Линейная алгебра в квантовой механике

Векторы состояний и гильбертово пространство

Квантовая механика формализована в терминах линейной алгебры, где состояние физической системы описывается вектором в комплексном гильбертовом пространстве — полным линейным пространством с внутренним произведением. Пусть ℋ — гильбертово пространство. Вектор состояния обозначается |ψ⟩ (в так называемой бра-кет нотации Дирака) и может быть представлен в виде линейной комбинации ортонормированного базиса:

|ψ⟩ = ∑ncn|en⟩,  cn ∈ ℂ

где {|en⟩} — ортонормированный базис ℋ, удовлетворяющий:

⟨em|en⟩ = δmn

Норма вектора состояния равна единице: ⟨ψ|ψ⟩ = 1, что отражает полную вероятность обнаружения системы в каком-либо состоянии.

Линейные операторы и наблюдаемые

Физические величины в квантовой механике описываются линейными эрмитовыми операторами, действующими на ℋ. Линейный оператор Â удовлетворяет:

Â(a|ψ⟩ + b|ϕ⟩) = aÂ|ψ⟩ + bÂ|ϕ⟩,  a, b ∈ ℂ

Если Â = †, то  — эрмитов оператор (наблюдаемая), и его собственные значения an действительны, а собственные векторы |an⟩ формируют ортонормированный базис:

Â|an⟩ = an|an⟩

Результаты измерений наблюдаемых соответствуют собственным значениям операторов. Вероятность получить результат an при измерении в состоянии |ψ⟩ равна |⟨an|ψ⟩|2.

Скалярное произведение и проекторы

Скалярное произведение ⟨ϕ|ψ⟩ задаёт амплитуду перехода из состояния |ψ⟩ в состояние |ϕ⟩. Оно удовлетворяет свойствам:

  • $\langle \psi | \phi \rangle = \overline{\langle \phi | \psi \rangle}$
  • Линейность по второму аргументу, антилинейность по первому
  • ⟨ψ|ψ⟩ ≥ 0, и равенство достигается только при |ψ⟩ = 0

Проектор на состояние |ϕ⟩ определяется как оператор:

P̂ϕ = |ϕ⟩⟨ϕ|

Проекторы играют важную роль в постулатах измерения: вероятность обнаружить систему в состоянии |ϕ⟩ при её подготовке в состоянии |ψ⟩ есть ⟨ψ|P̂ϕ|ψ⟩ = |⟨ϕ|ψ⟩|2.

Матрицы и представления операторов

Выбор базиса в ℋ позволяет перейти от абстрактных операторов к их матричному представлению. Пусть {|en⟩} — ортонормированный базис. Тогда:

  • Вектор состояния |ψ⟩ задаётся столбцом: ψ = (c1, c2, …)T
  • Оператор Â представлен матрицей Amn = ⟨em|Â|en⟩

Применение оператора к вектору реализуется как умножение матрицы на вектор:

Â|ψ⟩ ↔︎ A ⋅ ψ

Эрмитовость оператора Â означает, что его матрица A удовлетворяет A† = A, то есть $A_{mn} = \overline{A_{nm}}$.

Коммутаторы и сопряжённые операторы

Важнейшая операция в квантовой механике — коммутатор:

[Â, B̂] = ÂB̂ − B̂Â

Коммутатор двух эрмитовых операторов, вообще говоря, не является эрмитовым. Ненулевая величина [Â, B̂] ≠ 0 означает, что операторы Â и B̂ некоммутируют, и соответствующие наблюдаемые не могут быть измерены одновременно с произвольной точностью. Это лежит в основе соотношения неопределённости Гейзенберга.

Собственные значения и спектральная теорема

Спектральная теорема утверждает, что любой эрмитов оператор Â обладает полным набором собственных векторов |an⟩, и может быть разложен в виде:

Â = ∑nan|an⟩⟨an|

В случае непрерывного спектра используется интегральная форма:

Â = ∫a |a⟩⟨a| da

Это разложение фундаментально для понимания измерений и эволюции в квантовой теории.

Унитарные операторы и квантовая эволюция

Унитарные операторы Û удовлетворяют:

Û†Û = ÛÛ† = Î

Они описывают обратимые преобразования состояний и сохраняют норму: ⟨ψ|ψ⟩ = ⟨Ûψ|Ûψ⟩. Временная эволюция квантовой системы задаётся унитарным оператором эволюции:

|ψ(t)⟩ = Û(t)|ψ(0)⟩,  Û(t) = e−iĤt/ℏ

где Ĥ — гамильтониан системы, эрмитов оператор полной энергии.

Тензорные произведения и составные системы

Состояния составных квантовых систем описываются тензорными произведениями гильбертовых пространств. Если ℋ1 и ℋ2 — пространства двух подсистем, то полное пространство:

ℋ = ℋ1 ⊗ ℋ2

Состояние |Ψ⟩ ∈ ℋ может быть:

  • Сепарабельным: |Ψ⟩=|ψ1⟩ ⊗ |ψ2⟩
  • Запутанным (энтанглированным): неразложимым в виде произведения

Линейная алгебра тензорных произведений используется для описания коррелированных состояний, таких как в парадоксе Эйнштейна–Подольского–Розена и теореме Белла.

След оператора и плотностные матрицы

Для квантовых систем с неопределённым состоянием вводится понятие плотностного оператора ρ̂, который описывает как чистые, так и смешанные состояния:

ρ̂ = ∑ipi|ψi⟩⟨ψi|,  pi ≥ 0,  ∑ipi = 1

Плотностный оператор удовлетворяет:

  • ρ̂ = ρ̂†
  • Tr(ρ̂) = 1
  • ρ̂2 = ρ̂ (только для чистых состояний)

Среднее значение наблюдаемой Â в состоянии ρ̂ определяется через:

⟨Â⟩ = Tr(ρ̂Â)

Ортогональность, полнота и дельта-функция

Для непрерывных спектров базисные состояния |x⟩ или |p⟩ удовлетворяют условиям ортогональности и полноты:

⟨x|x′⟩ = δ(x − x′),  ∫|x⟩⟨x|dx = Î

Это требует обращения к элементам функционального анализа и обобщённых функций. Представление волновых функций ψ(x) = ⟨x|ψ⟩ следует из этого формализма.

Соотношение неопределённости и линейные операторы

Соотношение неопределённости Гейзенберга возникает из коммутаторной структуры:

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

где $\Delta A = \sqrt{\langle \hat{A}^2 \rangle - \langle \hat{A} \rangle^2}$. Для координаты и импульса:

$$ [\hat{x}, \hat{p}] = i\hbar \Rightarrow \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} $$

Это фундаментальное ограничение на точность одновременного знания определённых физических величин.

Связь с собственными разложениями матриц

Матричные представления операторов позволяют применять линейную алгебру: диагонализация, сингулярное разложение, спектральные методы. В квантовой механике это означает переход в базис собственных состояний наблюдаемой. Матрицы наблюдаемых являются эрмитовыми, а унитарные преобразования сохраняют скалярные произведения, обеспечивая физическую эквивалентность различных представлений.