對於描述一個量子體系的任意一組完備正交基,都存在至少一個厄米算符使得這個算符的本徵態是這一組正交基麼?

陳羅彬

(文/方弦)

這是顯然的。假設A_1, ..., A_k是一組完備正交基,不妨假設所有A_i的模都是1,而我們希望A_i的能量為e_i。考慮以下的厄米算符:

L = e_1|A_1>

根據正交性,我們顯然有L |A_i> = e_i |A_i>。而根據每一項的對稱性,算符L顯然是厄米的。

如果假設的完備正交基有無限個,那麼問題就更麻煩一些,因為要考慮收斂性。但如果收斂的話,上面的構造顯然是可行的。即使不收斂,也不一定有問題,因為也許可以通過某些技巧(比如重整化)來達到“收斂”的效果。比如說氫原子軌道問題,雖然有無窮個完備正交基,而對應的能量也是所有正整數,但通過物理上的技巧,仍然可以找出對應的厄米算符。

當然,如果能量可以任意設定的話,其實相應的厄米算符不一定存在。但這更多的是數學上的可能性。對於自然界中會發生的事情而言,一般來說,只要能寫出一組完備正交基,那麼對應的能量條件幾乎必定允許厄米算符的存在。也就是說,即使從數學上來說不一定存在,但在實踐中幾乎必定存在,不需要過度擔心。

當然,另一個問題就是建模。從第一性原理出發構建的完備正交基一般不會有問題。但如果從唯象的理論(比如說價鍵理論)出發的話,構建出來的基就不一定是完備正交的。重新將其正交化的工作不是不可以,但因為厄米算符對應的完備正交基是唯一的,所以重新正交化之後,也會落到第一性原理構建的完備正交基上,所以這種做法不一定值得。但如果第一性原理本身的計算非常麻煩,而唯象理論給出的基比較容易構建,也比較靠近真正的完備正交基的話,這也不失為一種可行的辦法。

當然,我對計算化學不熟,很多東西都是聽一位高中同學說的,道聽途說請不要過於當真,僅僅作為參考就可以了。


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