Операторы создания и уничтожения

Операторы, полезные в квантовой механике

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] а ^ {\displaystyle {\шляпа {а}}} а ^ {\displaystyle {\hat {a}}^{\dagger }}

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.

Операторы рождения/уничтожения различны для бозонов (целый спин) и фермионов (полуцелый спин). Это связано с тем, что их волновые функции имеют разные свойства симметрии .

Сначала рассмотрим более простой бозонный случай фотонов квантового гармонического осциллятора. Начнем с уравнения Шредингера для одномерного независимого от времени квантового гармонического осциллятора , ( 2 2 м г 2 г х 2 + 1 2 м ω 2 х 2 ) ψ ( х ) = Э ψ ( х ) . {\displaystyle \left(-{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}{\frac {d^{2}}{dx^{2}}}+{\frac {1}{2}}m\omega ^{2}x^{2}\right)\psi (x)=E\psi (x).}

Сделайте замену координат, чтобы сделать дифференциальное уравнение безразмерным. х   =   м ω д . {\displaystyle x\ =\ {\sqrt {\frac {\hbar }{m\omega }}}q.}

Уравнение Шредингера для осциллятора принимает вид ω 2 ( г 2 г д 2 + д 2 ) ψ ( д ) = Э ψ ( д ) . {\displaystyle {\frac {\hbar \omega }{2}}\left(-{\frac {d^{2}}{dq^{2}}}+q^{2}\right)\psi (q)=E\psi (q).}

Обратите внимание, что эта величина представляет собой ту же энергию, что и для квантов света , и что скобки в гамильтониане можно записать как ω = час ν {\displaystyle \hbar \omega =h\nu } г 2 г д 2 + д 2 = ( г г д + д ) ( г г д + д ) + г г д д д г г д . {\displaystyle -{\frac {d^{2}}{dq^{2}}}+q^{2}=\left(-{\frac {d}{dq}}+q\right)\left({\frac {d}{dq}}+q\right)+{\frac {d}{dq}}qq{\frac {d}{dq}}.}

Последние два члена можно упростить, рассмотрев их влияние на произвольную дифференцируемую функцию ф ( д ) , {\displaystyle f(q),}

( г г д д д г г д ) ф ( д ) = г г д ( д ф ( д ) ) д г ф ( д ) г д = ф ( д ) {\displaystyle \left({\frac {d}{dq}}qq{\frac {d}{dq}}\right)f(q)={\frac {d}{dq}}(qf(q))-q{\frac {df(q)}{dq}}=f(q)} что подразумевает, совпадая с обычным каноническим коммутационным соотношением , в представлении позиционного пространства: . г г д д д г г д = 1 , {\displaystyle {\frac {d}{dq}}qq{\frac {d}{dq}}=1,} я [ д , п ] = 1 {\displaystyle -i[q,p]=1} п := я г г д {\displaystyle p:=-i{\frac {d}{dq}}}

Следовательно, и уравнение Шредингера для осциллятора становится, с заменой вышеизложенного и перестановкой множителя 1/2, г 2 г д 2 + д 2 = ( г г д + д ) ( г г д + д ) + 1 {\displaystyle -{\frac {d^{2}}{dq^{2}}}+q^{2}=\left(-{\frac {d}{dq}}+q\right)\left({\frac {d}{dq}}+q\right)+1} ω [ 1 2 ( d d q + q ) 1 2 ( d d q + q ) + 1 2 ] ψ ( q ) = E ψ ( q ) . {\displaystyle \hbar \omega \left[{\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(-{\frac {d}{dq}}+q\right){\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\frac {d}{dq}}+q\right)+{\frac {1}{2}}\right]\psi (q)=E\psi (q).}

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. a   =   1 2 ( d d q + q ) {\displaystyle a^{\dagger }\ =\ {\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(-{\frac {d}{dq}}+q\right)} a     =   1 2 ( d d q + q ) {\displaystyle a\ \ =\ {\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\frac {d}{dq}}+q\right)} ω ( a a + 1 2 ) ψ ( q ) = E ψ ( q ) . {\displaystyle \hbar \omega \left(a^{\dagger }a+{\frac {1}{2}}\right)\psi (q)=E\psi (q).}

Полагая , где — безразмерный оператор импульса, имеем p = i d d q {\displaystyle p=-i{\frac {d}{dq}}} p {\displaystyle p}

[ q , p ] = i {\displaystyle [q,p]=i\,} и a = 1 2 ( q + i p ) = 1 2 ( q + d d q ) a = 1 2 ( q i p ) = 1 2 ( q d d q ) . {\displaystyle {\begin{aligned}a&={\frac {1}{\sqrt {2}}}(q+ip)={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(q+{\frac {d}{dq}}\right)\\[1ex]a^{\dagger }&={\frac {1}{\sqrt {2}}}(q-ip)={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(q-{\frac {d}{dq}}\right).\end{aligned}}}

Обратите внимание, что это подразумевает [ a , a ] = 1 2 [ q + i p , q i p ] = 1 2 ( [ q , i p ] + [ i p , q ] ) = i 2 ( [ q , p ] + [ q , p ] ) = 1. {\displaystyle [a,a^{\dagger }]={\frac {1}{2}}[q+ip,q-ip]={\frac {1}{2}}([q,-ip]+[ip,q])=-{\frac {i}{2}}([q,p]+[q,p])=1.}

Операторы и можно противопоставить нормальным операторам , которые коммутируют со своими сопряженными операторами. [примечание 1] a {\displaystyle a\,} a {\displaystyle a^{\dagger }\,}

Используя приведенные выше коммутационные соотношения, оператор Гамильтона можно выразить как H ^ = ω ( a a 1 2 ) = ω ( a a + 1 2 ) . ( ) {\displaystyle {\hat {H}}=\hbar \omega \left(a\,a^{\dagger }-{\frac {1}{2}}\right)=\hbar \omega \left(a^{\dagger }\,a+{\frac {1}{2}}\right).\qquad \qquad (*)}

Можно вычислить коммутационные соотношения между операторами и и гамильтонианом: [6] a {\displaystyle a\,} a {\displaystyle a^{\dagger }\,} [ H ^ , a ] = [ ω ( a a 1 2 ) , a ] = ω [ a a , a ] = ω ( a [ a , a ] + [ a , a ] a ) = ω a . [ H ^ , a ] = ω a . {\displaystyle {\begin{aligned}\left[{\hat {H}},a\right]&=\left[\hbar \omega \left(aa^{\dagger }-{\tfrac {1}{2}}\right),a\right]=\hbar \omega \left[aa^{\dagger },a\right]=\hbar \omega \left(a[a^{\dagger },a]+[a,a]a^{\dagger }\right)=-\hbar \omega a.\\[1ex]\left[{\hat {H}},a^{\dagger }\right]&=\hbar \omega \,a^{\dagger }.\end{aligned}}}

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] ψ n {\displaystyle \psi _{n}} H ^ ψ n = E n ψ n {\displaystyle {\hat {H}}\psi _{n}=E_{n}\,\psi _{n}} H ^ a ψ n = ( E n ω ) a ψ n . H ^ a ψ n = ( E n + ω ) a ψ n . {\displaystyle {\begin{aligned}{\hat {H}}\,a\psi _{n}&=(E_{n}-\hbar \omega )\,a\psi _{n}.\\[1ex]{\hat {H}}\,a^{\dagger }\psi _{n}&=(E_{n}+\hbar \omega )\,a^{\dagger }\psi _{n}.\end{aligned}}}

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 . a ψ n {\displaystyle a\psi _{n}} a ψ n {\displaystyle a^{\dagger }\psi _{n}} E n ω {\displaystyle E_{n}-\hbar \omega } E n + ω {\displaystyle E_{n}+\hbar \omega } a {\displaystyle a} a {\displaystyle a^{\dagger }} Δ E = ω {\displaystyle \Delta E=\hbar \omega }

Основное состояние можно найти, предположив, что понижающий оператор обладает нетривиальным ядром: с . Применяя гамильтониан к основному состоянию, a ψ 0 = 0 {\displaystyle a\,\psi _{0}=0} ψ 0 0 {\displaystyle \psi _{0}\neq 0}

H ^ ψ 0 = ω ( a a + 1 2 ) ψ 0 = ω a a ψ 0 + ω 2 ψ 0 = 0 + ω 2 ψ 0 = E 0 ψ 0 . {\displaystyle {\hat {H}}\psi _{0}=\hbar \omega \left(a^{\dagger }a+{\frac {1}{2}}\right)\psi _{0}=\hbar \omega a^{\dagger }a\psi _{0}+{\frac {\hbar \omega }{2}}\psi _{0}=0+{\frac {\hbar \omega }{2}}\psi _{0}=E_{0}\psi _{0}.} То же самое и с собственной функцией гамильтониана. ψ 0 {\displaystyle \psi _{0}}

Это дает энергию основного состояния , которая позволяет определить собственное значение энергии любого собственного состояния как [6] E 0 = ω / 2 {\displaystyle E_{0}=\hbar \omega /2} ψ n {\displaystyle \psi _{n}} E n = ( n + 1 2 ) ω . {\displaystyle E_{n}=\left(n+{\tfrac {1}{2}}\right)\hbar \omega .}

Более того, оказывается, что первый упомянутый оператор в (*), числовой оператор, играет наиболее важную роль в приложениях, тогда как второй, можно просто заменить на . N = a a , {\displaystyle N=a^{\dagger }a\,,} a a {\displaystyle aa^{\dagger }\,} N + 1 {\displaystyle N+1}

Следовательно, ω ( N + 1 2 ) ψ ( q ) = E ψ ( q )   . {\displaystyle \hbar \omega \,\left(N+{\tfrac {1}{2}}\right)\,\psi (q)=E\,\psi (q)~.}

Оператор эволюции во времени тогда имеет вид U ( t ) = exp ( i t H ^ / ) = exp ( i t ω ( a a + 1 / 2 ) )   , = e i t ω / 2   k = 0 ( e i ω t 1 ) k k ! a k a k   . {\displaystyle {\begin{aligned}U(t)&=\exp(-it{\hat {H}}/\hbar )=\exp(-it\omega (a^{\dagger }a+1/2))~,\\[1ex]&=e^{-it\omega /2}~\sum _{k=0}^{\infty }{(e^{-i\omega t}-1)^{k} \over k!}a^{{\dagger }{k}}a^{k}~.\end{aligned}}}

Явные собственные функции

Основное состояние квантового гармонического осциллятора можно найти, наложив условие, что   ψ 0 ( q ) {\displaystyle \ \psi _{0}(q)} a   ψ 0 ( q ) = 0. {\displaystyle a\ \psi _{0}(q)=0.}

Записанная в виде дифференциального уравнения, волновая функция удовлетворяет решению q ψ 0 + d ψ 0 d q = 0 {\displaystyle q\psi _{0}+{\frac {d\psi _{0}}{dq}}=0} ψ 0 ( q ) = C exp ( 1 2 q 2 ) . {\displaystyle \psi _{0}(q)=C\exp \left(-{\tfrac {1}{2}}q^{2}\right).}

Константа нормализации C находится из , используя гауссовский интеграл . Явные формулы для всех собственных функций теперь могут быть найдены повторным применением к . [ 7] 1 / π 4 {\displaystyle 1/{\sqrt[{4}]{\pi }}} ψ 0 ψ 0 d q = 1 {\textstyle \int _{-\infty }^{\infty }\psi _{0}^{*}\psi _{0}\,dq=1} a {\displaystyle a^{\dagger }} ψ 0 {\displaystyle \psi _{0}}

Матричное представление

Матричное выражение операторов рождения и уничтожения квантового гармонического осциллятора относительно указанного выше ортонормированного базиса имеет вид a = ( 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 n 0 ) a = ( 0 1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 n 0 0 0 0 0 ) {\displaystyle {\begin{aligned}a^{\dagger }&={\begin{pmatrix}0&0&0&0&\dots &0&\dots \\{\sqrt {1}}&0&0&0&\dots &0&\dots \\0&{\sqrt {2}}&0&0&\dots &0&\dots \\0&0&{\sqrt {3}}&0&\dots &0&\dots \\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\ddots &\dots &\dots \\0&0&0&\dots &{\sqrt {n}}&0&\dots &\\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\ddots \end{pmatrix}}\\[1ex]a&={\begin{pmatrix}0&{\sqrt {1}}&0&0&\dots &0&\dots \\0&0&{\sqrt {2}}&0&\dots &0&\dots \\0&0&0&{\sqrt {3}}&\dots &0&\dots \\0&0&0&0&\ddots &\vdots &\dots \\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &{\sqrt {n}}&\dots \\0&0&0&0&\dots &0&\ddots \\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots &\vdots &\vdots &\ddots \end{pmatrix}}\end{aligned}}}

Их можно получить с помощью соотношений и . Собственные векторы являются собственными векторами квантового гармонического осциллятора и иногда называются «числовым базисом». a i j = ψ i | a | ψ j {\displaystyle a_{ij}^{\dagger }=\left\langle \psi _{i}\right|a^{\dagger }\left|\psi _{j}\right\rangle } a i j = ψ i | a | ψ j {\displaystyle a_{ij}=\left\langle \psi _{i}\right|a\left|\psi _{j}\right\rangle } ψ i {\displaystyle \psi _{i}}

Обобщенные операторы создания и уничтожения

Благодаря теории представлений и C*-алгебрам, операторы, полученные выше, на самом деле являются частным случаем более обобщенного понятия операторов создания и уничтожения в контексте алгебр CCR и CAR . Математически и даже в более общем смысле операторы лестницы могут быть поняты в контексте корневой системы полупростой группы Ли и связанной с ней полупростой алгебры Ли без необходимости реализации представления как операторов в функциональном гильбертовом пространстве . [8]

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 H {\displaystyle H} H {\displaystyle H} a ( f ) {\displaystyle a(f)} f {\displaystyle f\,} H {\displaystyle H}

[ a ( f ) , a ( g ) ] = [ a ( f ) , a ( g ) ] = 0 [ a ( f ) , a ( g ) ] = f g , {\displaystyle {\begin{aligned}\left[a(f),a(g)\right]&=\left[a^{\dagger }(f),a^{\dagger }(g)\right]=0\\[1ex]\left[a(f),a^{\dagger }(g)\right]&=\langle f\mid g\rangle ,\end{aligned}}} в скобочной нотации .

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. a : f a ( f ) {\displaystyle a:f\to a(f)} H {\displaystyle H} a ( f ) {\displaystyle a^{\dagger }(f)} f a ( f ) {\displaystyle f\to a^{\dagger }(f)} H {\displaystyle H} a ( f ) {\displaystyle a(f)} a ( f ) {\displaystyle a^{\dagger }(f)}

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 ] H {\displaystyle H}

Для фермионов (фермионная) алгебра КАР над строится аналогично, но с использованием вместо этого антикоммутаторных соотношений, а именно H {\displaystyle H}

{ a ( f ) , a ( g ) } = { a ( f ) , a ( g ) } = 0 { a ( f ) , a ( g ) } = f g . {\displaystyle {\begin{aligned}\{a(f),a(g)\}&=\{a^{\dagger }(f),a^{\dagger }(g)\}=0\\[1ex]\{a(f),a^{\dagger }(g)\}&=\langle f\mid g\rangle .\end{aligned}}}

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 ] H {\displaystyle H} C {\displaystyle C^{*}}

С физической точки зрения, удаляет (т.е. уничтожает) частицу в состоянии и создает частицу в состоянии . a ( f ) {\displaystyle a(f)} | f {\displaystyle |f\rangle } a ( f ) {\displaystyle a^{\dagger }(f)} | f {\displaystyle |f\rangle }

Состояние свободного вакуума поля — это состояние без частиц, характеризующееся | 0 {\textstyle \left\vert 0\right\rangle } a ( f ) | 0 = 0. {\displaystyle a(f)\left|0\right\rangle =0.}

Если нормализовано так, что , то дает число частиц в состоянии . | f {\displaystyle |f\rangle } f | f = 1 {\displaystyle \langle f|f\rangle =1} N = a ( f ) a ( f ) {\displaystyle N=a^{\dagger }(f)a(f)} | f {\displaystyle |f\rangle }

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. A {\displaystyle A} A + A {\displaystyle A+A\to \emptyset } n i {\displaystyle n_{i}}

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.) n i d t {\displaystyle n_{i}\,dt} α n i d t {\displaystyle \alpha n_{i}dt} α n i d t {\displaystyle \alpha n_{i}\,dt} n i {\displaystyle n_{i}} 1 2 α n i d t {\displaystyle 1-2\alpha n_{i}\,dt}

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 | , n 1 , n 0 , n 1 , {\displaystyle |\dots ,n_{-1},n_{0},n_{1},\dots \rangle } , | n 1 {\displaystyle \dots ,|n_{-1}\rangle } | n 0 {\displaystyle |n_{0}\rangle } | n 1 , {\displaystyle |n_{1}\rangle ,\dots }

a | n = n | n 1 {\displaystyle a\left|n\right\rangle ={\sqrt {n}}\left|n-1\right\rangle } и для всех n ≥ 0 , в то время как a | n = n + 1 | n + 1 , {\displaystyle a^{\dagger }\left|n\right\rangle ={\sqrt {n+1}}\left|n+1\right\rangle ,} [ a , a ] = 1 {\displaystyle [a,a^{\dagger }]=\mathbf {1} }

Это определение операторов теперь будет изменено, чтобы учесть «неквантовую» природу этой проблемы, и мы будем использовать следующее определение: [9]

a | n = ( n ) | n 1 a | n = | n + 1 {\displaystyle {\begin{aligned}a\left|n\right\rangle &=(n)\left|n{-}1\right\rangle \\[1ex]a^{\dagger }\left|n\right\rangle &=\left|n{+}1\right\rangle \end{aligned}}}

обратите внимание, что даже несмотря на то, что поведение операторов на кетах было изменено, эти операторы по-прежнему подчиняются коммутационному соотношению [ a , a ] = 1 {\displaystyle [a,a^{\dagger }]=\mathbf {1} }

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 участок при умножении на соответствующий коэффициент. a i {\displaystyle a_{i}} a {\displaystyle a} | n i {\displaystyle |n_{i}\rangle } a i {\displaystyle a_{i}^{\dagger }} a {\displaystyle a^{\dagger }} | n i {\displaystyle |n_{i}\rangle } a i 1 a i {\displaystyle a_{i-1}a_{i}^{\dagger }} ( i 1 ) {\displaystyle (i-1)}

Это позволяет записать чистое диффузионное поведение частиц как t | ψ = α i ( 2 a i a i a i 1 a i a i + 1 a i ) | ψ = α i ( a i a i 1 ) ( a i a i 1 ) | ψ . {\displaystyle \partial _{t}\left|\psi \right\rangle =-\alpha \sum _{i}\left(2a_{i}^{\dagger }a_{i}-a_{i-1}^{\dagger }a_{i}-a_{i+1}^{\dagger }a_{i}\right)\left|\psi \right\rangle =-\alpha \sum _{i}\left(a_{i}^{\dagger }-a_{i-1}^{\dagger }\right)(a_{i}-a_{i-1})\left|\psi \right\rangle .}

Член реакции можно вывести, заметив, что частицы могут взаимодействовать по -разному, так что вероятность того, что пара аннигилирует , равна , что дает член n {\displaystyle n} n ( n 1 ) {\displaystyle n(n-1)} λ n ( n 1 ) d t {\displaystyle \lambda n(n-1)dt} λ i ( a i a i a i a i a i a i ) {\displaystyle \lambda \sum _{i}(a_{i}a_{i}-a_{i}^{\dagger }a_{i}^{\dagger }a_{i}a_{i})}

где числовое состояние n заменяется числом состояний n − 2 на сайте с определенной скоростью. i {\displaystyle i}

Таким образом, государство развивается t | ψ = α i ( a i a i 1 ) ( a i a i 1 ) | ψ + λ i ( a i 2 a i 2 a i 2 ) | ψ {\displaystyle \partial _{t}\left|\psi \right\rangle =-\alpha \sum _{i}\left(a_{i}^{\dagger }-a_{i-1}^{\dagger }\right)\left(a_{i}-a_{i-1}\right)\left|\psi \right\rangle +\lambda \sum _{i}\left(a_{i}^{2}-a_{i}^{\dagger 2}a_{i}^{2}\right)\left|\psi \right\rangle }

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 . a i {\displaystyle a_{i}^{\dagger }} a i {\displaystyle a_{i}^{\,}} N = i n i = i a i a i , {\displaystyle N=\sum _{i}n_{i}=\sum _{i}a_{i}^{\dagger }a_{i}^{\,},} i {\displaystyle i} ( n , , m , s ) {\displaystyle (n,\ell ,m,s)}

Соотношения коммутации операторов рождения и уничтожения в многобозонной системе имеют вид, где — коммутатор , а — символ Кронекера . [ a i , a j ] a i a j a j a i = δ i j , [ a i , a j ] = [ a i , a j ] = 0 , {\displaystyle {\begin{aligned}\left[a_{i}^{\,},a_{j}^{\dagger }\right]&\equiv a_{i}^{\,}a_{j}^{\dagger }-a_{j}^{\dagger }a_{i}^{\,}=\delta _{ij},\\[1ex]\left[a_{i}^{\dagger },a_{j}^{\dagger }\right]&=[a_{i}^{\,},a_{j}^{\,}]=0,\end{aligned}}} [ , ] {\displaystyle [\cdot ,\cdot ]} δ i j {\displaystyle \delta _{ij}}

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. { , } {\displaystyle \{\cdot ,\cdot \}} { a i , a j } a i a j + a j a i = δ i j , { a i , a j } = { a i , a j } = 0. {\displaystyle {\begin{aligned}\{a_{i}^{\,},a_{j}^{\dagger }\}&\equiv a_{i}^{\,}a_{j}^{\dagger }+a_{j}^{\dagger }a_{i}^{\,}=\delta _{ij},\\[1ex]\{a_{i}^{\dagger },a_{j}^{\dagger }\}&=\{a_{i}^{\,},a_{j}^{\,}\}=0.\end{aligned}}} i j {\displaystyle i\neq j}

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 . [ a ^ p , a ^ q ] = δ ( p q ) {\displaystyle [{\hat {a}}_{\mathbf {p} },{\hat {a}}_{\mathbf {q} }^{\dagger }]=\delta (\mathbf {p} -\mathbf {q} )} [ a ^ p , a ^ q ] = ( 2 π ) 3 δ ( p q ) {\displaystyle [{\hat {a}}_{\mathbf {p} },{\hat {a}}_{\mathbf {q} }^{\dagger }]=(2\pi )^{3}\delta (\mathbf {p} -\mathbf {q} )} [ ϕ ^ ( x ) , π ^ ( x ) ] = i δ ( x x ) {\displaystyle [{\hat {\phi }}(\mathbf {x} ),{\hat {\pi }}(\mathbf {x} ')]=i\delta (\mathbf {x} -\mathbf {x} ')}

Средницкий дополнительно объединяет лоренц-инвариантную меру со своей асимметричной мерой Фурье, , получая . [14] d k ~ = d 3 k ( 2 π ) 3 2 ω {\displaystyle {\tilde {dk}}={\frac {d^{3}k}{(2\pi )^{3}2\omega }}} [ a ^ k , a ^ k ] = ( 2 π ) 3 2 ω δ ( k k ) {\displaystyle [{\hat {a}}_{\mathbf {k} },{\hat {a}}_{\mathbf {k} '}^{\dagger }]=(2\pi )^{3}2\omega \,\delta (\mathbf {k} -\mathbf {k} ')}

Смотрите также

Примечания

  1. ^ 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. B C = C B {\displaystyle BC=CB} a = q + i p {\displaystyle a=q+ip} p , q {\displaystyle p,q} [ p , q ] = 1 {\displaystyle [p,q]=1}

Ссылки

  1. ^ Фейнман 1998, стр. 151
  2. ^ Дирак, П. А. М. (1927). «Квантовая теория испускания и поглощения излучения», Proc Roy Soc London Ser A , 114 (767), 243-265.
  3. ^ Вайнберг, Стивен (1995). "4". Квантовая теория полей. Том 1. Cambridge University Press. стр. 169. ISBN 9780521670531.
  4. ^ Фейнман 1998, стр. 167
  5. ^ Фейнман 1998, стр. 174–5
  6. ^ abc Брэнсон, Джим. "Квантовая физика в Калифорнийском университете в Сан-Диего" . Получено 16 мая 2012 г.
  7. ^ Этот и дальнейший операторный формализм можно найти в книге Глимма и Джаффе «Квантовая физика» , стр. 12–20.
  8. ^ Харрис, Фултон, Теория представлениястр. 164
  9. ^ Прюсснер, Гуннар. "Анализ процессов реакции-диффузии методами теории поля" (PDF) . Получено 31 мая 2021 г. .
  10. ^ 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.
  11. ^ Zee, A. (2003). Квантовая теория поля в двух словах . Princeton University Press. стр. 63. ISBN 978-0691010199.
  12. ^ Тонг, Дэвид (2007). Квантовая теория поля. стр. 24,31 . Получено 3 декабря 2019 г.
  13. ^ Пескин, М .; Шредер, Д. (1995). Введение в квантовую теорию поля. Westview Press. ISBN 978-0-201-50397-5.
  14. ^ Средницки, Марк (2007). Квантовая теория поля. Cambridge University Press. С. 39, 41. ISBN 978-0521-8644-97. Получено 3 декабря 2019 г. .
  • Фейнман, Ричард П. (1998) [1972]. Статистическая механика: набор лекций (2-е изд.). Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-36076-9.
  • Альберт Мессия , 1966. Квантовая механика (т. I), перевод на английский с французского GM Temmer. North Holland, John Wiley & Sons. Гл. XII. онлайн
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Creation_and_annihilation_operators&oldid=1251609488"