厄米算符,即自伴随算符,也称厄米特算符,由数学家厄米特提出,是一种表示力学量的算符。其对应的矩阵表示为厄米矩阵,即转置复共轭等于自身的矩阵。厄米矩阵的本征值为实数,对应的本征矢量作为一组完备正交基构成一个矢量空间。
厄米算符的特性有:实数性,厄米算符的本征值和平均值为实数;正交性,属于不同本征值的本征态,彼此正交;完备性,本征态的全体构成一个完备集。描写力学量的厄米算符的本征函数系是完全系。量子力学中表示力学量的算符,必须是厄米算符或厄米算符的函数。
两个厄米算符之和仍为厄米算符,但两个厄米算符之积一般不是厄米算符,除非这两个厄米算符可对易。
基本内容
定义及性质
其中ϕ ψ 、是任意波函数,则称算符F∧为厄米算符。
厄米算符具有一些重要的性质:
(1)在任何状态下,厄米算符的本征值必为实数;
(2)在任何状态下平均值为实数的算符必为厄米算符;
(3)厄米算符的属于不同本征值的本征函数彼此正交;
(4) 厄米算符的本征函数具有完备性。
量子力学中力学量用厄米算符来描述
量子体系中的可观测量(力学量)用线性厄米算符来描述是量子力学的一个基本假设,其正确性应该由实验来判定。
量子体系中的力学量用相应的线性厄米算符来描述”具有多方面的含义:
二,实验上的可观测的力学量总是实数,力学量相应的算符必须是厄米算符;实际上,这种要求是有些过分了,即使某个力学量的算符不是厄米算符,只要它的本征值是实数即可,但是这样做的结果会使本征矢变成超完备的,以致不便于使用。
三,量子力学里测量值通常不是唯一确定的值,而是具有一定概率分布的一系列的值,这些测量值的平均值可用
(ψ 已经归一化)来表示;
四,力学量之间的关系也可通过相应算符之间的关系(如对易关系)来反映出来。
基于以上三点,量子力学中的力学量用厄米算符来描述。
厄米算符与经典的对应
我们知道算符的性质可用矩阵来表示,那么厄米算符对应怎样的矩阵呢?
从厄米算符是定义出发:
但是需要指出的是,以线性厄米算符表示力学量扩充了量子力学中力学量的范围,除了有经典的对应的力学量外,即使经典物理中没有相应的力学量,但只要是线性厄米算符,在微观世界中有意义,诸如宇称、自旋、同位旋等,也都是力学量。
算符的厄米性对波函数的限制
实验上的可观测的物理量都是厄米算符,为了保证算符的厄米性,常常要求波函数满足一定的条件。接下
来,下文将在一些文献的基础上,以常见的几种一维算符为例,对此做一些探讨。
量子力学中的常见算符
量子力学中的常见算符有坐标算符、动量算符、能量算符、角动量算符等等,对于宇称算符、自旋算符以及同位旋算符,这里我们不讨论。从这些常见的算符出发,分析它们对波函数的限制,再利用厄米算符的一些性质(如两厄米算符之和仍为厄米算符,可易的两厄米算符之积仍为厄米算符)来研究更广泛的算符,以期得到普遍的结论。
坐标算符
满足厄米算符定义式(1),即对坐标算符来说,算符的厄米性对波函数无附加限制。
参考资料
厄米特:路途坎坷的天才数学家.澎湃新闻.2024-03-14
II.力学量与算符.电子科技大学光电信息学院.2024-03-14