В разделе 2.3 второго издания Modern Quantum Mechanics (в котором обсуждается гармонический осциллятор) Сакураи выводит соотношение
это означает, что и одинаковы с точностью до мультипликативной константы.
На мой взгляд, это подразумевается только в том случае, если -собственное пространство числового оператора соответствующий является одномерным. Если оно многомерно, то нельзя сказать, что и пропорциональны. Итак (если только я не допустил фундаментальной ошибки), откуда мы знаем, что собственные пространства являются одномерными?
ОП написал (v1):
Итак (если только я не допустил фундаментальной ошибки), откуда мы знаем, что -собственные пространства являются одномерными?
Да, ОП прав. В общем, мы не можем знать. Существуют приводимые унитарные представления алгебры Гейзенберга , где собственные значения вырождаются.
Однако, если предположить, что кет-гильбертово пространство является нетривиальным неприводимым унитарным представлением алгебры Гейзенберга, то можно показать, что собственные значения алгебры должен быть невырожденным. См., например, этот ответ Phys.SE.