Измерение физических величин в квантовых системах - 13 стр.

UptoLike

2
xy
222 22
22
2
22 2
2
2
2
z
ˆˆ
[L ,L ] y z z x z x y z
zyxz xz zy
yyz yx z zx zy
xzxz yxyzxz
zxyxxz
xy z y zy
ˆ
yx iL.
xy



 
  
 
∂∂ ∂∂
∂∂ ∂∂ ∂∂ ∂∂
∂∂ ∂∂



=− =
=− ==− =
=− =



 
  
 



∂∂ ∂∂
∂∂ ∂∂∂∂ ∂∂
∂∂ ∂∂



 
  
 



∂∂
∂∂ ∂∂
∂∂
=− + + +
=− + + +=− + + +
=− + + +
∂∂
∂∂ ∂∂
∂∂
∂∂
∂∂∂∂
∂∂
++ =
++ =++ =
++ =
∂∂
∂∂ ∂∂
∂∂



∂∂
∂∂∂∂
∂∂
=− =
=− ==− =
=− =



∂∂
∂∂∂∂
∂∂



!
!
!!
Точно так же можно получить коммутационные соотношения для других пар
операторов проекций момента импульса:
yz x zx y
ˆˆ ˆ ˆˆ ˆ
[L ,L ] i L , [L ,L ] i L .
==
====
==
!!
Отсюда следует вывод: три проекции момента импульса
xyz
L,L,L
не могут быть
одновременно точно измерены.
Задача 8. Докажите, что оператор квадрата момента импульса
2
ˆ
L
коммутирует с
операторами
xy
ˆˆ
L,L
и
z
ˆ
L
.
Решение. По определению оператора
2
ˆ
L
,
2222
xyz
ˆˆˆˆ
LLLL.
=++
=++=++
=++
Следовательно,
2222
xxxyxzx
ˆˆ ˆˆ ˆˆ ˆˆ
[L ,L ] [L ,L ] [L ,L ] [L ,L ].
=++
=++=++
=++
(3.8)
Для первого слагаемого в (3.8) находим
22233
x x xx xx x x
ˆ ˆ ˆˆ ˆˆ ˆ ˆ
[L ,L ] L L L L L L 0.
= =−=
= =−== =−=
= =−=
Второе и третье слагаемые в (3.8) преобразуем, воспользовавшись
коммутационными соотношениями, полученными в задаче 7:
y
xzzx
y
ˆˆ ˆ ˆˆ ˆ
[L ,L ] i L ,[L ,L ] i L .
=− =
=− ==− =
=− =
!!
С учетом этих соотношений
222
y x yx xy yyx yxy yxy xyy
yyx yxy yz zy
222
z x zx xz zzx zxz zxz xzz
zzx z
ˆ ˆ ˆˆ ˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ
[L,L ] LL LL LLL LLL LLL LLL
ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆ ˆˆ
L[L,L] [L,L]L i(LL LL),
ˆ ˆ ˆˆ ˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ ˆˆˆ
[L,L ] LL LL LLL LLL LLL LLL
ˆˆˆ ˆˆ
L[L,L ] [L,
=−= + =
=−= + ==−= + =
=−= + =
=+=+
=+=+=+=+
=+=+
=−= + =
=−= + ==−= + =
=−= + =
=+
=+=+
=+
!
xz zy yz
ˆˆˆˆˆ
L]L i(LL LL).
=+
=+=+
=+
!
Подставляя полученные выражения в (3.8), получаем
2
x
ˆˆ
[L ,L ] 0,
=
==
=
т. е. оператор
2
ˆ
L
коммутирует с оператором
x
ˆ
L
.
Аналогично доказывается коммутативность оператора
2
ˆ
L
с операторами
y
ˆ
L
и
z
ˆ
L
.
Таким образом, мы доказали, что квадрат момента импульса может быть
одновременно точно измерен только с одной из его проекций.
                                ∂     ∂  ∂       ∂   ∂      ∂  ∂       ∂ 
       [ Lˆ x , Lˆ y ] = − ! 2   y − z   z    − x −z     − x  y     − z  =
                                 ∂z   ∂y   ∂x    ∂z   ∂x    ∂z   ∂z    ∂y  
             ∂          ∂2         ∂2        ∂2        ∂2         ∂2
      = −!  y
           2
                   + yz       − yx 2 − z   2
                                                  + zx       − zy       +
             ∂x        ∂z ∂x      ∂z        ∂y∂x      ∂y ∂z      ∂x ∂z
           ∂2        ∂2       ∂        ∂2 
      +z2       + xy 2 − x       − xz       =
          ∂x ∂y      ∂z       ∂y      ∂z ∂y 
             ∂     ∂        ˆ
      = −!2  y  −x     = i !Lz .
             ∂x    ∂y 
Точно так же можно получить коммутационные соотношения для других пар
операторов проекций момента импульса:
                                          [ Lˆ y , Lˆ z ] = i !Lˆ x , [ Lˆ z , Lˆ x ] = i !Lˆ y .
Отсюда следует вывод: три проекции момента импульса Lx , Ly , Lz не могут быть
одновременно точно измерены.

Задача 8. Докажите, что оператор квадрата момента импульса L̂2 коммутирует с
операторами Lˆ x , Lˆ y и L̂z .
Решение. По определению оператора L̂2 ,
                                                         Lˆ 2 = Lˆ 2x + Lˆ 2y + Lˆ 2z .
Следовательно,
                                      ˆ2 , L
                                     [L    ˆ ] = [L
                                                  ˆ 2 , Lˆ ] + [ L
                                                                 ˆ 2 , Lˆ ] + [ L
                                                                                ˆ 2 , Lˆ ].                                        (3.8)
                                            x       x     x        y     x        z     x

Для первого слагаемого в (3.8) находим
                                       [ Lˆ 2x , Lˆ x ] = L
                                                          ˆ 2 Lˆ − L
                                                            x x
                                                                   ˆ Lˆ 2 = Lˆ 3 − L
                                                                    x x        x
                                                                                   ˆ 3 = 0.
                                                                                     x

Второе и третье слагаемые в (3.8) преобразуем,                                                                         воспользовавшись
коммутационными соотношениями, полученными в задаче 7:
                                           [ Lˆ y , Lˆ x ] = − i !L
                                                                  ˆ , [ Lˆ , L
                                                                   z      z
                                                                             ˆ ] = i !Lˆ .
                                                                              x         y

С учетом этих соотношений
               [ Lˆ 2y , Lˆ x ] = Lˆ 2y Lˆ x − Lˆ x Lˆ 2y = Lˆ y Lˆ y Lˆ x − Lˆ y Lˆ x Lˆ y + Lˆ y Lˆ x Lˆ y − Lˆ x Lˆ y Lˆ y =
               = Lˆ y [ Lˆ y , Lˆ x ] + [ Lˆ y , Lˆ x ] Lˆ y = − i !( Lˆ y Lˆ z + Lˆ z Lˆ y ),
               [ Lˆ 2z , Lˆ x ] = Lˆ 2z Lˆ x − Lˆ x Lˆ 2z = Lˆ z Lˆ z Lˆ x − Lˆ z Lˆ x Lˆ z + Lˆ z Lˆ x Lˆ z − Lˆ x Lˆ z Lˆ 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
                                                                 ˆ2 , L
                                                                [L    ˆ ] = 0,
                                                                       x

т. е. оператор L̂2 коммутирует с оператором L̂x .
Аналогично доказывается коммутативность оператора L̂2 с операторами L̂y и L̂z .
Таким образом, мы доказали, что квадрат момента импульса может быть
одновременно точно измерен только с одной из его проекций.