位置算符

在量子力学里,位置算符(position operator)是一种量子算符。对应于位置算符的可观察量是粒子的位置。位置算符的本征值是位置向量。采用狄拉克标记,位置算符 的本征态 满足方程

;

其中, 是本征值,是量子态为 的粒子所处的位置, 只是一个数值。

位置空间表现

设定量子态   。量子态   、  的位置空间表现,即波函数,分别定义为

  、
  。

在位置空间里,定义算符   为

  。

在位置空间里,使用连续本征态   所组成的基底,任意量子态   展开为

  。

将量子算符   作用于量子态   ,可以得到

  。

应用狄拉克正交归一性,  ,这方程与左矢   的内积为

  。

量子态   的展开式为

  。

应用狄拉克正交归一性,这方程与左矢   的内积为

  。

所以,两个波函数   、  之间的关系为

  。

总结,位置算符   作用于量子态   的结果   ,表现于位置空间,等价于波函数   与   的乘积   。位置算符   的位置空间表现是位算符   ,可以称算符   为位置算符。

本征函数

假设,在位置空间里,位置算符   的本征值为   的本征函数是   。用方程表达,[1]

  。

这方程的一般解为,

  ;

其中,  是常数,  是狄拉克δ函数。

注意到   无法归一化:

  。

设定   ,函数   满足下述方程:

  。

这性质不是普通的正交归一性,这性质称为狄拉克正交归一性。因为这性质,位置算符的本征函数具有完备性,也就是说,任意波函数   都可以表达为本征函数的线性组合:

  。

虽然本征函数   所代表的量子态是无法实际体现的,并且严格而论,不是一个函数,它可以视为代表一种理想量子态,这种理想量子态具有准确的位置   ,因此,根据不确定性原理,这种理想量子态的动量呈均匀分布。

期望值

采用位置空间表现,设想一个移动于一维空间的量子粒子。在这里,希尔伯特空间是   ,是实值定义域的平方可积函数的空间。[2]:11两个态向量的内积是

  。

对于任意量子态   ,可观察量   的期望值为

  。

位置算符   作用于量子态   的结果,表现于位置空间,等价于波函数   与   的乘积,所以,

  。

粒子处于   与   微小区间内的概率是

  。

粒子位置与概率的乘积在位置空间的积分,就是粒子位置的期望值。

三维案例

推广至三维空间相当直截了当,参数为三维位置   的波函数为   ,位置的期望值为[2]:41-42

  ;

其中,  是积分体积。

位置算符   的作用为

  。

对易关系

位置算符与动量算符的对易算符,当作用于波函数时,会得到一个简单的结果:

  。

所以,  。这关系称为位置算符与动量算符的对易关系。由于两者的对易关系不等于 0 ,位置与动量彼此是不相容可观察量。  与   绝对不会拥有共同的基底量子态。一般而言,  的本征态与   的本征态不同。

根据不确定性原理,

  。

由于   与   是两个不相容可观察量,  。所以,  的不确定性与   的不确定性的乘积   ,必定大于或等于   。

参考文献

  1. ^ Griffiths, David J. Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. 2004: pp. 17, 104–109.  )
  2. ^ 2.0 2.1 Sakurai, J. J.; Napolitano, Jim, Modern Quantum Mechanics 2nd, Addison-Wesley, 2010, ISBN 978-0805382914