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:
Гильбертово пространство ℋ — это комплексное векторное пространство, снабжённое скалярным произведением ⟨ψ|ϕ⟩, удовлетворяющим следующим свойствам:
Линейность по второму аргументу:
⟨ψ|aϕ1 + bϕ2⟩ = a⟨ψ|ϕ1⟩ + b⟨ψ|ϕ2⟩
Сопряжённая линейность по первому аргументу:
⟨aψ1 + bψ2|ϕ⟩ = ā⟨ψ1|ϕ⟩ + b̄⟨ψ2|ϕ⟩
Положительная определённость:
⟨ψ|ψ⟩ ≥ 0, и ⟨ψ|ψ⟩ = 0 ⇔ ψ = 0
Состояние квантовой системы описывается вектором |ψ⟩ ∈ ℋ, нормированным по правилу ⟨ψ|ψ⟩ = 1.
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⟩.
Оператор Â — это линейное отображение ℋ → ℋ, т.е.
Â(a|ψ⟩ + b|ϕ⟩) = aÂ|ψ⟩ + bÂ|ϕ⟩
Операторы играют роль наблюдаемых в квантовой теории: каждому измеряемому физическому параметру соответствует самосопряжённый (эрмитов) оператор.
Оператор Â называется самосопряжённым, если:
⟨ψ|Âϕ⟩ = ⟨Âψ|ϕ⟩, ∀ |ψ⟩,|ϕ⟩ ∈ ℋ
Для таких операторов:
Таким образом, при измерении наблюдаемой Â возможен только результат λn, с вероятностью |⟨λn|ψ⟩|2
Для самосопряжённого оператора Â существует спектральное разложение:
 = ∑nλn|λn⟩⟨λn|
или в непрерывном случае:
 = ∫λ |λ⟩⟨λ| dλ
Это разложение играет ключевую роль при вычислении средних значений:
⟨Â⟩ = ⟨ψ|Â|ψ⟩ = ∑nλn|⟨λn|ψ⟩|2
Оператор Û называется унитарным, если:
Û†Û = ÛÛ† = Î
Унитарные операторы описывают эволюцию замкнутой квантовой системы во времени (например, Û(t) = e−iĤt/ℏ ).
Проекционный оператор P̂n на подпространство, порождённое |ϕn⟩, определяется как:
P̂n = |ϕn⟩⟨ϕn|
Он удовлетворяет:
P̂n2 = P̂n, P̂n† = P̂n
Такие операторы играют роль в измерении: вероятность получить результат, соответствующий |ϕn⟩, равна ⟨ψ|P̂n|ψ⟩.
Пусть заданы два оператора Â, B̂. Их коммутатор:
[Â, B̂] = ÂB̂ − B̂Â
Если [Â, B̂] = 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:
$$ \Delta A \cdot \Delta B \geq \frac{1}{2} |\langle [\hat{A}, \hat{B}] \rangle| $$
В выбранном ортонормированном базисе {|en⟩} оператор Â представляется матрицей:
Amn = ⟨em|Â|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.
Оператор координаты в представлении x:
x̂ψ(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):
N̂ = â†â
Эти операторы действуют в конкретных реализациях гильбертова пространства — например, L2(ℝ), пространстве квадратично интегрируемых функций.
Если Â — самосопряжённый оператор с полным набором собственных векторов {|λn⟩}, то функция от оператора f(Â) определяется спектрально:
f(Â) = ∑nf(λn)|λn⟩⟨λn|
Это позволяет определять экспоненты операторов, синусы, корни и другие функции, часто возникающие в уравнениях эволюции и операторных методах.
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.
Для непрерывного спектра, например, при описании свободной частицы, собственные состояния |x⟩, |p⟩ не принадлежат ℋ, но рассматриваются в обобщённом смысле:
⟨x|x′⟩ = δ(x − x′), ∫|x⟩⟨x| dx = Î
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.
Любая физическая величина — это оператор Â, 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:
⟨Â⟩ = ⟨ψ|Â|ψ⟩
Дисперсия:
(ΔA)2 = ⟨Â2⟩ − ⟨Â⟩2
Эти формулы определяют квантовую статистику измерений, на которых базируется экспериментальная проверка квантовой теории.