量子力學一:形式體系

左右矢記號(bra-ket notation)

/ brah-ket; Dirac = dih-RAK /

左右矢記號(bra-ket notation)是狄拉克為量子態及其上運算所設計、優美而緊湊的記帳法。它的巧思是一個視覺雙關:以角括號寫成一個 bracket 的內積 <phi|psi>,被劈成左半的 bra,<phi|,與右半的 ket,|psi>。一旦你學會讀這些符號,整套計算幾乎變得自動化。

一個右矢 |psi> 是希爾伯特空間中的向量。一個左矢 <phi| 是對偶空間的成員——把它想成列向量,或想成一台「吃進一個右矢、吐出一個數」的機器。它們的配對 <phi|psi> 就是那個數,即複數內積,也就是餵給波恩定則的那個幅。算符往右作用,A|psi>,而矩陣元是 <phi|A|psi>。外積 |psi><phi| 本身是一個算符(例如投影算符 |n><n|),而正交歸一的基底態滿足完備性關係:對 n 求和的 |n><n| = I(單位算符),這是在計算中隨處插入一組基底的主力工具。

回報是這套記號與表象無關:同一個 |psi> 可以在位置基底下看,其分量為 <x|psi> = psi(x),也可以在動量基底下看,其中 <p|psi> 是動量空間波函數。換基底不過就是選擇要用哪一組完備的右矢來展開,|psi> = sum c_n |n>,係數 c_n = <n|psi>。你用抽象向量去計算,只有在真的需要數字時才投影到某個具體表象上。

把一個態在正交歸一的能量基底下展開,|psi> = sum_n c_n |n>,其中 c_n = <n|psi>,並利用正交歸一 <n|m> = delta_nm,立刻得到能量 E_n 的波恩機率為 |c_n|^2 = |<n|psi>|^2。

插入一組完備基底、讀出機率:整套形式論化為符號推演。

右矢住在希爾伯特空間,左矢住在其對偶空間;把兩者混為一談(或忘記左矢是其右矢的共軛轉置)是初學者的經典失誤。

又稱
Dirac notation狄拉克記號括號記號