождения.
В общем случае алгебра CCR бесконечномерна. Если взять банахово пополнение пространства, то оно станет C*-алгеброй . Алгебра CCR над тесно связана с алгеброй Вейля , но не идентична ей . [ требуется пояснение ]
Для фермионов (фермионная) алгебра КАР над строится аналогично, но с использованием вместо этого антикоммутаторных соотношений, а именно
Алгебра CAR конечномерна только если конечномерна. Если взять банахово пополнение пространства (необходимое только в бесконечномерном случае), то оно становится алгеброй . Алгебра CAR тесно связана с алгеброй Клиффорда , но не идентична ей . [ требуется пояснение ]
С физической точки зрения, удаляет (т.е. уничтожает) частицу в состоянии и создает частицу в состоянии .
Состояние свободного вакуума поля — это состояние без частиц, характеризующееся
Если нормализовано так, что , то дает число частиц в состоянии .
Операторы рождения и уничтожения для уравнений реакции-диффузии
Описание оператора уничтожения и создания также было полезным для анализа классических уравнений диффузии реакции, таких как ситуация, когда газ молекул диффундирует и взаимодействует при контакте, образуя инертный продукт: . Чтобы увидеть, как этот тип реакции может быть описан формализмом оператора уничтожения и создания, рассмотрим частицы в узле i на одномерной решетке. Каждая частица движется вправо или влево с определенной вероятностью, и каждая пара частиц в одном и том же узле аннигилирует друг друга с определенной другой вероятностью.
Вероятность того, что одна частица покинет место в течение короткого периода времени dt , пропорциональна , скажем, вероятности прыгнуть влево и прыгнуть вправо. Все частицы останутся на месте с вероятностью . (Поскольку dt так коротко, вероятность того, что две или более частиц покинут место в течение dt , очень мала и будет проигнорирована.)
Теперь мы можем описать заполнение частиц на решетке как «кет» формы . Он представляет собой сопоставление (или конъюнкцию, или тензорное произведение) числовых состояний , расположенных в отдельных узлах решетки. Напомним, что
и
для всех n ≥ 0 , в то время как
Это определение операторов теперь будет изменено, чтобы учесть «неквантовую» природу этой проблемы, и мы будем использовать следующее определение: [9]
обратите внимание, что даже несмотря на то, что поведение операторов на кетах было изменено, эти операторы по-прежнему подчиняются коммутационному соотношению
Теперь определим так, чтобы оно применялось к . Соответственно, определим как применяемое к . Таким образом, например, чистый эффект заключается в перемещении частицы из -го в i -й участок при умножении на соответствующий коэффициент.
Это позволяет записать чистое диффузионное поведение частиц как
Член реакции можно вывести, заметив, что частицы могут взаимодействовать по -разному, так что вероятность того, что пара аннигилирует , равна , что дает член
где числовое состояние n заменяется числом состояний n − 2 на сайте с определенной скоростью.
Таким образом, государство развивается
Аналогичным образом можно включить и другие виды взаимодействий.
Этот вид обозначений позволяет использовать методы квантовой теории поля при анализе систем реакции-диффузии. [10]
Операторы рождения и уничтожения в квантовых теориях поля
В квантовых теориях поля и задачах многих тел работают с операторами создания и уничтожения квантовых состояний и . Эти операторы изменяют собственные значения числового оператора на единицу
по аналогии с гармоническим осциллятором. Индексы (такие как ) представляют квантовые числа , которые маркируют одночастичные состояния системы; следовательно, они не обязательно являются отдельными числами. Например, кортеж квантовых чисел используется для маркировки состояний в атоме водорода .
Соотношения коммутации операторов рождения и уничтожения в многобозонной системе имеют вид,
где — коммутатор , а — символ Кронекера .
Для фермионов коммутатор заменяется антикоммутатором . Поэтому
замена непересекающихся (т.е. ) операторов в произведении операторов рождения или уничтожения изменит знак в фермионных системах, но не в бозонных системах.
Если состояния, обозначенные i, являются ортонормированным базисом гильбертова пространства H , то результат этой конструкции совпадает с конструкцией алгебры CCR и алгебры CAR в предыдущем разделе, за исключением одного. Если они представляют собой «собственные векторы», соответствующие непрерывному спектру некоторого оператора, как для несвязанных частиц в QFT, то интерпретация более тонкая.
Нормализация
В то время как Зи [11] получает нормализацию импульсного пространства с помощью симметричного соглашения для преобразований Фурье, Тонг [12] и Пескин и Шредер [13] используют общее асимметричное соглашение для получения . Каждый из них выводит .
Средницкий дополнительно объединяет лоренц-инвариантную меру со своей асимметричной мерой Фурье, , получая . [14]
^ Нормальный оператор имеет представление A = B + i C , где B , C являются самосопряженными и коммутируют , т. е . Напротив, a имеет представление , где являются самосопряженными, но . Тогда B и C имеют общий набор собственных функций (и одновременно диагонализируемы), тогда как p и q , как известно, не имеют и не являются.
Ссылки
^ Фейнман 1998, стр. 151
^ Дирак, П. А. М. (1927). «Квантовая теория испускания и поглощения излучения», Proc Roy Soc London Ser A , 114 (767), 243-265.
^ abc Брэнсон, Джим. "Квантовая физика в Калифорнийском университете в Сан-Диего" . Получено 16 мая 2012 г.
^ Этот и дальнейший операторный формализм можно найти в книге Глимма и Джаффе «Квантовая физика» , стр. 12–20.
^ Харрис, Фултон, Теория представлениястр. 164
^ Прюсснер, Гуннар. "Анализ процессов реакции-диффузии методами теории поля" (PDF) . Получено 31 мая 2021 г. .
^ Baez, John Carlos (2011). Теория сетей (серия сообщений в блоге; первый пост). Позднее адаптировано в Baez, John Carlos; Biamonte, Jacob D. (апрель 2018). Квантовые методы в стохастической механике . doi :10.1142/10623.
^ Zee, A. (2003). Квантовая теория поля в двух словах . Princeton University Press. стр. 63. ISBN978-0691010199.
^ Тонг, Дэвид (2007). Квантовая теория поля. стр. 24,31 . Получено 3 декабря 2019 г.