量子力学:矩阵力学基础

OAP

一、矩阵力学的核心思想

在量子力学中,当系统具有有限维状态空间时,可以用列向量表示量子态,用矩阵表示可观测量算符。求解系统的物理性质,往往可以转化为求解矩阵的本征值和本征向量。

1. 本征值与本征态的物理意义

对于算符 $\hat A$,若量子态 $|a\rangle$ 满足

$$ \boxed{\hat A|a\rangle=a|a\rangle} $$

则称 $|a\rangle$ 为 $\hat A$ 的本征态,$a$ 为对应的本征值。

对于可观测量,其本征值代表测量该物理量时可能得到的结果。若系统处于该算符的本征态,测量结果就是相应的本征值。

例如,对于哈密顿算符 $\hat H$,

$$ \hat H|E_n\rangle=E_n|E_n\rangle $$

其中 $E_n$ 是能量本征值,$|E_n\rangle$ 是能量本征态。

因此,求解哈密顿量的本征值问题,可以得到系统允许的能量测量结果。

需要注意,本征态并不一定对应唯一的本征值编号:若存在简并,不同的线性无关本征态可能具有相同的本征值。

2. 矩阵本征值方程

设算符 $\hat A$ 在某个基底下表示为矩阵 $A$,对应的量子态表示为列向量 $v$,则本征值方程为

$$ \boxed{Av=\lambda v} $$

移项得

$$ (A-\lambda I)v=0 $$

要使其存在非零解,必须满足

$$ \boxed{\det(A-\lambda I)=0} $$

这称为特征方程。

求得本征值后,将其代回

$$ (A-\lambda I)v=0 $$

即可求出对应的本征向量。

最后,通过

$$ \boxed{ v_{\mathrm{norm}}=\frac{v}{\sqrt{v^\dagger v}} } $$

进行归一化。其中 $v^\dagger$ 表示共轭转置。

3. 四步求解法

步骤操作关键公式
第一步构造特征方程$\det(A-\lambda I)=0$
第二步求解本征值解特征多项式
第三步求解本征向量$(A-\lambda I)v=0$
第四步归一化$v^\dagger v=1$

对于量子力学中的可观测量,矩阵通常取厄米矩阵,因此其本征值为实数,不同本征值对应的本征向量可以选择为相互正交。

还要注意:本征向量整体乘以任意非零复数后,仍是同一本征值对应的本征向量。归一化之后,整体相位因子不影响物理态。


二、电子自旋与泡利矩阵

电子自旋是电子固有的内禀角动量,不是经典小球的机械自转。

电子的自旋量子数为

$$ s=\frac12 $$

自旋平方算符的本征值为

$$ \boxed{ S^2=s(s+1)\hbar^2=\frac34\hbar^2 } $$

而沿任意指定方向测量自旋分量,都只能得到

$$ \boxed{S_{\boldsymbol n}=\pm\frac{\hbar}{2}} $$

这里 $\boldsymbol n$ 是单位方向矢量。

1. 泡利矩阵

在 $S_z$ 本征态构成的基底下,三个泡利矩阵为

$$ \sigma_x= \begin{pmatrix} 0&1\\ 1&0 \end{pmatrix} $$

$$ \sigma_y= \begin{pmatrix} 0&-i\\ i&0 \end{pmatrix} $$

$$ \sigma_z= \begin{pmatrix} 1&0\\ 0&-1 \end{pmatrix} $$

自旋算符与泡利矩阵的关系为

$$ \boxed{\hat S_i=\frac{\hbar}{2}\sigma_i} $$

因此

$$ \hat S_x=\frac{\hbar}{2} \begin{pmatrix} 0&1\\ 1&0 \end{pmatrix} $$

$$ \hat S_z=\frac{\hbar}{2} \begin{pmatrix} 1&0\\ 0&-1 \end{pmatrix} $$

在 $S_z$ 基底下,自旋向上与自旋向下的基矢分别为

$$ |\uparrow_z\rangle= \begin{pmatrix} 1\\ 0 \end{pmatrix}, \qquad |\downarrow_z\rangle= \begin{pmatrix} 0\\ 1 \end{pmatrix} $$

任意归一化自旋态可以写成

$$ |\chi\rangle= \begin{pmatrix} c_1\\ c_2 \end{pmatrix}, \qquad |c_1|^2+|c_2|^2=1 $$

其中 $|c_1|^2$ 和 $|c_2|^2$ 分别是测量 $S_z$ 得到 $+\hbar/2$ 和 $-\hbar/2$ 的概率。

2. 自旋沿任意方向的算符

对于单位方向矢量

$$ \boldsymbol n=(n_x,n_y,n_z) $$

自旋在该方向上的分量为

$$ \hat S_{\boldsymbol n} =n_x\hat S_x+n_y\hat S_y+n_z\hat S_z $$

利用泡利矩阵,可以写成

$$ \boxed{ \hat S_{\boldsymbol n} =\frac{\hbar}{2} \begin{pmatrix} n_z&n_x-in_y\\ n_x+in_y&-n_z \end{pmatrix} } $$

这意味着,无论选择哪个测量方向,自旋分量的本征值仍为

$$ \boxed{\lambda_\pm=\pm\frac{\hbar}{2}} $$

改变的是对应的本征态,而不是自旋分量的两个可能测量值。


三、综合例题:求解自旋哈密顿量

题目

考虑一个电子,其哈密顿量为

$$ \boxed{ \hat H=\omega_0(\hat S_x+\hat S_z) } $$

其中 $\omega_0$ 的量纲为 $\mathrm{s}^{-1}$,因此 $\hbar\omega_0$ 具有能量量纲。

求:

  1. 哈密顿量的矩阵形式;
  2. 能量本征值;
  3. 对应的归一化能量本征态。

以下先假设 $\omega_0>0$。若 $\omega_0<0$,两个本征态对应的能量排序将交换。

第一步:写出哈密顿量矩阵

根据

$$ \hat S_x=\frac{\hbar}{2} \begin{pmatrix} 0&1\\ 1&0 \end{pmatrix} $$

和

$$ \hat S_z=\frac{\hbar}{2} \begin{pmatrix} 1&0\\ 0&-1 \end{pmatrix} $$

代入哈密顿量:

$$ \begin{aligned} \hat H &=\omega_0\frac{\hbar}{2} \left[ \begin{pmatrix} 0&1\\ 1&0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1&0\\ 0&-1 \end{pmatrix} \right]\\ &=\boxed{ \frac{\hbar\omega_0}{2} \begin{pmatrix} 1&1\\ 1&-1 \end{pmatrix} } \end{aligned} $$

为了简化计算,令

$$ \alpha=\frac{\hbar\omega_0}{2} $$

则

$$ H=\alpha \begin{pmatrix} 1&1\\ 1&-1 \end{pmatrix} $$

第二步:求解能量本征值

设能量本征值为 $E$,特征方程为

$$ \det(H-EI)=0 $$

代入矩阵:

$$ \det \begin{pmatrix} \alpha-E&\alpha\\ \alpha&-\alpha-E \end{pmatrix}=0 $$

展开行列式:

$$ (\alpha-E)(-\alpha-E)-\alpha^2=0 $$

注意

$$ (\alpha-E)(-\alpha-E)=E^2-\alpha^2 $$

所以

$$ E^2-\alpha^2-\alpha^2=0 $$

即

$$ E^2=2\alpha^2 $$

因此

$$ E_\pm=\pm\sqrt2\,\alpha $$

将 $\alpha=\hbar\omega_0/2$ 代回,得到

$$ \boxed{ E_+=\frac{\sqrt2}{2}\hbar\omega_0 } $$

$$ \boxed{ E_-=-\frac{\sqrt2}{2}\hbar\omega_0 } $$

对于 $\omega_0>0$,$E_+$ 是较高的能量本征值,$E_-$ 是较低的能量本征值。

第三步:求解 $E_+$ 对应的本征态

本征值为

$$ E_+=\sqrt2\,\alpha $$

代入本征值方程

$$ (H-E_+I)v_+=0 $$

得到

$$ \begin{pmatrix} 1-\sqrt2&1\\ 1&-1-\sqrt2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} c_1\\ c_2 \end{pmatrix} =0 $$

第一行给出

$$ (1-\sqrt2)c_1+c_2=0 $$

因此

$$ c_2=(\sqrt2-1)c_1 $$

令 $c_1=1$,可以取未归一化本征向量

$$ v_+= \begin{pmatrix} 1\\ \sqrt2-1 \end{pmatrix} $$

计算其模长平方:

$$ \begin{aligned} v_+^\dagger v_+ &=1+(\sqrt2-1)^2\\ &=4-2\sqrt2 \end{aligned} $$

所以归一化本征态为

$$ \boxed{ |E_+\rangle =\frac1{\sqrt{4-2\sqrt2}} \begin{pmatrix} 1\\ \sqrt2-1 \end{pmatrix} } $$

第四步:求解 $E_-$ 对应的本征态

本征值为

$$ E_-=-\sqrt2\,\alpha $$

代入

$$ (H-E_-I)v_-=0 $$

得到

$$ \begin{pmatrix} 1+\sqrt2&1\\ 1&-1+\sqrt2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} c_1\\ c_2 \end{pmatrix} =0 $$

第一行给出

$$ (1+\sqrt2)c_1+c_2=0 $$

所以

$$ c_2=-(1+\sqrt2)c_1 $$

令 $c_1=1$,可以取

$$ v_-= \begin{pmatrix} 1\\ -(1+\sqrt2) \end{pmatrix} $$

其模长平方为

$$ \begin{aligned} v_-^\dagger v_- &=1+(1+\sqrt2)^2\\ &=4+2\sqrt2 \end{aligned} $$

因此归一化本征态为

$$ \boxed{ |E_-\rangle =\frac1{\sqrt{4+2\sqrt2}} \begin{pmatrix} 1\\ -(1+\sqrt2) \end{pmatrix} } $$


四、更简洁的解法:利用泡利矩阵的性质

前面的求解方法适用于一般矩阵。本题还可以利用泡利矩阵的性质,更快地得到本征值。

将哈密顿量写成

$$ \hat H=\frac{\hbar\omega_0}{2}(\sigma_x+\sigma_z) $$

泡利矩阵满足

$$ \sigma_x^2=\sigma_z^2=I $$

以及

$$ \sigma_x\sigma_z+\sigma_z\sigma_x=0 $$

因此

$$ \begin{aligned} \hat H^2 &=\frac{\hbar^2\omega_0^2}{4} (\sigma_x+\sigma_z)^2\\ &=\frac{\hbar^2\omega_0^2}{4} (\sigma_x^2+\sigma_z^2)\\ &=\frac{\hbar^2\omega_0^2}{2}I \end{aligned} $$

若 $|E\rangle$ 是能量本征态,则

$$ \hat H|E\rangle=E|E\rangle $$

两边再作用一次 $\hat H$,得到

$$ \hat H^2|E\rangle=E^2|E\rangle $$

所以

$$ E^2=\frac{\hbar^2\omega_0^2}{2} $$

从而

$$ \boxed{ E_\pm=\pm\frac{\hbar\omega_0}{\sqrt2} } $$

这一方法不需要展开行列式,特别适合处理由泡利矩阵线性组合构成的自旋哈密顿量。

几何解释:自旋沿哪个方向?

由于

$$ \hat H=\omega_0(\hat S_x+\hat S_z) $$

定义单位方向矢量

$$ \boldsymbol n=\frac1{\sqrt2}(1,0,1) $$

则

$$ \hat H=\sqrt2\,\omega_0\hat S_{\boldsymbol n} $$

因此,求解该哈密顿量,等价于求解自旋沿 $(1,0,1)$ 方向的分量。

沿该方向的自旋测量值为

$$ S_{\boldsymbol n}=\pm\frac{\hbar}{2} $$

所以能量为

$$ E_\pm=\sqrt2\,\omega_0 \left(\pm\frac{\hbar}{2}\right) =\pm\frac{\hbar\omega_0}{\sqrt2} $$

这解释了为什么两个能量本征值大小相等、符号相反。

本征态还可以写成更直观的形式:

$$ \boxed{ |E_+\rangle= \begin{pmatrix} \cos\frac{\pi}{8}\\ \sin\frac{\pi}{8} \end{pmatrix} } $$

$$ \boxed{ |E_-\rangle= \begin{pmatrix} \sin\frac{\pi}{8}\\ -\cos\frac{\pi}{8} \end{pmatrix} } $$

它们与前面求得的归一化本征态完全一致。这两个态彼此正交,并分别对应沿 $\boldsymbol n$ 方向的自旋向上和自旋向下。


五、结果检查与物理意义

本题的结果可以通过三个方面检查。

1. 本征值检查

$$ E_++E_-=0 $$

这与哈密顿量矩阵的迹为零一致。对于 $2\times2$ 矩阵,两个本征值之和等于矩阵的迹。

2. 本征态正交性

$$ \boxed{\langle E_+|E_-\rangle=0} $$

这是厄米哈密顿量具有不同本征值时,本征态可以正交选择的结果。

3. 能级间隔

$$ \begin{aligned} \Delta E &=E_+-E_-\\ &=\boxed{\sqrt2\,\hbar\omega_0} \end{aligned} $$

若系统处于高能态并发生向低能态的跃迁,在适当的辐射跃迁条件下,所释放光子的能量与能级差相对应。

六、考试速记链条

$$ \boxed{ \text{写出矩阵} \longrightarrow \det(H-EI)=0 \longrightarrow \text{求本征值} \longrightarrow (H-EI)v=0 \longrightarrow \text{归一化} } $$

遇到由泡利矩阵构成的自旋哈密顿量时,还可以优先检查是否能够利用

$$ \sigma_i^2=I,\qquad \sigma_i\sigma_j+\sigma_j\sigma_i=0 \quad(i\ne j) $$

快速求出本征值,再求对应本征态。

最重要的区分是:本征值告诉我们测量可能得到什么结果,本征态告诉我们系统处于什么状态,而归一化保证概率总和为 1。

作者:GARFIELDTOM
邮箱:coolerxde@gt.ac.cn

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