Постулаты квантовой механики и описание динамических переменных с помощью операторов

Во всех формулах буква Y - это буква Y.

Постулат №1.

Состояние частицы (или системы частиц) задано, если известна волновая функция Y(q)

В квантовой механике состояние всей системы может быть описано функцией координат Y(q), квадрат модуля которой определяет распределение вероятностей значений координат:

½Y(q)½²dq

- есть вероятность того, что произведенное над системой измерение обнаружит значение координат в элементе объема dq. Функцию Y(q) называют волновой функцией системы. Волновая функция обязана удовлетворять ряду требований:

а) Она должна быть непрерывной.

б) Она должна быть однозначной.

в) Она должна быть интегрируема с квадратом, т.е. интеграл ò½Y(q)½²dq должен существовать.

г) Она должна быть нормированной, т.е. этот интеграл должен быть равен 1.

Физический смысл последнего утверждения довольно прост и прозрачен: сумма вероятностей всех возможных значений координат равна единице, так как обнаружение объекта в любой точке пространства - есть событие достоверное.

Следует также отметить, что волновая функция системы может быть комплексной, и она определена лишь с точностью до фазового множителя exp(ia), где a - вещественное число. Эта неопределенность не может быть устранена, однако она несущественна и не отражается на физических результатах.

Постулат №2.

Волновые функции подчиняются принципу суперпозиции: если в состоянии с волновой функцией Y₁(q) некоторое измерение приводит к результату Х₁, а в состоянииY₂(q) - к результату Х₂, то всякая функция вида Y=с₁Y₁(q)+с₂Y₂(q)

описывает такое состояние, в котором измерение дает либо результат Х₁, либо Х₂.

Постулат №3.

Всякой физической величине L в квантовой механике сопоставлен линейный самосопряженный оператор. Единственно возможными величинами, которые может иметь эта физическая величина, являются собственные значения l операторного уравнения LY=lY

Постулат №4.

Возможная волновая функция состояния системы Y получается при решении дифференциального уравнения ih·dY/dt=HY, где H - оператор Гамильтона, а уравнение называется уравнением Шредингера.

Постулат №5.

Если произвести многократные измерения какой-либо динамической переменной l системы, находящейся в состоянии Y, то на основании результатов этих измерений можно определить ее среднюю величину. Эта средняя величина вычисляется по формуле:

l=òY^*LYdq/òY^*Ydq

Условие одновременной измеримости различных динамических переменных:

Необходимым и достаточным условием этого является коммутативность соответствующих операторов, то есть коммутатор этих операторов должен быть равен нулю. Например, коммутатор операторов и :

16)Соотношение неопределённостей Гейзенберга:

В 1927 г. В.Гейзенберг открыл так называемые соотношения неопределенностей, в соответствии с которыми неопределенности координаты и импульса связаны между собой соотношением:
, где , h постоянная Планка.
Своеобразие описания микромира в том, что произведение неопределенности (точности определения) положения Δx и неопределенности (точности определения) импульса Δp_x всегда должно быть равно или больше константы, равной – . Из этого следует, что уменьшение одной из этих величин должно приводить к увеличению другой. Хорошо известно, что любое измерение сопряжено с определенными ошибками и совершенствуя приборы измерения, можно уменьшать погрешности, т. е. повышать точность измерения. Но Гейзенберг показал, что существуют сопряженные (дополнительные) характеристики микрочастицы, точное одновременное измерение которых, принципиально невозможно. Т.е. неопределенность – свойство самого состояния, оно не связано с точностью прибора.

Для других сопряженных величин – энергии E и времени t соотношения неопределенностей, имеет вид:
.
Это означает, что при характерном времени эволюции системы Δ t, погрешность определения ее энергии не может быть меньше чем . Из этого соотношения следует возможность возникновения из ничего, так называемых, виртуальных частиц на промежуток времени меньший, чем и обладающих энергией Δ E. При этом закон сохранения энергии не будет нарушен. Поэтому по современным представлениям вакуум это не пустота, в которой отсутствуют поля и частицы, а физическая сущность, в которой постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы. Одним из основных принципов квантовой механики является принцип неопределенностей, открытый Гейзенбергом. Получение информации об одних величинах, описывающих микрообъект, неизбежно ведет к уменьшению информации о других величинах, дополнительных к первым. Приборы, регистрирующие величины, связанные соотношениями неопределенности, разного типа, они дополнительны друг к другу. Под измерением в квантовой механике подразумевается всякий процесс взаимодействия между классическим и квантовыми объектами, происходящий помимо и независимо от какого-либо наблюдателя. Если в классической физике измерение не возмущало сам объект, то в квантовой механике каждое измерение разрушает объект, уничтожая его волновую функцию. Для нового измерения объект нужно готовить заново.