Измерение физических величин в квантовых системах. Мартинсон Л.К - 22 стр.

UptoLike

22
[
]
[][]
()
,
ˆˆˆˆˆˆ
,
ˆˆ
,
ˆˆ
ˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆ
,
ˆ
222
yzzyyxyxyy
yyxyxyyxyxyyyxxyxy
LLLLiLLLLLL
LLLLLLLLLLLLLLLLLL
+=+=
=+==
!
[
]
[][]
()
.
ˆˆˆˆˆˆ
,
ˆˆ
,
ˆˆ
ˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆ
,
ˆ
222
zyyzzxzxzz
zzxzxzzxzxzzzxxzxz
LLLLiLLLLLL
LLLLLLLLLLLLLLLLLL
+=+=
=+==
!
Подставляя полученные выражения в (3.8), получаем
[
]
0
ˆ
,
ˆ
2
=
x
LL
то есть оператор
2
ˆ
L
коммутирует с оператором
x
L
ˆ
.
Аналогично доказывается коммутативность оператора
2
ˆ
L
с оператора-
ми
y
L
ˆ
и
z
L
ˆ
.
Вывод: квадрат момента импульса может быть одновременно точно измерен
только с одной из его проекций.
Задача 9.
Докажите, что оператор квадрата импульса
2
ˆ
p
коммутирует
с оператором квадрата момента импульса
2
ˆ
L
.
Решение. В сферической системе координат
.
ˆ
1
ˆ
,
22
,
2
222
ϕθ
ϕθ
=
+==
!
!!
L
r
p
r
Поэтому
[]
[][]
+=
ϕθϕθϕθ
,,
2
,
422
,
1
,
ˆ
,
ˆ
r
Lp
r
!
.
В этом выражении коммутатор
[]
∆∆
θϕ θϕ θϕ θϕ
,, , ,
,
=−=
22
0
.
Также равен нулю и коммутатор
[]
∆∆
rr r
,
,,,
θϕ θϕ θϕ
=−=
0
, так как опе-
раторы
r
и
θ
,
ϕ
содержат дифференциальные операции по разным перемен-
ным, и результат их последовательного действия на волновую функцию не
зависит от порядка их следования. Тем самым мы доказали, что
[
]
0
ˆ
,
ˆ
22
=
Lp
.
Равенство нулю этого коммутатора означает, что квадрат импульса и квадрат
момента импульса могут быть измерены одновременно точно.
                 [Lˆ , Lˆ ]= Lˆ Lˆ − Lˆ Lˆ = Lˆ Lˆ Lˆ − Lˆ Lˆ Lˆ + Lˆ Lˆ Lˆ − Lˆ Lˆ Lˆ =
                   2
                   y               x
                                                   2
                                                   y       x            x
                                                                                2
                                                                                y               y        y   x               y   x       y            y   x    y   x       y       y

                 = Lˆ [Lˆ , Lˆ ]+ [Lˆ , Lˆ ]Lˆ = −i!(Lˆ Lˆ + Lˆ Lˆ ),
                           y           y       x                   y        x           y                        y       z           z       y


                   [Lˆ , Lˆ ]= Lˆ Lˆ − Lˆ Lˆ = Lˆ Lˆ Lˆ − Lˆ Lˆ Lˆ + Lˆ Lˆ Lˆ − Lˆ Lˆ Lˆ =
                       2
                       z               x
                                                       2
                                                       z       x            x
                                                                                    2
                                                                                    z            z       z   x               z   x       z           z    x   z    x   z       z

                   = Lˆ [Lˆ , Lˆ ]+ [Lˆ , Lˆ ]Lˆ = i!(Lˆ Lˆ + Lˆ Lˆ ).
                               z           z       x                z           x       z                    z       y           y       z


Подставляя полученные выражения в (3.8), получаем
                                                                                                [Lˆ , Lˆ ] = 0
                                                                                                         2
                                                                                                                 x


то есть оператор L̂2 коммутирует с оператором L̂x .

       Аналогично доказывается коммутативность оператора L̂2 с оператора-
ми L̂y и L̂z .

Вывод: квадрат момента импульса может быть одновременно точно измерен
только с одной из его проекций.
       Задача 9. Докажите, что оператор квадрата импульса p̂ 2 коммутирует
с оператором квадрата момента импульса L̂2 .
       Решение. В сферической системе координат
                                                                                                  1       
                                                                    pˆ 2 = − ! 2 ∆ = − ! 2  ∆ r + 2 ∆θ ,ϕ 
                                                                                                 r        
                                                                   Lˆ = − ! ∆ .
                                                                      2       2
                                                                                                θ ,ϕ


Поэтому

                                                   [pˆ , Lˆ ] = ! [∆ , ∆ ]+ r1 [∆
                                                           2        2                   4
                                                                                                     r       θ ,ϕ                2           θ ,ϕ   , ∆θ ,ϕ ] .
                                                                                                                                                             
                                                                                                                                                            

В этом выражении коммутатор ∆ θ,ϕ , ∆ θ,ϕ = ∆2θ,ϕ − ∆2θ,ϕ = 0 .                         [                                    ]
Также равен нулю и коммутатор ∆ r , ∆ θ,ϕ                                                   [                                 ]=∆ ∆           r      θ ,ϕ     − ∆ θ,ϕ ∆ r = 0 , так как опе-

раторы ∆r и ∆θ,ϕ содержат дифференциальные операции по разным перемен-
ным, и результат их последовательного действия на волновую функцию не
зависит от порядка их следования. Тем самым мы доказали, что [pˆ 2 , Lˆ2 ] = 0 .
Равенство нулю этого коммутатора означает, что квадрат импульса и квадрат
момента импульса могут быть измерены одновременно точно.
22