Построение решений нестационарного уравнения Шредингера

Следующий вопрос из « Введения квантовой механики» Дэвида Гриффитса:

Задача 2.13 . Частица в потенциале гармонического осциллятора начинается в состоянии

Ψ ( x , 0 ) = A [ 3 ψ 0 ( х ) + 4 ψ 1 ( х ) ] , Ψ ( Икс , 0 ) знак равно [ 3 ψ 0 ( Икс ) + 4 ψ 1 ( Икс ) ] ,
(а) Найти ,

(б) построить Ψ ( х , т ) Ψ ( Икс , T ) и | Ψ ( х , т ) | 2 | Ψ ( Икс , T ) | 2 ,

Часть (б) просит построить общее решение из экземпляра в то время т = 0 T знак равно 0 ,

Стратегия, приведенная в книге, заключается в добавлении зависимости от времени к каждому стационарному состоянию, формируя общее решение:

Подходить Ψ ( х , 0 ) Ψ ( Икс , 0 ) Вы записываете общую линейную комбинацию этих решений:

Ψ ( x , 0 ) = n = 1 с N ψ N ( х ) : (2.16) (2.16) Ψ ( Икс , 0 ) знак равно Σ N знак равно 1 с N ψ N ( Икс ) :
чудо в том, что вы можете * всегда соответствовать заданному начальному состоянию путем соответствующего выбора констант с 1 , с 2 , с 3 с 1 , с 2 , с 3 , ... , Строить Ψ ( х , т ) Ψ ( Икс , T ) вы просто привязываете к каждому члену его характерную зависимость от времени, е - я E N т / е - я Е N T / :
Ψ ( x , t ) = n = 1 с N ψ N ( х ) е - я E N т / = n = 1 с N Ψ N ( х , т ) . (2,17) (2,17) Ψ ( Икс , T ) знак равно Σ N знак равно 1 с N ψ N ( Икс ) е - я Е N T / знак равно Σ N знак равно 1 с N Ψ N ( Икс , T ) ,

Я не уверен, однако, о том, как мы можем гарантировать, что два решения ψ 1 ψ 1 и ψ 2 ψ 2 в зависимости от времени уравнения не имеют ψ 1 ( х , 0 ) = ψ 2 ( х , 0 ) ψ 1 ( Икс , 0 ) знак равно ψ 2 ( Икс , 0 ) , Если мы не можем гарантировать это, то как мы узнаем, что решение, найденное методом Гриффитса, уникально?

Ответы (3)

Но как мы можем гарантировать, что два решения ψ 1 ψ 1 и ψ 2 ψ 2 в зависимости от времени уравнения не имеют ψ 1 ( х , 0 ) = ψ 2 ( х , 0 ) ψ 1 ( Икс , 0 ) знак равно ψ 2 ( Икс , 0 ) , Если мы не можем гарантировать это, то как мы узнаем, что решение, найденное методом Гриффита, уникально?

Я понимаю, что ваш вопрос в основном спрашивает, откуда мы знаем, что нестационарное уравнение Шредингера с начальным условием имеет единственное решение. Чтобы показать это, мы используем общий метод для показа единственности решения линейного дифференциального уравнения: мы показываем, что если два ответа одинаковы в одной точке, то их разность постоянна 0 0 ,

Зависящее от времени уравнение Шредингера является линейным; это означает, что если Ψ 1 Ψ 1 и Ψ 2 Ψ 2 решения нестационарного уравнения Шредингера, то α 1 Ψ 1 + α 2 Ψ 2 α 1 Ψ 1 + α 2 Ψ 2 для любого α 1 , α 2 α 1 , α 2 , Особенно, Ψ = Ψ 1 - Ψ 2 Ψ знак равно Ψ 1 - Ψ 2 это решение. Итак, мы имеем

- я T Ψ = H ^ Ψ , Ψ ( 0 ) = 0 - я T Ψ знак равно ЧАС ^ Ψ , Ψ ( 0 ) знак равно 0
Теперь мы получаем
T Ψ Ψ, Ψ⟩ знак равно = ⟨∂ T Ψ , Ψ⟩ + ⟨Ψ , T Ψ⟩ = ⟨Я ЧАС ^ Ψ , Ψ⟩ + ⟨Ψ , я ЧАС ^ Ψ⟩ - я ⟨H ^ Ψ , Ψ⟩ + я Ψ Ψ , H ^ Ψ⟩ = - я Ψ Ψ , H ^ I⟩ + я Ψ Ψ , H ^ Ψ⟩ = 0 , T Ψ , Ψ знак равно T Ψ , Ψ + Ψ , T Ψ знак равно я ЧАС ^ Ψ , Ψ + Ψ , я ЧАС ^ Ψ знак равно - я ЧАС ^ Ψ , Ψ + я Ψ , ЧАС ^ Ψ знак равно - я Ψ , ЧАС ^ Ψ + я Ψ , ЧАС ^ Ψ знак равно 0 ,
где предпоследнее уравнение связано с тем, что гамильтониан является эрмитовым. Итак, теперь у нас есть дифференциальное уравнение для вещественной функции е е определяется е ( t ) ⟨Ψ ( t ) , Ψ ( t ) е ( T ) Ψ ( T ) , Ψ ( T ) ,
T е = 0 , T е знак равно 0 ,
Нулевая производная означает, что е ( т ) е ( T ) постоянная Следовательно,
е ( т ) = е ( 0 ) = ⟨Ψ ( 0 ) , Ψ ( 0 ) = 0 , е ( T ) знак равно е ( 0 ) знак равно Ψ ( 0 ) , Ψ ( 0 ) знак равно 0 ,
Следовательно, 0 = 0 Ψ знак равно 0 , так Ψ 1 = Ψ 2 Ψ 1 знак равно Ψ 2 ,

Форма решения, показанная Гриффитсом, не уникальна. Это означает, что существуют случаи, когда основа { ψ N ( х ) } { ψ N ( Икс ) } будет воспроизводить Ψ Ψ в виде

Ψ ( x , t ) = n = 1 с N ψ N ( х ) е - я E N т / , Ψ ( Икс , T ) знак равно Σ N знак равно 1 с N ψ N ( Икс ) е - я Е N T / ,
но существует вторая, другая основа { φ N ( х ) } { φ N ( Икс ) } который (с разными коэффициентами) также восстанавливает Ψ Ψ :
Ψ ( x , t ) = n = 1 с ' N φ N ( х ) е - я E ' N т / , Ψ ( Икс , T ) знак равно Σ N знак равно 1 с N ' φ N ( Икс ) е - я Е N ' T / ,
Некоторые заметки:

  • Во всех таких случаях само решение все еще уникально . Это представление меняется таким образом, который в точности аналогичен тому, как будут меняться координаты вектора в другой системе координат, но вектор остается неизменным. Уникальность решения не в том, как мы решили уравнение, а в свойстве самого уравнения Шредингера.

  • Если ψ N ψ N и φ м φ м Собственные функции ЧАС ЧАС и они имеют разные собственные значения, то они должны быть ортогональны и поэтому не могут быть равными. Это следует из того, что

    Е N ⟨Φ м ψ N = ⟨Φ м , Ч ψ N = ⟨Φ м ЧАС ψ N = E м ⟨Φ м ψ N Е N φ м , ψ N знак равно φ м , ЧАС ψ N знак равно φ м ЧАС , ψ N знак равно Е м φ м , ψ N
    так что либо Е N = E м Е N знак равно Е м или же ⟨Φ м , Ч ψ N 0 = 0 φ м , ЧАС ψ N знак равно 0 ,

  • Поэтому неуникальность представления объединяется с подпространствами, где ЧАС ЧАС вырожден: то есть, когда у него есть две из более линейно независимых собственных функций с тем же собственным значением. В этом случае любая база для этого подпространства будет работать , но все базы эквивалентны . Вы выбираете тот, который наиболее удобен для ваших целей, но имейте в виду, что вы сделали произвольный выбор основы.

    Самым простым примером является атом водорода, где собственные функции вырождены, если они разделяют N N и L L квантовые числа. * Затем вам нужно выбрать основу для этого подпространства, и для этого вам нужно сломать изотропию - вам нужно выбрать конкретное направление для вашей базы. Это обычно принимается как Z Z ось (куда бы она ни указывала), при том понимании, что любое другое направление - это кратковременное изменение.

    * Есть дополнительное вырождение в L L но это не имеет значения для этих целей.

«Короче, если я T Ψ = H Ψ я T Ψ знак равно ЧАС Ψ и я T Ф = Н Φ я T Φ знак равно ЧАС Φ , затем я T ( Ψ - Φ ) = 0 я T ( Ψ - Φ ) знак равно 0 « Это пропускает некоторые шаги. То, что вы получаете непосредственно, это то, что я T ( Ψ - Φ ) = H ( Ψ - Φ ) я T ( Ψ - Φ ) знак равно ЧАС ( Ψ - Φ ) , что прямо не означает, что Ψ - Φ Ψ - Φ постоянна во времени. В случае нестационарного уравнения Шредингера имеет место, но есть много дифференциальных уравнений, где T е = F [ ф ] T е знак равно F [ е ] , е ( 0 ) = 0 е ( 0 ) знак равно 0 не подразумевает е = 0 е знак равно 0 постоянный, даже если F [ 0 ] = 0 F [ 0 ] знак равно 0 ,
Ха, хороший улов. Это я неаккуратный прямо там.

Итак, я вижу весь ваш вопрос так:

Как мы можем гарантировать, что два решения ψ 1 ψ 1 и ψ 2 ψ 2 в зависимости от времени уравнения не имеют ψ 1 ( х , 0 ) = ψ 2 ( х , 0 ) ψ 1 ( Икс , 0 ) знак равно ψ 2 ( Икс , 0 ) , Если мы не можем гарантировать это, то как мы узнаем, что решение, найденное методом Гриффита, уникально?

Это действительно базовое свойство векторов и матриц; если у вас есть два n × 1 N × 1 "векторы столбцов" U U , v v в С N С N которые являются собственными векторами n × n N × N Эрмитова матрица ЧАС = H ЧАС знак равно ЧАС то либо они ортогональны в том смысле, что U v = v и = 0 U v знак равно v U знак равно 0 или они имеют одинаковое собственное значение.

Зачем? Ну, это просто взаимодействие участвующих частей. Эрмитовы матрицы должны иметь реальные собственные значения, потому что U   ЧАС   u = λ U   U   U U ЧАС U знак равно λ U U U должен быть своим собственным комплексным сопряженным - потому что ( А Б ) = B ( В ) знак равно В и тот факт, что 1 × 1 1 × 1 сопряженная операция представляет собой сложное сопряжение вы найдете ( ты   ЧАС   а ) * = λ * U   U   U ( U ЧАС U ) * знак равно λ U * U U по самому определению эрмитова ( ЧАС = H ЧАС знак равно ЧАС ), также U   ЧАС   ты = ты   ЧАС   u = λ U U U ЧАС U знак равно U ЧАС U знак равно λ U U следовательно, мы либо тривиально U   и = 0 U U знак равно 0 и и = 0 U знак равно 0 или λ U = λ * U λ U знак равно λ U * и поэтому λ U λ U это реальное число.

Теперь посмотри на U H v = λ v U v U ЧАС v знак равно λ v U v но его комплексное сопряжение должно быть v H u = λ U v U v ЧАС U знак равно λ U v U ; принимая второе комплексное сопряжение, мы находим, что λ v U v = λ U U v λ v U v знак равно λ U U v , У нас есть только два варианта: либо λ U = λ v λ U знак равно λ v или еще U v = 0 U v знак равно 0 ,

По сути, проблема в том, что матрицы всегда имеют одинаковые «левые» и «правые» собственные значения, поскольку выражение дет ( A - λ I ) = 0 йе ( - λ я ) знак равно 0 что вы используете, чтобы найти их, использует определитель, и дет А = дет А T йе знак равно йе T потому что детерминантам все равно, выполняете ли вы итерацию по второстепенным или по столбцам. Когда вы говорите, что матрица является собственной транспонированной , как в сущности эрмитовой, то вы говорите, что и левый, и правый собственные векторы, соответственно, транспонируют друг друга. И этот факт заставляет эти собственные пространства становиться ортогональными друг другу.

Теперь я утверждаю, что вышеупомянутые точки не зависят от дискретных индексов вектора строки или вектора столбца, но только от отношения объектов , и, следовательно, когда мы переходим от вектора с дискретным индексом к волновой функции с непрерывным индексом, мы получить тот же вывод. Давайте проследим это до конца. Позволять сопоставить волновые функции с волновыми функциями, так что мы имеем

⟨Φ | ^ | ⟩⟩ = р N d N р   φ * ( г )   [ ψ ] ( г ) φ | ^ | ψ знак равно р N d N р φ * ( р ) [ ψ ] ( р ) ,
Кроме того, давайте определим сокращенную запись, что
⟨Φ | ψ⟩ = ⟨ϕ | 1 | ⟩⟩ = р N d N р   φ * ( г )   ψ ( г ) φ | ψ знак равно φ | 1 | ψ знак равно р N d N р φ * ( р ) ψ ( р ) ,
Мы утверждаем, что является эрмитовым, что означает, что:
⟨Φ | ^ | ⟩⟩ = ( ⟨ψ | A ^ | ϕ⟩ ) * = [ d N р   ψ * ( г )   [ ϕ ] ( r ) ] * , φ | ^ | ψ знак равно ( ψ | ^ | φ ) * знак равно [ d N р ψ * ( р ) [ φ ] ( р ) ] * ,
Отсюда следует, что любое собственное значение ^ | a⟩ = a | ^ | знак равно | реально, потому что мы находим аналогично тому, что выше
( ⟨A | A ^ | а ) * = а * | А | a⟩ = ⟨a | ^ | a⟩ = a ⟨a | а ,    так что * , ( | ^ | ) * знак равно * | знак равно | ^ | знак равно | , так знак равно * ,
Но аналогично мы имеем, что если ^ | a⟩ = a | ^ | знак равно | и ^ | b⟩ = b | б⟩ ^ | б знак равно б | б затем
| А | ^ | b⟩ = b ⟨a | b⟩ = ( ⟨a | A ^ | б⟩ ) = ( ⟨B | A ^ | а ) * = ( a ⟨b | a⟩ ) * = а * | А | б⟩ . | ^ | б знак равно б | б знак равно ( | ^ | б ) * * знак равно ( б | ^ | ) * знак равно ( б | ) * знак равно * | б ,
Это снова заставляет нас заключить, что либо б = а б знак равно или еще | А | б = 0 | б знак равно 0 ,

Теперь рассмотрим совершенно особый 1D случай, когда

[ ψ ] ( x ) = я   ψ ' ( х ) [ ψ ] ( Икс ) знак равно я ψ ' ( Икс )
, Я утверждаю, что этот мнимый оператор с одной производной является эрмитовым. Чтобы понять почему, давайте посмотрим на определение; это эрмитово, если и только если
- d Икс   φ * ( х )   я   ψ ' ( х ) = [ - d Икс   ψ * ( х )   я   φ ' ( х ) ] * , - d Икс φ * ( Икс ) я ψ ' ( Икс ) знак равно [ - d Икс ψ * ( Икс ) я φ ' ( Икс ) ] * ,
Это правда? Да, мы можем интегрировать левую часть по частям, поднимая ψ ' ψ ' пока мы опускаем φ * φ * , найти:
- d Икс   φ * ( х )   я   ψ ' ( х ) = [ я   φ * ( х )   ψ ( х ) ] - - - d Икс   [ ϕ * ] ' ( х )   я   ψ ( х ) , - d Икс φ * ( Икс ) я ψ ' ( Икс ) знак равно [ я φ * ( Икс ) ψ ( Икс ) ] - - - d Икс [ φ * ] ' ( Икс ) я ψ ( Икс ) ,
первый член которого можно отбросить как 0, поскольку обе волновые функции стремятся к 0 на бесконечности. Это оставляет только
- d Икс   [ ϕ ' ( х ) ] *   ( - я )   ψ ( х ) = - d Икс   [ ϕ ' ( х )   я   ψ * ( х ) ] * = [ - d Икс   ψ * ( х )   я   φ ' ( х ) ] , - d Икс [ φ ' ( Икс ) ] * ( - я ) ψ ( Икс ) знак равно - d Икс [ φ ' ( Икс ) я ψ * ( Икс ) ] * знак равно [ - d Икс ψ * ( Икс ) я φ ' ( Икс ) ] ,
что мы и собирались доказать.

Следует, что - 2 2 м 2 Икс 2 - 2 2 м 2 Икс 2 композиция двух таких операторов, умноженная на константу, также является эрмитовой, как и любая постоянная вещественная функция - таким образом, - 2 2 м 2 Икс 2 + V ( х ) - 2 2 м 2 Икс 2 + В ( Икс ) ,

Так как это эрмитово, когда мы решаем Е ψ ( х ) = - 2 2 м 2 ψ Икс 2 + V ( х )   ψ ( х ) Е ψ ( Икс ) знак равно - 2 2 м 2 ψ Икс 2 + В ( Икс ) ψ ( Икс ) мы находим, что любые два различных решения ϕ , ψ φ , ψ либо имеют ту же энергию, либо d Икс   φ * ( х )   ψ ( х ) = 0 d Икс φ * ( Икс ) ψ ( Икс ) знак равно 0 исключая их постоянную функцию.

Кроме того, если мы когда-нибудь найдем полный спектр { ϕ я } { φ я } это дает нам простой способ найти компоненты:

ψ ( х ) = я с я φ я ( х ) где с я = d Икс   φ * я ( х ) ψ ( х ) . ψ ( Икс ) знак равно Σ я с я φ я ( Икс ) где с я знак равно d Икс φ я * ( Икс ) ψ ( Икс ) ,