量子力學一:形式體系

對易子(commutator)

在日常代數裡,你先算 3 乘 5 或先算 5 乘 3 從來無所謂。對算符而言,這卻可能極為要緊,而對易子(commutator)正是「差多少」的精確度量。它回答一個物理問題:你執行兩次測量的先後次序會不會改變結果?當答案為「是」,你正看著量子力學幾乎所有詭異之處的代數根源。

兩個算符的對易子定義為 [A, B] = AB - BA。若它為零,A 與 B 對易:它們可在共同的本徵基底中對角化,因而能同時被測到任意精確(它們相容)。若它不為零,就不存在這種共享基底,兩個可觀測量服從一種取捨。整個理論的基石是正則對易關係 [x, p] = i hbar,位置與動量恰好差了 i hbar 這一個單位而不對易。角動量分量在自身之間封閉,[L_x, L_y] = i hbar L_z,生成了旋轉的代數。

它的影響極其深遠。一般測不準關係寫作 sigma_A sigma_B >= (1/2)|<[A, B]>|,因此非零的對易子直接禁止聯合的銳利。在正則量子化(canonical quantization)中,古典的帕松括號(Poisson bracket)被提升為對易子,{A, B} -> (1/i hbar)[A, B],這就是把古典理論變成量子理論的形式配方。而各種階梯算符技巧(簡諧振子、角動量)完全靠知道幾個對易子就能運轉。

以 p = -i hbar d/dx 把 [x, p] = xp - px 作用在一個試驗波函數上,對每個 psi 得到 [x, p]psi = i hbar psi,故 [x, p] = i hbar——位置-動量測不準原理正是從這一條關係推出的。

一行代數得出 [x, p] = i hbar,量子不確定性的種子。

對易意味著可同時對角化、可聯合測量;非零的對易子透過 sigma_A sigma_B >= (1/2)|<[A,B]>| 禁止兩個可觀測量同時銳利。

又称
[A,B]commutation relation對易關係交換子