Опера'торы
в квантовой теории, математическое понятие, широко используемое в математическом аппарате квантовой механики
и квантовой теории поля
и служащее для сопоставления определённому вектору состояния (или волновой функции) y др. определённых векторов (функций) y'. Соотношение между y и y' записывается в виде y'
=
y, где
— оператор. В квантовой механике физическим величинам (координате, импульсу, моменту количества движения, энергии и т.д.) ставятся в соответствие О.
(О. координаты, О. импульса и т.д.), действующие на вектор состояния (или волновую функцию) y, т. е. на величину, описывающую состояние физической системы.
Простейшие виды О., действующих на волновую функцию y(х
) (где х
— координата частицы), — О. умножения (например, О. координаты
, #i-images-108071435.png
y = х
y) и о. дифференцирования (например, О. импульса
,
y = #i-images-167607125.png
, где i
— мнимая единица,
— постоянная Планка). Если y — вектор, компоненты которого можно представить в виде столбца чисел, то О. представляет собой квадратную таблицу — матрицу
.
В квантовой механике в основном используются линейные операторы
. Это означает, что они обладают следующим свойством: если
y1
=
y'1
и
y2
=
y'2
, то
(c
1
y1
+ c
2
y2
) = c
1
y'1
+ c
2
y'2
, где c
1
и с
2
— комплексные числа. Это свойство отражает суперпозиции принцип
—
один из основных принципов квантовой механики.
Существенные свойства О.
определяются уравнением
yn
= ln
yn
, где ln
— число. Решения этого уравнения yn
называется собственными функциями (собственными векторами) оператора
. Собственные волновые функции (собственные векторы состояния) описывают в квантовой механике такие состояния, в которых данная физическая величина L
имеет определённое значение ln
. Числа ln
называется собственными значениями О.
, а их совокупность — спектром О. Спектр может быть непрерывным или дискретным; в первом случае уравнение, определяющее y n
, имеет решение при любом значении ln
(в определённой области), во втором — решения существуют только при определённых дискретных значениях ln
. Спектр О. может быть и смешанным: частично непрерывным, частично дискретным. Например, О. координаты и импульса имеют непрерывный спектр, а О. энергии в зависимости от характера действующих в системе сил — непрерывный, дискретный или смешанный спектр. Дискретные собственные значения О. энергии называются энергетическими уровнями.
Собственные функции и собственные значения О. физических величин должны удовлетворять определённым требованиям. Т. к. непосредственно измеряемые физич. величины всегда принимают веществ. значения, то соответствующие квантовомеханич. О. должны иметь веществ. собств. значения. Далее, поскольку в результате измерения физич. величины в любом состоянии y должно получаться одно из возможных собств. значений этой величины, необходимо, чтобы произвольная волновая функция (вектор состояния) могла быть представлена в виде линейной комбинации собств. функций (векторов) yn О. этой физич. величины; др. словами, совокупность собств. функций (векторов) должна представлять полную систему. Этими свойствами обладают собств. функции и собств. значения т.н. самосопряжённых О., или эрмитовых операторов .
С О. можно производить алгебраич. действия. В частности, под произведением О.
1
и
2
понимается такой О.
= #i-images-129179768.png
1 #i-images-132871278.png 2
, действие которого на вектор (функцию) y даёт
y = y’’, если
2
y = y’ и
1
y’
= y’’.
Произведение О. в общем случае зависит от порядка сомножителей, т. е
. #i-images-155476853.png
1 #i-images-142436768.png 2
¹ #i-images-189629835.png
2 #i-images-179976474.png 1
. Этим алгебра О. отличается от обычной алгебры чисел. Возможность перестановки порядка сомножителей в произведении двух О. тесно связана с возможностью одновременного измерения физических величин, которым отвечают эти О. Необходимым и достаточным условием одновременной измеримости физических величин является равенство
1 #i-images-176088316.png 2
= #i-images-183819787.png
2 #i-images-171692342.png 1
(см. Перестановочные соотношения
).
Уравнения квантовой механики могут быть формально записаны точно в том же виде, что и уравнения классической механики (гейзенберговское представление в квантовой механике), если заменить физические величины, входящие в уравнения классической механики, соответствующими им О. Всё различие между квантовой и классической механикой сведется тогда к различию алгебр. Поэтому О. в квантовой механике иногда называют q -числами, в отличие от с -чисел, т. е. обыкновенных чисел, с которыми имеет дело классическая механика.
О. можно не только умножать, но и возводить в степень, образовывать из них ряды и рассматривать функции от О. Произведение эрмитовых О. в общем случае не является эрмитовым. В квантовой механике используются и неэрмитовы О., важным классом которых являются унитарные операторы . Унитарные О. не меняют норм («длин») векторов и «углов» между ними. Неизменность нормы вектора состояния даёт возможность интерпретации его компонент как амплитуд вероятности равным образом в исходной и преобразованной функции. Поэтому действием унитарного О. описывается развитие квантовомеханической системы во времени, а также её смещение как целого в пространстве, поворот, зеркальное отражение и др. Выполняемые унитарными О. преобразования (унитарные преобразования) играют в квантовой механике такую же роль, какую в классической механике играют канонические преобразования (см. Механики уравнения канонические ).
В квантовой механике применяется также О. комплексного сопряжения, не являющийся линейным. Произведение такого О. на унитарный О. называются антиунитарным О. Антиунитарные О. описывают преобразование обращения времени и некоторые др.
В теории квантовых систем, состоящих из тождественных частиц, широко применяется метод квантования вторичного , в котором рассматриваются состояния с неопределённым или переменным числом частиц и вводятся О., действие которых на вектор состояния с данным числом частиц приводит к вектору состояния с измененным на единицу числом частиц (О. рождения и поглощения частиц). О. рождения или поглощения частицы в данной точке х , #i-images-115280349.png (х ) формально подобен волновой функции y(х ), как q- и с- числа, отвечающие одной и той же физической величине соответственно в квантовой и классической механике. Такие О. образуют квантованные поля, играющие фундаментальную роль в релятивистских квантовых теориях (квантовой электродинамике, теории элементарных частиц; см. Квантовая теория поля ).
Лит . см. при статьях Квантовая механика , Квантовая теория поля .
В. Б. Берестецкий.