Операторы

Опера́торы

В квантовой теории, математическое понятие, широко используемое в математическом аппарате квантовой механики (См. Квантовая механика) и квантовой теории поля (См. Квантовая теория поля) и служащее для сопоставления определённому вектору состояния (или волновой функции) ψ др. определённых векторов (функций) ψ'. Соотношение между ψ и ψ' записывается в виде ψ' = L̂ψ, где L̂ — оператор. В квантовой механике физическим величинам (координате, импульсу, моменту количества движения, энергии и т.д.) ставятся в соответствие О. L̂ (О. координаты, О. импульса и т.д.), действующие на вектор состояния (или волновую функцию) ψ, т. е. на величину, описывающую состояние физической системы.

Простейшие виды О., действующих на волновую функцию ψ(х) (где х — координата частицы), — О. умножения (например, О. координаты x̂, x̂ψ = хψ) и о. дифференцирования (например, О. импульса p̂, p̂ψ = , где i — мнимая единица, ħ — постоянная Планка). Если ψ — вектор, компоненты которого можно представить в виде столбца чисел, то О. представляет собой квадратную таблицу — матрицу (См. Матрица).

В квантовой механике в основном используются линейные операторы (См. Линейный оператор). Это означает, что они обладают следующим свойством: если L̂ψ₁ = ψ'₁ и L̂ψ₂ = ψ'₂, то L̂(c₁ψ₁ + c₂ψ₂) = c₁ψ'₁ + c₂ψ'₂, где c₁ и с₂ — комплексные числа. Это свойство отражает Суперпозиции принцип — один из основных принципов квантовой механики.

Существенные свойства О. L̂ определяются уравнением L̂ψ_n = λ_nψ_n, где λ_n — число. Решения этого уравнения ψ_n называется собственными функциями (собственными векторами) оператора L̂. Собственные волновые функции (собственные векторы состояния) описывают в квантовой механике такие состояния, в которых данная физическая величина L имеет определённое значение λ_n. Числа λ_n называется собственными значениями О. L̂, а их совокупность — спектром О. Спектр может быть непрерывным или дискретным; в первом случае уравнение, определяющее ψ _n, имеет решение при любом значении λ_n (в определённой области), во втором — решения существуют только при определённых дискретных значениях λ_n. Спектр О. может быть и смешанным: частично непрерывным, частично дискретным. Например, О. координаты и импульса имеют непрерывный спектр, а О. энергии в зависимости от характера действующих в системе сил — непрерывный, дискретный или смешанный спектр. Дискретные собственные значения О. энергии называются энергетическими уровнями.

Собственные функции и собственные значения О. физических величин должны удовлетворять определённым требованиям. Т. к. непосредственно измеряемые физич. величины всегда принимают веществ. значения, то соответствующие квантовомеханич. О. должны иметь веществ. собств. значения. Далее, поскольку в результате измерения физич. величины в любом состоянии ψ должно получаться одно из возможных собств. значений этой величины, необходимо, чтобы произвольная волновая функция (вектор состояния) могла быть представлена в виде линейной комбинации собств. функций (векторов) ψ_n О. этой физич. величины; др. словами, совокупность собств. функций (векторов) должна представлять полную систему. Этими свойствами обладают собств. функции и собств. значения т.н. самосопряжённых О., или эрмитовых операторов (См. Эрмитов оператор).

С О. можно производить алгебраич. действия. В частности, под произведением О. L̂₁ и L̂₂ понимается такой О. L̂ = L̂₁L̂₂, действие которого на вектор (функцию) ψ даёт L̂ψ = ψ’’, если L̂₂ψ = ψ’ и L̂₁ψ’ = ψ’’. Произведение О. в общем случае зависит от порядка сомножителей, т. е. L̂₁L̂₂ ≠ L̂₂L̂₁. Этим алгебра О. отличается от обычной алгебры чисел. Возможность перестановки порядка сомножителей в произведении двух О. тесно связана с возможностью одновременного измерения физических величин, которым отвечают эти О. Необходимым и достаточным условием одновременной измеримости физических величин является равенство L̂₁L̂₂ = L̂₂L̂₁ (см. Перестановочные соотношения).

Уравнения квантовой механики могут быть формально записаны точно в том же виде, что и уравнения классической механики (гейзенберговское представление в квантовой механике), если заменить физические величины, входящие в уравнения классической механики, соответствующими им О. Всё различие между квантовой и классической механикой сведется тогда к различию алгебр. Поэтому О. в квантовой механике иногда называют q-числами, в отличие от с-чисел, т. е. обыкновенных чисел, с которыми имеет дело классическая механика.

О. можно не только умножать, но и возводить в степень, образовывать из них ряды и рассматривать функции от О. Произведение эрмитовых О. в общем случае не является эрмитовым. В квантовой механике используются и неэрмитовы О., важным классом которых являются унитарные операторы (См. Унитарный оператор). Унитарные О. не меняют норм («длин») векторов и «углов» между ними. Неизменность нормы вектора состояния даёт возможность интерпретации его компонент как амплитуд вероятности равным образом в исходной и преобразованной функции. Поэтому действием унитарного О. описывается развитие квантовомеханической системы во времени, а также её смещение как целого в пространстве, поворот, зеркальное отражение и др. Выполняемые унитарными О. преобразования (унитарные преобразования) играют в квантовой механике такую же роль, какую в классической механике играют канонические преобразования (см. Механики уравнения канонические).

В квантовой механике применяется также О. комплексного сопряжения, не являющийся линейным. Произведение такого О. на унитарный О. называются антиунитарным О. Антиунитарные О. описывают преобразование обращения времени (См. Обращение времени) и некоторые др.

В теории квантовых систем, состоящих из тождественных частиц, широко применяется метод квантования вторичного (См. Квантование вторичное), в котором рассматриваются состояния с неопределённым или переменным числом частиц и вводятся О., действие которых на вектор состояния с данным числом частиц приводит к вектору состояния с измененным на единицу числом частиц (О. рождения и поглощения частиц). О. рождения или поглощения частицы в данной точке х, (х) формально подобен волновой функции ψ(х), как q- и с-числа, отвечающие одной и той же физической величине соответственно в квантовой и классической механике. Такие О. образуют квантованные поля, играющие фундаментальную роль в релятивистских квантовых теориях (квантовой электродинамике, теории элементарных частиц; см. Квантовая теория поля).

Лит. см. при статьях Квантовая механика, Квантовая теория поля.

В. Б. Берестецкий.