算符 :使问题发生状态变化的手段

更新时间:2023-11-09 11:08

算符,是指使问题从一种状态变化为另一种状态的手段称为操作符或算符。

算符

:使问题从一种状态变化为另一种状态的手段称为操作符或算符。操作符可为走步、过程、规则、数学映射运算符号或逻辑符号等。

在物理学里,算符是一个函数,作用於物理系统的物理态 (physical state),使这个物理态变换为另外一个物理态。算符可以应用於经典力学的对称性的研究,是一个非常有用的工具。在量子力学里,算符概念也是理论表述不可缺少的一部分。

对于量子力学,我们关心的物质世界,为了方便量化,可以简单的称之为“系统”。也就是说需要了解和改变的对象,是系统。那么如何描述一个系统呢,在这里,就引入了“态”的概念。系统的态,从字面上,就是系统所处的状态。严格上说,“态”就是包含了对于一个系统,我们所有“有可能”了解的信息的总和。在这个抽象定义的基础上,为了描绘“态”,引入了“态函数”,用一个函数来代表一个态,到这里就可以将问题数学化和具体化了。

对于系统的这个态,也就是对于物质的状态,我们可以做哪些呢?无非就是了解(也就是测量),和干涉(也就是改变)。量子力学里面,了解的过程和干涉的过程其实是同步而不能分割的,这也从某种意义上提供了方便---为了描绘我们如何对系统的态进行了解,或进行改变,我们只需引入一种数学形式就可以了。

这种数学形式,就被称作“算符”。也就是说算符是测量/改变的数学形式。那么这种数学形式就一定是作用在同样是数学形式的态函数上。

对于不同的系统,和不同的系统所可能具备的不同状态,我们就引入不同的态函数来描绘。同理,对于不同类型的改变,干涉,测量,我们就引入不同类型的算符。

所以,当一个操作(测量,改变)被施加在一个系统上,数学上一个算符就作用在了一个态函数上。毫无疑问,我们希望从这种操作中了解我们究竟如何改变了系统,或者我们希望从测量里得到希望的系统参数。这时,我们可以观察数学化以后的算符作用在态函数上得到了什么-----得到的是一个新的态函数-----这个新的态函数自然也就代表了我们改变之后的那个系统。

特别的,对于所有“测量”类操作,我们能够得到来自系统的反馈。这种反馈也就是测量的结果。并非所有操作都能得到可以观测的结果,而这类能得到可观结果的操作--也就是测量,其代表的算符也必然具备某种共性,这种共性被成为厄米性,这类算符被称为厄米算符。这类算符作用在态函数上,可以得到态函数本征函数的本征值--------本征值也就是测量的结果。举例来说,动量算符作用于态函数,就得到系统的动量。

再谈一点关于具体的数学化过程----------在埃尔温·薛定谔表示下(一种数学化的方法),态函数的样子就是一个正常的连续函数。相对的,算符自然就是可以对函数进行操作的数学符号了---它可以包含导数,积分,加减乘除,取绝对值等等等等。

而在保罗·狄拉克表示下(另一种数学化的方法),态函数的样子是狄拉克括号,这里就会引入一套新的针对算符的数学化的方法。

Paoli表示下,系统被数学化为向量,向量化的态函数对应的算符又是什么呢?可以想见,就是可以对向量进行操作的矩阵。所以paoli表示中算符称为了矩阵。

数学中的算符

如导数算符,微分算符等等

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