自旋

自旋的发现

实验中测得 S^z\hat{S}_z 的本征值为 /2\hbar/2/2-\hbar/2,对应的本征态分别为 \ket{\uparrow}\ket{\downarrow}。使用投影算符可得任意方向 α\alpha 上的自旋算符为

S^α=2(αααα)\hat{S}_\alpha=\frac{\hbar}{2}\left(\ket{\uparrow}_{\alpha\alpha}\bra{\uparrow}-\ket{\downarrow}_{\alpha\alpha}\bra{\downarrow}\right)

利用如下所示的 Stern-Gerlach 实验装置,我们可以知道,不能同时测量 S^x\hat{S}_xS^z\hat{S}_z,因为测量 S^x\hat{S}_x 会使得 S^z\hat{S}_z 的值变得不确定,反之亦然。这就是 S^x\hat{S}_xS^z\hat{S}_z 之间的不对易性。

S-G实验不对易性

复数的出现

在物理中我们认为 S^z\hat{S}_z 是一个可观测量,因此任意态都可以使用\ket{\uparrow}\ket{\downarrow} 线性展开。又由于 \ket{\uparrow}\ket{\downarrow} 是等概率的,那么我们需要引入一个相因子去表示不同的概率幅。因此我们可以将 x\ket{\uparrow}_xx\ket{\downarrow}_x 表示为

{x=12(+eiβ)x=12(eiβ)\begin{align*} \begin{cases} \quad \ket{\uparrow}_x&=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{\uparrow}+e^{i\beta}\ket{\downarrow}\right)\\ \quad \ket{\downarrow}_x&=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{\uparrow}-e^{i\beta}\ket{\downarrow}\right) \end{cases} \end{align*}

同理可得 y\ket{\uparrow}_yy\ket{\downarrow}_y 的表达式

{y=12(+eiγ)y=12(eiγ)\begin{align*} \begin{cases} \quad \ket{\uparrow}_y&=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{\uparrow}+e^{i\gamma}\ket{\downarrow}\right)\\ \quad \ket{\downarrow}_y&=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{\uparrow}-e^{i\gamma}\ket{\downarrow}\right) \end{cases} \end{align*}

通过进一步计算可知,cos(βγ)=0\cos\left(\beta-\gamma\right)=0,因此我们可以选取 β=0\beta=0γ=π2\gamma=\frac{\pi}{2},从而
S^x\hat{S}_xS^y\hat{S}_y 的本征态表示为

{x=12(+)x=12()\begin{align*} \begin{cases} \quad \ket{\uparrow}_x&=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{\uparrow}+\ket{\downarrow}\right)\\ \quad \ket{\downarrow}_x&=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{\uparrow}-\ket{\downarrow}\right) \end{cases} \end{align*}

{y=12(+i)y=12(i)\begin{align*} \begin{cases} \quad \ket{\uparrow}_y&=\frac{1}{\sqrt{2 }}\left(\ket{\uparrow}+i\ket{\downarrow}\right)\\ \quad \ket{\downarrow}_y&=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\ket{\uparrow}-i\ket{\downarrow}\right) \end{cases} \end{align*}

自旋算符的矩阵表示

由于 S^z\hat{S}_z 的本征态 \ket{\uparrow}\ket{\downarrow} 是完备归一的,因此有完备性关系和正交归一性

+=I\ket{\uparrow}\bra{\uparrow}+\ket{\downarrow}\bra{\downarrow}=\mathrm{I}

==1,==0\braket{\uparrow|\uparrow}=\braket{\downarrow|\downarrow}=1,\quad \braket{\uparrow|\downarrow}=\braket{\downarrow|\uparrow}=0

S^z\hat{S}_z 作用在 \ket{\uparrow}\ket{\downarrow} 上的结果分别为

S^z=2S^z=2\hat{S}_z\ket{\uparrow}=\frac{\hbar}{2}\ket{\uparrow} \qquad \hat{S}_z\ket{\downarrow}=-\frac{\hbar}{2}\ket{\downarrow}

那么在基底 {,}\{\ket{\uparrow},\ket{\downarrow}\} 下,S^z\hat{S}_z 的矩阵表示为

S^z=˙(S^zS^zS^zS^z)=2(1001)\hat{S}_z \dot{=} \begin{pmatrix} \bra{\uparrow}\hat{S}_z\ket{\uparrow} & \bra{\uparrow}\hat{S}_z\ket{\downarrow} \\ \bra{\downarrow}\hat{S}_z\ket{\uparrow} & \bra{\downarrow}\hat{S}_z\ket{\downarrow} \end{pmatrix} =\frac{\hbar}{2}\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}

  • \ket{\uparrow}\ket{\downarrow}S^z\hat{S}_z 的本征态,因此 S^z\hat{S}_z 的矩阵表示是对角矩阵
  • 注意:定义基底时,\ket{\uparrow}\ket{\downarrow} 的顺序不能颠倒,否则会影响后续计算

\ket{\uparrow}\ket{\downarrow} 的矩阵表示分别为

=˙()=(10)\ket{\uparrow} \dot{=} \begin{pmatrix} \braket{\uparrow|\uparrow} \\ \braket{\downarrow|\uparrow} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}

=˙()=(01)\ket{\downarrow} \dot{=} \begin{pmatrix} \braket{\uparrow|\downarrow} \\ \braket{\downarrow|\downarrow} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix}

升降算符

我们定义升算符为

S^+=,S^+=0\hat{S}_+\ket{\uparrow}=\hbar\ket{\downarrow},\quad \hat{S}_+\ket{\downarrow}=0

在基底 {,}\{\ket{\uparrow},\ket{\downarrow}\} 下,S^+\hat{S}_+ 的矩阵表示为

S^+=˙(S^+S^+S^+S^+)=(000)\hat{S}_+ \dot{=} \begin{pmatrix} \bra{\uparrow}\hat{S}_+\ket{\uparrow} & \bra{\uparrow}\hat{S}_+\ket{\downarrow} \\ \bra{\downarrow}\hat{S}_+\ket{\uparrow} & \bra{\downarrow}\hat{S}_+\ket{\downarrow} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & \hbar \\ 0 & 0 \end{pmatrix}

同理可定义降算符为

S^=,S^=0\hat{S}_-\ket{\downarrow}=\hbar\ket{\uparrow},\quad \hat{S}_-\ket{\uparrow}=0

在基底 {,}\{\ket{\uparrow},\ket{\downarrow}\} 下,降算符的矩阵表示为

S^=˙(S^S^S^S^)=(000)\hat{S}_- \dot{=} \begin{pmatrix} \bra{\uparrow}\hat{S}_-\ket{\uparrow} & \bra{\uparrow}\hat{S}_-\ket{\downarrow} \\ \bra{\downarrow}\hat{S}_-\ket{\uparrow} & \bra{\downarrow}\hat{S}_-\ket{\downarrow} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ \hbar & 0 \end{pmatrix}

x、y 分量的自旋算符

S^x\hat{S}_x 可在自身表象投影为

S^x=2(xxxx)\hat{S}_x=\frac{\hbar}{2}\left(\ket{\uparrow}_x{}_x\bra{\uparrow}-\ket{\downarrow}_x{}_x\bra{\downarrow}\right)

x\ket{\uparrow}_xx\ket{\downarrow}_x 的表达式代入上式,并使用完备性关系化简,得到

S^x=2(+)=2(0110)\hat{S}_x=\frac{\hbar}{2}\left(\ket{\uparrow}\bra{\downarrow}+\ket{\downarrow}\bra{\uparrow}\right) =\frac{\hbar}{2}\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}

同理可得

S^y=2(i+i)=2(0ii0)\hat{S}_y=\frac{\hbar}{2}\left(-i\ket{\uparrow}\bra{\downarrow}+i\ket{\downarrow}\bra{\uparrow}\right) =\frac{\hbar}{2}\begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix}

我们可以得到以下关系:

S^±=S^x±iS^y\hat{S}_{\pm}=\hat{S}_x\pm i \hat{S}_y

S^x2=S^y2=S^z2=˙24I\hat{S}_x^2=\hat{S}_y^2=\hat{S}_z^2\dot{=}\frac{\hbar^2}{4}\mathrm{I}

S^2=S^x2+S^y2+S^z2=˙342I\hat{\mathbf{S}}^2=\hat{S}_x^2+\hat{S}_y^2+\hat{S}_z^2\dot{=}\frac{3}{4}\hbar^2\mathrm{I}

泡利矩阵

定义泡利矩阵为

σx=(0110)σy=(0ii0)σz=(1001)\sigma_x=\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \qquad \sigma_y=\begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix} \qquad \sigma_z=\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}

泡利矩阵没有量纲,而自旋算符和普朗克常量具有角动量的量纲

那么自旋算符可写为

S^i=2σi(i=x,y,z)\hat{S}_i=\frac{\hbar}{2}\sigma_i \quad (i=x,y,z)

泡利矩阵具有如下性质

  1. σi2=I\sigma_i^2=\mathrm{I}
  2. {σi,σj}=2δijI\{\sigma_i,\sigma_j\}=2\delta_{ij}\mathrm{I}
  3. [σi,σj]=2iϵijkσk[\sigma_i,\sigma_j]=2i\epsilon_{ijk}\sigma_k
  4. σiσj=iϵijkσk+δijI\sigma_i\sigma_j=i\epsilon_{ijk}\sigma_k+\delta_{ij}\mathrm{I}
  5. det(σi)=1\det(\sigma_i)=-1 and Tr(σi)=0\mathrm{Tr}(\sigma_i)=0

定理:对于任意的矢量 a=(a1,a2,a3)\mathbf{a}=\left(a_1,a_2,a_3\right),有

(aσ)2=aiσi=(a3a1ia2a1+ia2a3)2\left( \mathbf{a}\cdot \boldsymbol{\sigma}\right)^2= a_i\sigma_i = \begin{pmatrix} a_3 & a_1 - i a_2 \\ a_1 + i a_2 & -a_3 \end{pmatrix}^2

det(aσ)=a32(a12+a22)=a2\det\left(\mathbf{a}\cdot \boldsymbol{\sigma}\right)=-a_3^2 -\left(a_1^2+a_2^2\right)=-|\mathbf{a}|^2

定理:任意一个二维矩阵都可以写做单位矩阵和三个泡利算符的线性组合

M=c0I+c1σx+c2σy+c3σz\mathrm{M}=c_0\mathrm{I}+c_1\sigma_x+c_2\sigma_y+c_3\sigma_z

定理:如果 A\mathrm{A}B\mathrm{B} 都和泡利矩阵对易,那么有

(σA)(σB)=AB+iσ(A×B)\left(\mathrm{\sigma}\cdot \mathrm{A}\right)\left(\mathrm{\sigma}\cdot \mathrm{B}\right)=\mathrm{A}\cdot \mathrm{B}+i\mathrm{\sigma}\cdot\left(\mathrm{A}\times \mathrm{B}\right)

A=B\mathrm{A}=\mathrm{B} 时,有

(σA)2=AA+iσ(A×A)\left(\mathrm{\sigma}\cdot \mathrm{A}\right)^2=\mathrm{A} \cdot \mathrm{A} +i\mathrm{\sigma}\cdot\left(\mathrm{A}\times \mathrm{A}\right)

如果 A\mathrm{A} 是一个经典矢量,那么 A×A=0\mathrm{A}\times \mathrm{A}=0,因此

(σA)2=A2\left(\mathrm{\sigma}\cdot \mathrm{A}\right)^2=\left|\mathrm{A}\right|^2

定理:不存在与三个泡利矩阵都反对易的 2×22\times 2 矩阵

自旋算符的球坐标分量算符

定理球坐标下的单位向量为 n^=(sinθcosϕ,sinθsinϕ,cosθ)\hat{n}=\left(\sin\theta\cos\phi,\sin\theta\sin\phi,\cos\theta\right),则自旋算符在 n^\hat{n} 方向的分量为

S^n^=2σn^=S^xsinθcosϕ+S^ysinθsinϕ+S^zcosθ=2(cosθsinθeiϕsinθeiϕcosθ)\hat{S}\cdot \hat{n}=\frac{\hbar}{2}\sigma\cdot \hat{n}=\hat{S}_x\sin\theta\cos\phi+\hat{S}_y\sin\theta\sin\phi+\hat{S}_z\cos\theta =\frac{\hbar}{2}\begin{pmatrix} \cos\theta & \sin\theta e^{-i\phi} \\ \sin\theta e^{i\phi} & -\cos\theta \end{pmatrix}

由于 (σn^)2=I\left(\sigma\cdot \hat{n}\right)^2=\mathrm{I},满足一个代数方程,(σn^)\left(\sigma\cdot \hat{n}\right) 的本征值为 ±1\pm 1,对应的本征态分别为

n=(cosθ2sinθ2eiϕ)n=(sinθ2cosθ2eiϕ)\ket{\uparrow}_n=\begin{pmatrix} \cos\dfrac{\theta}{2} \\[5pt] \sin\dfrac{\theta}{2}e^{i\phi} \end{pmatrix} \qquad \ket{\downarrow}_n=\begin{pmatrix} \sin\dfrac{\theta}{2} \\[5pt] -\cos\dfrac{\theta}{2}e^{i\phi} \end{pmatrix}

再考虑 n^=(sinθcosϕ,sinθsinϕ,cosθ)=(sin(πθ)cos(ϕ+π),sin(πθ)sin(ϕ+π),cos(πθ))-\hat{n}=\left(-\sin\theta\cos\phi,-\sin\theta\sin\phi,-\cos\theta\right)=\left(\sin\left(\pi-\theta\right)\cos\left(\phi+\pi\right),\sin\left(\pi-\theta\right)\sin\left(\phi+\pi\right),\cos\left(\pi-\theta\right)\right) 方向的自旋算符分量,同样可以得到本征态

n=(sinθ2cosθ2eiϕ)n=(cosθ2sinθ2eiϕ)\ket{\uparrow}_{-n}=\begin{pmatrix} \sin\dfrac{\theta}{2} \\[5pt] -\cos\dfrac{\theta}{2}e^{i\phi} \end{pmatrix} \qquad \ket{\downarrow}_{-n}=\begin{pmatrix} \cos\dfrac{\theta}{2} \\[5pt] \sin\dfrac{\theta}{2}e^{i\phi} \end{pmatrix}

可以看出n=n\ket{\uparrow}_{-n}=\ket{\downarrow}_nn=n\ket{\downarrow}_{-n}=\ket{\uparrow}_n。这是很自然的结果,与我们对反向的理解是一致的。

再考虑任意两个方向的单位矢量 n^\hat{n}m^\hat{m},有

nm=12(1+n^m^)\left|{}_n\braket{\uparrow|\uparrow}_m\right|=\sqrt{\frac{1}{2}\left(1+\hat{n}\cdot \hat{m}\right)}

定理

ei2α(σn^)=cosα2Iisinα2(σn^)e^{-\frac{i}{2}\alpha\left(\sigma\cdot \hat{n}\right)}=\cos\frac{\alpha}{2} \mathrm{I}-i\sin\frac{\alpha}{2} \left(\sigma\cdot \hat{n}\right)

对易性和不确定性

共同本征态

定理:如果两个可观测量 A^\hat{A}B^\hat{B} 对易,即 [A^,B^]=0[\hat{A},\hat{B}]=0,且 A^\hat{A} 的本征值是非简并的,那么矩阵元 aB^a\bra{a'}\hat{B}\ket{a} 是对角的。因此在基底 {a}\{\ket{a}\} 下,A^\hat{A}B^\hat{B} 都是对角矩阵,且 a\ket{a} 同时是 A^\hat{A}B^\hat{B} 的本征态。

注意:B^\hat{B} 的本征值可以是简并的,这时需要 A^\hat{A} 的不同本征值区分简并本征态。

但反过来,当 A^\hat{A} 的本征值是简并的时,B^\hat{B} 的矩阵是块对角化的,如下图所示

简并对易

图中红色的 ξ~\tilde{\xi} 表示 ξ^\hat{\xi} 的对应于同一本征值的简并本征态所构成的子空间。而灰色的 η~\tilde{\eta} 则表示 η^\hat{\eta} 在该子空间内的矩阵。由于 ξ^\hat{\xi} 的本征值是简并的,因此 η~\tilde{\eta} 可能不是对角矩阵,也就是说我们不清楚灰色块内的矩阵元是否为零。这时需要对 η~\tilde{\eta} 进行对角化,才能区分 η^\hat{\eta} 的简并本征态,将 η~\ket{\tilde{\eta}} 重新由 ξ~\ket{\tilde{\xi}} 组合

η~i=jcijξ~j\ket{\tilde{\eta}_i}=\sum_j c_{ij} \ket{\tilde{\xi}_j}

ηi~η~i=ηi~jcijξ~j=jcijη^ξ~j=jcijη~jkξ~k \tilde{\eta_i} \ket{\tilde{\eta}_i}=\tilde{\eta_i}\sum_j c_{ij} \ket{\tilde{\xi}_j}=\sum_j c_{ij} \hat{\eta}\ket{\tilde{\xi}_j}=\sum_j c_{ij} \tilde{\eta}_{jk}\ket{\tilde{\xi}_k}

因此 ηi~\tilde{\eta_i} 就是 ξ^\hat{\xi} 的本征值,对角化后的 η\eta 矩阵如下图所示,并得到以下定理

同时对角化

定理:有限维希尔伯特空间内两个对易的可观测量总是可以同时对角化。

如果对角化后的 η~i\ket{\tilde{\eta}_i} 仍然是简并的,那么在原则上可寻找第三个与 ξ^\hat{\xi}η^\hat{\eta} 都对易的可观测量 ζ^\hat{\zeta},并在该表象下三个量都对角化,从而区分简并本征态。如此继续下去,直到所有的简并都被区分开为止。


定理:若两个可观测量 A^\hat{A}B^\hat{B} 对易,那么他们的共同本征态集 {a,b}\{\ket{a,b}\} 张成一个完备基。

定理:若存在 nn 个两两对易的可观测量 A^1,A^2,,A^n\hat{A}_1,\hat{A}_2,\cdots,\hat{A}_n,那么可以建立一个表象,该表象由 A^1,A^2,,A^n\hat{A}_1,\hat{A}_2,\cdots,\hat{A}_n 的完备的共同本征态集 {a1,a2,,an}\{\ket{a_1,a_2,\cdots,a_n}\} 组成。

不确定性关系

对于一个给定的可观测量 AA,我们定义一个厄米算符 ΔA^\Delta \hat{A}

ΔA^=A^AI\Delta \hat{A}=\hat{A}-\braket{A} \mathrm{I}

其中 A=ψA^ψ\braket{A}=\bra{\psi}\hat{A}\ket{\psi} 为特定态的平均值。再考虑 (ΔA^)2\left(\Delta \hat{A}\right)^2 的期望值

(ΔA)2=A2+A22AAA2A2\begin{align*} \left\langle{\left(\Delta A\right)^2}\right\rangle &=\braket{A^2}+\braket{A}^2-2\braket{A}\braket{A}\braket{A^2}-\braket{A}^2 \end{align*}

这就是 AA 的方差或者均方偏差。特别地,当 ψ=a\ket{\psi}=\ket{a}A^\hat{A} 的本征态时,(ΔA)2=0\left\langle{\left(\Delta A\right)^2}\right\rangle =0

不确定性关系:对于两个可观测量 AABB和任意态 ψ\ket{\psi},有以下不等式成立

(ΔA)2(ΔB)214[A^,B^]2\left\langle{\left(\Delta A\right)^2 \left(\Delta B\right)^2}\right\rangle \geq \frac{1}{4}\left|\left\langle{[\hat{A},\hat{B}]}\right\rangle\right|^2

ΔA^ψ=C ΔB^ψ\Delta \hat{A}\ket{\psi}=C \ \Delta \hat{B}\ket{\psi}CC 为纯虚数时,不等式取等号。

连续谱

假设 {α}\left\{\ket{\alpha}\right\}A^\hat{A} 的完备连续本征态集,那么可以构造任意两个态 Ψ\ket{\Psi}Φ\ket{\Phi}

Ψ=dα Ψ(α)αΦ=dα Φ(α)α\ket{\Psi}=\int d\alpha \ \Psi\left(\alpha\right)\ket{\alpha} \qquad \ket{\Phi}=\int d\alpha \ \Phi\left(\alpha\right)\ket{\alpha}

对两个态做内积

ΨΦ=dαdαΨ(α)Φ(α)αα\braket{\Psi|\Phi}= \int d\alpha' \int d\alpha \Psi^*\left(\alpha'\right)\Phi\left(\alpha\right)\braket{\alpha'|\alpha}

根据正交性,若 αα<\braket{\alpha'|\alpha} < \infty,则 ΨΦ=0\braket{\Psi|\Phi} =0,因此 αα\braket{\alpha'|\alpha} 不能是 Kronecker delta 函数 δαα\delta_{\alpha'\alpha},而只能将其定义为 Dirac delta 函数 αα=δ(αα)\braket{\alpha'|\alpha}=\delta\left(\alpha'-\alpha\right)


我们只考虑非简并的单个可观测量的连续谱,由于其内积无穷大,因此我们无法将其归一化为 11。对于一个任意态,将其通过Dirac函数构造

α=dαδ(αα)α=dαααα\ket{\alpha} = \int d\alpha' \, \delta(\alpha' - \alpha) \ket{\alpha'} = \int d\alpha' \braket{\alpha'|\alpha} \ket{\alpha'}

因此我们得到完备性关系

dα αα=1\int d\alpha \ \ket{\alpha}\bra{\alpha}=1

对于一个已归一化的态,可以将其展开为

Ψ=dα ααΨ\ket{\Psi} = \int d\alpha \ \ket{\alpha}\braket{\alpha|\Psi}

将其与自身做内积并根据归一化条件得

ΨΨ=dαdαΨααααΨ=dα αΨ2=1 \braket{\Psi|\Psi} = \int d\alpha \int d\alpha' \braket{\Psi|\alpha}\braket{\alpha|\alpha'}\braket{\alpha'|\Psi} = \int d\alpha \ \braket{\alpha|\Psi}^2 = 1

αΨ2dα\braket{\alpha|\Psi}^2 d\alpha 就是 AA 在小范围 α+dα\alpha+ d\alpha 内的概率。

再考虑任意可观测量的一个函数 f(A^)f(\hat{A}),有

αf(A^)α=f(α)δ(αα)\bra{\alpha} f(\hat{A}) \ket{\alpha'} = f(\alpha) \delta(\alpha - \alpha')

由于 {α}\left\{\ket{\alpha}\right\}A^\hat{A} 的本征态,因此连续谱的对角矩阵中对角元为 f(α)δ(αα)f(\alpha) \delta(\alpha - \alpha')