量子力學一:形式體系
厄米算符(Hermitian operator)
/ her-MISH-un /
可測量的量以實數形式現身,而具有確定值的態則彼此正交且完備。是什麼一次保證了這兩項好性質?答案是「厄米性」。厄米算符(Hermitian operator)就是量子力學為物理可觀測量保留的那一類數學物件,正因為它天生就給出實本徵值與一組乾淨的本徵態基底。
定義條件是算符等於它自己的伴隨(其共軛轉置),A = A-dagger,展開來說即對所有態 phi 與 psi 都有 <phi|A psi> = <A phi|psi>。由此推出三項後果。它的本徵值全為實數,故測量結果為實。屬於不同本徵值的本徵向量彼此正交。並且,由譜定理(spectral theorem),它的本徵向量構成希爾伯特空間的一組完備正交歸一基底,因此任何態都能在其中展開。正是這套結構讓波恩定則與測量設準彼此相容。
一個物理學家常一筆帶過、但在研究所層次很重要的提醒:對有限矩陣,厄米與自伴(self-adjoint)是同一回事;但對無窮維空間上的無界算符(如動量 p = -i hbar d/dx),兩者因定義域與邊界條件的微妙問題而不同。一個算符可能在某個定義域上是對稱的,卻不是真正自伴的;而保證實譜與么正演化的是自伴性、不僅僅是對稱性。半直線上的動量正是這類警世的經典例子。
位置 x、動量 p = -i hbar d/dx,以及哈密頓算符 H = p^2/2m + V(x) 都是厄米的;p 中的那個 i 正是把微分算符變成厄米、而非反厄米所必需的。
厄米性強制本徵值為實,於是能量、位置與動量都以實數現身。
對無界算符而言,物理學家寬鬆說的「厄米」(對稱)弱於真正保證實譜與么正時間演化的自伴性;定義域是有講究的。
又稱
另見