Векторные пространства и операторы


Квантовая механика формулируется в рамках линейной алгебры, где фундаментальным понятием является векторное пространство, на котором определены физические состояния системы. Это пространство носит название гильбертова пространства. Оно обладает следующими свойствами:

  • линейностью (возможность сложения векторов и умножения на скаляры);
  • определённым скалярным произведением;
  • полнотой (в смысле сходимости последовательностей);
  • наличием ортонормированного базиса.

Гильбертово пространство

Гильбертово пространство — это комплексное векторное пространство, снабжённое скалярным произведением ψ|ϕ, удовлетворяющим следующим свойствам:

  1. Линейность по второму аргументу:

    ψ|aϕ1 + bϕ2⟩ = aψ|ϕ1⟩ + bψ|ϕ2

  2. Сопряжённая линейность по первому аргументу:

    aψ1 + bψ2|ϕ⟩ = ψ1|ϕ⟩ + ψ2|ϕ

  3. Положительная определённость:

    ψ|ψ⟩ ≥ 0,  и ⟨ψ|ψ⟩ = 0 ⇔ ψ = 0

Состояние квантовой системы описывается вектором |ψ⟩ ∈ ℋ, нормированным по правилу ψ|ψ⟩ = 1.

Ортонормированный базис и разложение состояния

Векторное пространство допускает выбор ортонормированного базиса {|en⟩}, удовлетворяющего:

em|en⟩ = δmn

Любой вектор состояния может быть разложен по этому базису:

|ψ⟩ = ∑ncn|en⟩,  cn = ⟨en|ψ

Смысл коэффициентов cn в квантовой механике — амплитуды вероятности, квадрат модуля которых |cn|2 даёт вероятность обнаружить систему в состоянии |en.


Линейные операторы

Определение и свойства

Оператор — это линейное отображение ℋ → ℋ, т.е.

(a|ψ⟩ + b|ϕ⟩) = a|ψ⟩ + b|ϕ

Операторы играют роль наблюдаемых в квантовой теории: каждому измеряемому физическому параметру соответствует самосопряжённый (эрмитов) оператор.

Самосопряжённые операторы

Оператор называется самосопряжённым, если:

ψ|ϕ⟩ = ⟨ψ|ϕ⟩,  ∀ |ψ⟩,|ϕ⟩ ∈ ℋ

Для таких операторов:

  • Собственные значения λ ∈ ℝ
  • Собственные векторы, соответствующие различным собственным значениям, ортогональны
  • Полный набор собственных векторов (в идеальном случае) образует ортонормированный базис {|λn⟩}

Таким образом, при измерении наблюдаемой возможен только результат λn, с вероятностью |⟨λn|ψ⟩|2


Собственные состояния и спектральное разложение

Для самосопряжённого оператора существует спектральное разложение:

 = ∑nλn|λn⟩⟨λn|

или в непрерывном случае:

 = ∫λ |λ⟩⟨λ| dλ

Это разложение играет ключевую роль при вычислении средних значений:

⟩ = ⟨ψ||ψ⟩ = ∑nλn|⟨λn|ψ⟩|2


Унитарные и проекторные операторы

Унитарные операторы

Оператор называется унитарным, если:

 =  = 

Унитарные операторы описывают эволюцию замкнутой квантовой системы во времени (например, (t) = eit/ℏ ).

Проекционные операторы

Проекционный оператор n на подпространство, порождённое |ϕn, определяется как:

n = |ϕn⟩⟨ϕn|

Он удовлетворяет:

n2 = n,  n = n

Такие операторы играют роль в измерении: вероятность получить результат, соответствующий |ϕn, равна ψ|n|ψ.


Коммутаторы и совместные наблюдаемые

Пусть заданы два оператора , . Их коммутатор:

[, ] =  − 

Если [, ] = 0, операторы называются совместно измеримыми: существует общий набор собственных векторов. Это условие фундаментально для формализма наблюдаемых в квантовой теории.

В противном случае действует принцип неопределённости:

$$ \Delta A \cdot \Delta B \geq \frac{1}{2} |\langle [\hat{A}, \hat{B}] \rangle| $$


Матрицы операторов в базисе

В выбранном ортонормированном базисе {|en⟩} оператор представляется матрицей:

Amn = ⟨em||en

Для самосопряжённых операторов $A_{mn} = \overline{A_{nm}}$, т.е. матрица эрмитова. Эволюция векторов также может быть описана через действие матрицы на вектор-столбец координат состояния.


Примеры операторов в квантовой механике

  • Оператор координаты в представлении x:

    ψ(x) = xψ(x)

  • Оператор импульса:

    $$ \hat{p} \psi(x) = -i \hbar \frac{d}{dx} \psi(x) $$

  • Оператор энергии (гамильтониан):

    $$ \hat{H} = \frac{\hat{p}^2}{2m} + V(\hat{x}) $$

  • Оператор числа (в квантовом гармоническом осцилляторе):

     = 

Эти операторы действуют в конкретных реализациях гильбертова пространства — например, L2(ℝ), пространстве квадратично интегрируемых функций.


Функции от операторов

Если — самосопряжённый оператор с полным набором собственных векторов {|λn⟩}, то функция от оператора f() определяется спектрально:

f() = ∑nf(λn)|λn⟩⟨λn|

Это позволяет определять экспоненты операторов, синусы, корни и другие функции, часто возникающие в уравнениях эволюции и операторных методах.


Сведение операторов к диагональному виду

Один из ключевых приёмов анализа — нахождение базиса, в котором оператор принимает диагональный вид. Для самосопряжённого оператора:

 → diag(λ1, λ2, …)

Это упрощает вычисления, позволяет интерпретировать состояния как комбинации собственных и интерпретировать измерения в терминах спектра.


Обобщённые пространства и дельта-функции

Для непрерывного спектра, например, при описании свободной частицы, собственные состояния |x, |p не принадлежат , но рассматриваются в обобщённом смысле:

x|x′⟩ = δ(x − x′),  ∫|x⟩⟨x| dx = 

Это расширение требует использования формализма пространства Риггеда, или гельфандовской тройки, где:

Φ ⊂ ℋ ⊂ Φ

В Φ лежат обобщённые функции, типа δ(x − x0), используемые для спектральной теории непрерывных операторов.


Связь с измерениями и физическими наблюдаемыми

Любая физическая величина — это оператор , и измерение этой величины даёт одно из собственных значений. После измерения система коллапсирует в соответствующее собственное состояние |λn. Это краеугольный камень квантовой интерпретации.

Среднее значение:

⟩ = ⟨ψ||ψ

Дисперсия:

(ΔA)2 = ⟨2⟩ − ⟨2

Эти формулы определяют квантовую статистику измерений, на которых базируется экспериментальная проверка квантовой теории.