UA OPTI570 量子力学16 含时的哈密顿量与时间演化算符

这一讲讨论随时间变化的哈密顿量决定的量子系统时间演化算符的推导。考虑哈密顿量 H ^ ( t ) \hat H(t) H^(t),


引理1 ∀ t ≠ t ′ \forall t \ne t' ∀t​=t′, [ H ^ ( t ) , H ^ ( t ′ ) ] ≠ 0 [\hat H(t),\hat H(t')] \ne 0 [H^(t),H^(t′)]​=0,则 [ H ^ ( t ) , ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ ] ≠ 0 [\hat H(t),\int_{t_0}^t \hat H(t')dt'] \ne 0 [H^(t),∫t0​t​H^(t′)dt′]​=0

证明 直接计算
[ H ^ ( t ) , ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ ] = H ^ ( t ) ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ − ( ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ ) H ^ ( t ) = ∫ t 0 t H ^ ( t ) H ^ ( t ′ ) d t ′ − ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) H ^ ( t ) d t ′ = ∫ t 0 t ( H ^ ( t ) H ^ ( t ′ ) − H ^ ( t ′ ) H ^ ( t ) ) d t ′ = ∫ t 0 t [ H ^ ( t ) , H ^ ( t ′ ) ] d t ′ \begin{aligned}[\hat H(t),\int_{t_0}^t \hat H(t')dt'] & = \hat H(t) \int_{t_0}^t \hat H(t')dt' - \left( \int_{t_0}^t \hat H(t')dt' \right) \hat H(t) \\ & = \int_{t_0}^t \hat H(t)\hat H(t')dt' - \int_{t_0}^t \hat H(t')\hat H(t) dt' \\ & = \int_{t_0}^t \left( \hat H(t)\hat H(t') - \hat H(t')\hat H(t) \right)dt' \\ & = \int_{t_0}^t [\hat H(t),\hat H(t')]dt' \end{aligned} [H^(t),∫t0​t​H^(t′)dt′]​=H^(t)∫t0​t​H^(t′)dt′−(∫t0​t​H^(t′)dt′)H^(t)=∫t0​t​H^(t)H^(t′)dt′−∫t0​t​H^(t′)H^(t)dt′=∫t0​t​(H^(t)H^(t′)−H^(t′)H^(t))dt′=∫t0​t​[H^(t),H^(t′)]dt′​

∀ t ≠ t ′ \forall t \ne t' ∀t​=t′, [ H ^ ( t ) , H ^ ( t ′ ) ] ≠ 0 [\hat H(t),\hat H(t')] \ne 0 [H^(t),H^(t′)]​=0则上述积分非零,所以
[ H ^ ( t ) , ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ ] ≠ 0 [\hat H(t),\int_{t_0}^t \hat H(t')dt'] \ne 0 [H^(t),∫t0​t​H^(t′)dt′]​=0


引理2 构造一个新的算符
F ^ ( t ) = − i ℏ ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ \hat F(t)=-\frac{i}{\hbar}\int_{t_0}^t \hat H(t')dt' F^(t)=−ℏi​∫t0​t​H^(t′)dt′

它满足
[ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] = − 1 ℏ 2 [ ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ , H ^ ( t ) ] = 1 ℏ 2 [ H ^ ( t ) , ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ ] [\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)]=-\frac{1}{\hbar^2}[\int_{t_0}^t \hat H(t')dt',\hat H(t)]=\frac{1}{\hbar^2}[\hat H(t),\int_{t_0}^t \hat H(t')dt'] [F^(t),dtd​F^(t)]=−ℏ21​[∫t0​t​H^(t′)dt′,H^(t)]=ℏ21​[H^(t),∫t0​t​H^(t′)dt′]

并且
[ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] ≠ 0 ⇒ d d t e F ^ ( t ) ≠ d d t F ^ ( t ) e F ^ ( t ) [ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] = 0 ⇒ d d t e F ^ ( t ) = d d t F ^ ( t ) e F ^ ( t ) [\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)] \ne 0 \Rightarrow \frac{d}{dt}e^{\hat F(t)} \ne \frac{d}{dt} \hat F(t)e^{\hat F(t)} \\ [\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)] = 0 \Rightarrow \frac{d}{dt}e^{\hat F(t)} = \frac{d}{dt} \hat F(t)e^{\hat F(t)} [F^(t),dtd​F^(t)]​=0⇒dtd​eF^(t)​=dtd​F^(t)eF^(t)[F^(t),dtd​F^(t)]=0⇒dtd​eF^(t)=dtd​F^(t)eF^(t)

证明 用对含参变量的积分求导的结论,
d d t F ^ ( t ) = − i ℏ H ^ ( t ) \frac{d}{dt} \hat F(t) = -\frac{i}{\hbar} \hat H(t) dtd​F^(t)=−ℏi​H^(t)

于是直接计算
[ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] = [ F ^ ( t ) , − i ℏ H ^ ( t ) ] = [ − i ℏ ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ , − i ℏ H ^ ( t ) ] = − 1 ℏ 2 [ ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ , H ^ ( t ) ] = 1 ℏ 2 [ H ^ ( t ) , ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ ] \begin{aligned} [\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)]& =[\hat F(t), -\frac{i}{\hbar} \hat H(t)] \\ & = [-\frac{i}{\hbar}\int_{t_0}^t \hat H(t')dt',-\frac{i}{\hbar} \hat H(t)] \\ & = -\frac{1}{\hbar^2}[\int_{t_0}^t \hat H(t')dt',\hat H(t)] \\ & =\frac{1}{\hbar^2}[\hat H(t),\int_{t_0}^t \hat H(t')dt']\end{aligned} [F^(t),dtd​F^(t)]​=[F^(t),−ℏi​H^(t)]=[−ℏi​∫t0​t​H^(t′)dt′,−ℏi​H^(t)]=−ℏ21​[∫t0​t​H^(t′)dt′,H^(t)]=ℏ21​[H^(t),∫t0​t​H^(t′)dt′]​

最后一个等号是对易子的性质。

接下来计算
d d t e F ^ ( t ) = d d t ∑ n = 0 + ∞ 1 n ! F ^ n ( t ) \begin{aligned} \frac{d}{dt} e^{\hat F(t)} = \frac{d}{dt} \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{1}{n!} \hat F^n(t) \end{aligned} dtd​eF^(t)=dtd​n=0∑+∞​n!1​F^n(t)​

第0项为 d d t F ^ ( t ) \frac{d}{dt} \hat F(t) dtd​F^(t);第1项为
1 2 ( d F ^ ( t ) d t F ^ ( t ) + F ^ ( t ) d F ^ ( t ) d t ) = 1 2 ( 2 d F ^ ( t ) d t F ^ ( t ) + [ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] ) \frac{1}{2} \left( \frac{d \hat F(t)}{dt} \hat F(t)+\hat F(t)\frac{d \hat F(t)}{dt} \right) = \frac{1}{2} \left( 2 \frac{d \hat F(t)}{dt} \hat F(t)+[\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)] \right) 21​(dtdF^(t)​F^(t)+F^(t)dtdF^(t)​)=21​(2dtdF^(t)​F^(t)+[F^(t),dtd​F^(t)])

如果 [ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] = 0 [\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)]=0 [F^(t),dtd​F^(t)]=0,则它等于 d F ^ ( t ) d t F ^ ( t ) \frac{d \hat F(t)}{dt} \hat F(t) dtdF^(t)​F^(t);以此类推,可以验证如果 [ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] = 0 [\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)]=0 [F^(t),dtd​F^(t)]=0,则第 n n n项等于 1 n ! d F ^ ( t ) d t F ^ n ( t ) \frac{1}{n!} \frac{d \hat F(t)}{dt} \hat F^n(t) n!1​dtdF^(t)​F^n(t);而根据 [ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] [\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)] [F^(t),dtd​F^(t)]的表达式与引理1, [ F ^ ( t ) , d d t F ^ ( t ) ] = 0 [\hat F(t),\frac{d}{dt} \hat F(t)]=0 [F^(t),dtd​F^(t)]=0等价于 ∀ t ≠ t ′ \forall t \ne t' ∀t​=t′, [ H ^ ( t ) , H ^ ( t ′ ) ] = 0 [\hat H(t),\hat H(t')] = 0 [H^(t),H^(t′)]=0。


薛定谔时间演化算符的公式 假设 [ H ^ ( t ) , H ^ ( t ′ ) ] = 0 , ∀ t ′ , t [\hat H(t),\hat H(t')]=0,\forall t',t [H^(t),H^(t′)]=0,∀t′,t(在这个条件下可以得到时间演化算符的解析式,如果这个条件不满足,就需要解薛定谔方程了),记 U ^ ( t 0 , t ) \hat U(t_0,t) U^(t0​,t)为时间演化算符,它满足
∣ ψ ( t ) ⟩ = U ^ ( t , t 0 ) ∣ ψ ( t 0 ) ⟩ |\psi(t) \rangle = \hat U(t,t_0)|\psi(t_0) \rangle ∣ψ(t)⟩=U^(t,t0​)∣ψ(t0​)⟩

薛定谔方程为
i ℏ d d t ∣ ψ ( t ) ⟩ = H ^ ( t ) ∣ ψ ( t ) ⟩ i\hbar \frac{d}{dt}|\psi(t) \rangle = \hat H(t) |\psi(t) \rangle iℏdtd​∣ψ(t)⟩=H^(t)∣ψ(t)⟩

代入 ∣ ψ ( t ) ⟩ |\psi(t) \rangle ∣ψ(t)⟩用时间演化算符的表示,
i ℏ d d t U ^ ( t , t 0 ) = H ^ ( t ) U ^ ( t , t 0 ) i\hbar \frac{d}{dt}\hat U(t,t_0) = \hat H(t) \hat U(t,t_0) iℏdtd​U^(t,t0​)=H^(t)U^(t,t0​)

由此可以解出时间演化算符的公式为
U ^ ( t , t 0 ) = exp ⁡ ( − i ℏ ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ ) \hat U(t,t_0) = \exp \left( - \frac{i}{\hbar} \int_{t_0}^t \hat H(t')dt' \right) U^(t,t0​)=exp(−ℏi​∫t0​t​H^(t′)dt′)

证明 要验证 U ^ ( t , t 0 ) \hat U(t,t_0) U^(t,t0​)满足薛定谔方程只需要将其代入验证即可,对于
U ^ ( t , t 0 ) = exp ⁡ ( − i ℏ ∫ t 0 t H ^ ( t ′ ) d t ′ ) = e F ^ ( t ) \hat U(t,t_0) = \exp \left( - \frac{i}{\hbar} \int_{t_0}^t \hat H(t')dt' \right)=e^{\hat F(t)} U^(t,t0​)=exp(−ℏi​∫t0​t​H^(t′)dt′)=eF^(t)

计算
i ℏ d d t U ^ ( t , t 0 ) = i ℏ d d t e F ^ ( t ) = i ℏ d d t F ^ ( t ) e F ^ ( t ) i\hbar \frac{d}{dt}\hat U(t,t_0) = i\hbar \frac{d}{dt}e^{\hat F(t)} = i\hbar \frac{d}{dt} \hat F(t)e^{\hat F(t)} iℏdtd​U^(t,t0​)=iℏdtd​eF^(t)=iℏdtd​F^(t)eF^(t)

在引理2的证明中,我们得到了
d d t F ^ ( t ) = − i ℏ H ^ ( t ) \frac{d}{dt} \hat F(t) = -\frac{i}{\hbar} \hat H(t) dtd​F^(t)=−ℏi​H^(t)

所以
i ℏ d d t F ^ ( t ) e F ^ ( t ) = H ^ ( t ) e F ^ ( t ) = H ^ ( t ) U ^ ( t , t 0 ) i\hbar \frac{d}{dt} \hat F(t)e^{\hat F(t)} = \hat H(t)e^{\hat F(t)} = \hat H(t) \hat U(t,t_0) iℏdtd​F^(t)eF^(t)=H^(t)eF^(t)=H^(t)U^(t,t0​)

UA OPTI570 量子力学16 含时的哈密顿量与时间演化算符相关推荐

  1. UA OPTI570 量子力学4 带不含时的标量势的粒子的薛定谔方程

    UA OPTI570 量子力学4 带不含时的标量势的粒子的薛定谔方程 分离变量法 稳定态 之前提到波函数的形式由Schroedinger方程给出:iℏ∂∂tψ(r,t)=−ℏ22mΔψ(r,t)+V( ...

  2. UA OPTI570 量子力学31 氢原子Fine Structure简介

    UA OPTI570 量子力学31 氢原子Fine Structure简介 氢原子的哈密顿量 氢原子Fine Structure的解 氢原子的Hyperfine Structure简介 氢原子的哈密顿 ...

  3. UA OPTI570 量子力学33 Time-dependent Perturbation基础

    UA OPTI570 量子力学33 Time-dependent Perturbation基础 背景 上一讲介绍interaction picture时提到了time-dependent pertur ...

  4. UA OPTI570 量子力学30 Degenerate Stationary Perturbation Theory简介

    UA OPTI570 量子力学30 Degenerate Stationary Perturbation Theory简介 回顾:Nondegenerate Stationary Perturbati ...

  5. UA OPTI570 量子力学29 摄动理论简介

    UA OPTI570 量子力学29 摄动理论简介 这一篇介绍一些简单的perturbation theory基础,摄动理论(perturbation theory)的思想是用微扰方法将复杂的量子系统用 ...

  6. UA OPTI570 量子力学25 2-level System

    UA OPTI570 量子力学25 2-level System 2-level System与Rabi oscillation 2-level System与Rabi oscillation Spi ...

  7. UA OPTI570 量子力学24 Spin-1/2

    UA OPTI570 量子力学24 Spin-1/2 Pauli Spin Matrix Bloch Sphere Time-evolution of Bloch Vector Pauli Spin ...

  8. UA OPTI570 量子力学 Quasi-classical states与Displacement Operator

    UA OPTI570 量子力学 Quasi-classical states与Displacement Operator 在经典谐振子中引入Displacement参数 Displacement Op ...

  9. UA OPTI570 量子力学20 量子谐振子模型中量子态的相干性

    UA OPTI570 量子力学20 量子谐振子模型中量子态的相干性 正交性 相干态的时间演化规律 Displacement Operator 前三讲建立了一维量子谐振子模型,它的Hamiltonian ...

最新文章

  1. 自动驾驶解决方案架构
  2. 心得丨8个深度学习方面的最佳实践
  3. 1033 To Fill or Not to Fill (25 分)【难度: 难 / 知识点: 模拟 贪心】
  4. 记录 之 不同的Normalization方式
  5. tkinter中鼠标与键盘事件
  6. python常用正则表达式_Python3常用正则表达式
  7. 谷歌承诺未来三年将支付10亿美元新闻费用
  8. Unity中Json文件编写注意
  9. xhprof 性能分析工具
  10. 360html5播放加速,总结:没有讨论加速问题,“视频快速观看”完全支持360种浏览器...
  11. 泰凌TLSR8266 BLE灯控 智能家居模块
  12. 本地文件上传到github
  13. 七种常见的电子邮件安全协议简析
  14. Zabbix 服务器修改时区时间
  15. 三菱fx5u modbus tcp fb块用法_一文教会你,如何掌握三菱FX5U PLC基础知识
  16. 解决video标签在部分安卓默认浏览器上的播放样式问题
  17. 浅谈网页设计的形式美法则
  18. 学生管理系统(JSP+Servlet+MySQL)
  19. 【345期】SpringCloud Gateway API 接口安全设计(加密 、签名)
  20. okhttp3 Response.body().toString()

热门文章

  1. 2022-2028年中国珠宝电子商务行业市场需求分析及投资方向研究报告
  2. vivado时序违例相关
  3. 唠唠SE的集合-01——Collection接口
  4. maven自定义archetype
  5. Datawhale二手车预测Task
  6. halcon学习拓展系列—《halcon精髓之坐标系仿射篇》
  7. 银内胆保温杯的功效和作用
  8. Matlab中plot画图线型、标记和颜色
  9. c#12星座速配代码_程序员12星座性格分析,猜猜哪个星座最适合IT行业?
  10. 九月读后感《从小工到专家》