量子力學二:應用

簡併微擾理論(degenerate perturbation theory)

普通微擾理論有個致命盲點:它要除以能階之間的能隙,所以當兩個以上的未擾態擁有完全相同的能量——即簡併——公式就發散。簡併微擾理論就是這個修正。關鍵洞見是:當數個態相等時,微擾本身有權選擇它們的哪些組合才是「正確」的起始態,一旦讓它去選,發散就消失,正確的分裂便浮現。

設某能階 g 重簡併,未擾態 |1>, ..., |g> 都在能量 E^0。麻煩在於它們的任意線性組合同樣是 H_0 的本徵態,所以沒有唯一的「零階」態可供微擾。解法是:在簡併子空間內建立微擾的 g×g 矩陣 W_ij = <i| H' |j>,並將其對角化。它的本徵值就是一階能量位移——微擾把單一簡併能階分裂成(至多)g 個不同能階——而它的本徵向量就是「好」的零階態,也就是微擾不會混合的特定組合。對稱性是你的好幫手:若選取本身就是某個與 H_0 和 H' 都對易的算符之本徵態的基底,會使 W 分塊對角(或對角),你往往完全不必做矩陣運算就能讀出分裂。

這正是物理中幾乎每一種「分裂」背後的機制。季曼效應在磁場中分裂磁能階,史塔克效應在電場中分裂它,自旋-軌道耦合把偶然簡併的氫能階分裂成精細結構——每一個都是辨認好態並解除簡併的簡併微擾計算。核心教訓是概念性的:對稱性產生簡併,而破壞對稱性的微擾解除它,分裂的圖樣恰好揭露了是哪個對稱性被打破。

氫的 n=2 能階四重簡併(2s 與三個 2p 態,忽略自旋)。微弱電場(線性史塔克效應)混合 2s 與 2p_z 態;把 2×2 微擾矩陣對角化,使它們分裂開來,分裂量正比於電場,而另外兩個 2p 態不位移——好態是 2s 與 2p_z 的和與差,這是教科書級的簡併微擾結果。

線性史塔克效應:電場的好態是 2s 與 2p_z 的組合,對稱地分裂於原能階兩側。

有簡併時你不能任意挑零階態——必須讓微擾矩陣經由對角化來選出它們,否則一階理論根本是錯的。微擾恰好在你所選的簡併基底中已是對角的,是幸運的特例;一般情況並非如此,而非對角元正是此方法要處理的對象。

又称
degenerate-state perturbation theory簡併態微擾理論