Nagyobb molekulákat,illetve kristályszerkezetekben levő atomokat harmonikus oszcillátorokkal helyettesítsük.És ezekre egy mátrixalgebrás leírást kell használni,amik lineárisak.Ezeket onnan kapjuk,hogy
lineáris differenciálegyenlet+határfeltételek=lineáris mátrixalgebra.
Kezdjük el:{} továbbra is kommutátort jelent,csak a szögletes zárójelet nem tudom előhívni a billentyűzetből.Nézzük a egydimenziós harmonikus oszcillátor Schrödinger egyenletét.
H=1/2m p2+1/2 m omega2x2,p=hvonási/i d/dx
{x,p}pszi=xp pszi-px pszi=xhvonás/i dpszi/dx-hvonás/i d(xpszi)/dx=
xhvonás/i dpszi/dx-hvonás/i pszi-xhvonás/i dpszi/dx=-hvonás/i pszi
vagyis csak az operátorokat leírva:
{x,p}=hvonás/i
vezessünk be egy távolságegységet:gyökalatt(hvonás/m omega)
ez méter mértékegységű.
és vezessünk be egy impulzusegységet:
gyökalatt(m hvonás omega)
ez kgm/s mértékegységű
És ezekkel az egységgel vezessük be a X,P mértékegység nélküli helykoordinátát és impulzuskoordinátát.
x=gyökalatt(hvonás/m omega) X
p=gyökalatt(m hvonás omega)P
H=p2/2m+m omega2 x2/2=hvonás omega/2 (P2+X2)
{X,P}=i
a=(X+iP)/gyök2 ez az abszprpció operátor
a+=(X-iP)/gyök2 ez az emisszió operátor
{a,a+}=aa+-a+a=(X+iP)(X-iP)/2-(X-iP)(X+iP)/2=-XiP+iPX=i(PX-XP)=-i2=1
X=(a+a+)/gyök2
P=(a-a+)/igyök2
N=a+a
N a kvantumszámoperátor
H=hvonás omega/2 (aa++a+a)=hvonás omega(N+1/2)
{} a kommutátor,a kvantumszámoperátor csereszabályai
{a,N}=a
{a+,N}=-a+
H ket(n)=En ket(n)
En=hvonás omega(n+1/2)
N ket(n)=n ket(n)
a+ ket(n)=gyökalatt(n+1) ket(n+1)
a ket(n)=gyökalatt(n) ket(n-1)
ha a ket(n0)=0
akkor a+(a ket(n0))=0
tehát n0=0.A legkisebb sajátérték zérus,a megfelelő sajátvektor a harmonikus oszcillátor állapotát írja le.
Ezt az jellemzi,hogy a ket(0)=0.
Mivel n=0-ból a léptetéssel minden természetes számhoz eljuthatunk és mivel minden n-ből lefelé léve egyesével n0=0-ba kell érnünk,n csak nemnegatív egész szám lehet:n=0,1,2,....
Ez En=n hvonás omega+1/2 hvonás omega szerint meghatározza a harmonikus lineáris oszcillátor energiaértékeit is:
En=hvonás omega(n+1/2),n=0,1,2,...
A ket(0) által értelmezett alapállapotból a+ alkalmazásával minden sajátvektor megkapható:
ket(n)=(n!)-1/2(a+)n ket(0)
Az a+(n)=gyökalatt(n+1) ket(n+1) tulajdonság alapján a+ neve emisszióoperátor.A a+(n)=gyökalatt(n) ket(n-1) tulajdonság alapján a neve abszorpcióoperátor.N neve N ket(n)=n ket(n) alapján N neve kvantumszámoperátor.En=hvonás omega(n+1/2) energia az E0=hvonás omega/2 alapállapotenergián kívül hvonás omega energiakvantumokból tevődik össze.
{X,P}=i
P=-i d/dQ ,d/dQ=iP
a=(X+iP)/gyök2 a+=(X-iP)/gyök2
a=1/gyök2 (Q+d/dQ)
a+=1/gyök2 (Q-d/dQ)
Ekkor az alapállapot meghatározó egyenlete
a ket(0)=0 szerint
1/gyök2 (X+d/dX) bra(X)ket(0)=0
így az alapállapot X-reprezentációban a következő sajátfüggvény írja le:
bra(X)ket(0)=pi-1/4 exp(-1/2 X2)
A többi sajátfüggvény ebből X-reprezentációban ket(n)=(n!)-1/2 (a+)n ket(n) szerint képezhető:
bra(X)ket(n)=pi-1/4(n!)-1/22-n/2(X-d/dX)nexp(-1/2 X2)
Így adódik az ismert Hermite-polinomos-megoldás:
bra(X)ket(n)=Hn(X)exp(-1/2 X2)
Az emisszió-és abszorpcióoperátorok egyszerű matematikai szerkezete lehetővé teszi,hogy velük kompilkáltabb kifejezéseket is könnyen kiértékelhessük.Az
{a,a+}=1
felcserélési törvényből könnyen adódik:
{a,a+2}={a,a+}a++a+{a,a+}=2a+
{a,(a+)n}=n(a+)n-1
{a,szumma cn(a+)n}=szumma cn n(a+)n-1=d/da+ szumma cn(a+)n
tehát hatványsorba fejthető függvényekre
{a,f(a+)}=d(f(a+))/da+
Az a és a+ operátort bontsuk két hermitikus részre.Legyen:
a=gyökalatt(N) FI
a+=FI+ gyökalatt(N)
Itt gyökalatt(N) az a hermtikus operátor,amelynek négyzete az N kvantumszámoperátor.Ekkor pedig N=a+a-ból(legalábbis az Nnem=0 esetre)következik,hogy
FI+FI=1,mert a+a=FI+gyökalatt(N)gyökalatt(N)FI=N
FI tehát unitéroperátor(egy operátor akkor unitér,ha A+=A-1).
{a,a+}=1 alapján:
{FI,N}=0,ha Nnem=0 csereszabály.
{FI,a+a}=fi
FI unitér voltára hivatkozva gyakran kézenfekvő a fi=exp(-i fi) jelölést használni.
FI+FI=1-ből Nnem=0 esetén formálisan arra is gondolhatunk,hogy fi hermitikus.Ezért gyökalatt(N) nevezhető "amplitúdóoperátornak",fi pedig "fázisoperátornak.Ezeket az elnevezéseket az
a=gyökalatt(N)exp(-i fi)
a+=exp(i fi)gyökalatt(N)
X=1/gyök2 (a+a+)=1/gyök2 (gyökalatt(N)exp(-i fi)+exp(i fi)gyökalatt(N))
P=1/igyök2 (a-a+)=1/i gyök2 (gyökalatt(N)exp(-i fi)-exp(i fi)gyökalatt(N))
előállítások kézenfekvővé teszik.
{fi,N}=i határozatlansági reláció nem egyértelmű.Csak azt mondják,hogy
{exp(i fi),N}={exp(-i fi),N}=1 összefüggést engedik meg.
Mivel a+ ket(n)=gyökalatt(n+1) ket(n+1)
a ket(n)=gyökalatt(n) ket(n-1)
gyökalatt(N) ket(n)=gyökalatt(n) ket(n)
a=gyökalatt(N)FI,a+=FI+gyökalatt(N) egyenleteket figyelembe véve kapjuk:
FI+ ket(n)=ket(n+1)
FI ket(n)=ket(n-1) (ha nnem=0)
Az operátorok időfüggését Heisenberg-képben a mozgásegyenletek határozzák meg:
d(a)/dt=i/hvonás {H,a}=-i omega a
d(N)/dt=i/hvonás {H,N}=0
d(FI)/dt=i/hvonás {H,FI}=-i omega FI
d(P)/dt=i/hvonás {H,P}=-omega X
d(X)/dt=i/hvonás {H,X}=P
A harmonikus oszcillátorok összefüggése az elektromágneses mezőre is fenn áll.Legyen Al az l-edik sugárzási módushos tartozó vektorpotenciál,E az elektromos térerősség,B a mágneses térerősség,fi a skalárpotenciál:
használjuk a Coulomb mértéket:divA=0,és a töltésektől mentes tiszta sugárzási tér esetét:fi=0.
E=-dA/dt
B=rotA
Véges térfogatú dobozban a sugárzási térben a vektorpotenciál csak diszkrét értékeket vehet fel,normálmódusainak teljes rendszere alakul,amik szétcsatolódnak:
A(r,t)=szumma(Al(t)ul(r)
d2A/dt2=c2 nabla2A
hullámegyenlet külön-külön érvényes az egyes módusok vektorpotenciáljára.
Ha a módusok ortonormáltbázisrendszert alkotnak:
d2Al/dt2=-omegal2Al
Ez a Jeans-törvény.
A Hamilton-operátor:
H=integrál(epszilon0E2/2+B2/2mü0)=
epszilon0/2 szumma{l}(dAl/dt)2+szumma{l}Al2=
szumma{l}(epszilon0(dAl/dt)2/2+epszilon0omegal2Al2/2)
Ha itt epszilon0 helyébe egy m tömeget gondolunk,akkor minden tag pontosan egy harmonikus oszcillátor energiája,kifejezve az Al koordinátával és az dAl/dt sebességgel.Akkor viszont,px=mdx/dt analógiájára,pil=epszilon0dAl/dt az Al koordinátához konjugált impulzus.
Innen már egyenes út vezet a kvantumelmélethez:az Al(t) és pil(t) klasszikus mennyiségek helyett vezessük be Al és pil operátorokat,amelyek kielégítik a
{pil,Al}=hvonás/i I.
Itt {} a kommutátor,míg I az egységtenzor.
felcserélési relációt.
H=szumma{l}(pil2/(2 epszilon0)+epszilon0omegal2Al2/2)=
szumma{l}hvonás omegal(al+al+1/2),ahol bevezettük az l-edik módus
al=gyökalatt(epszilon0 omega/2hvonás)(Al+i pil/(epszilon0omegal))
eltüntető operátort és
al+=gyökalatt(epszilon0 omega/2hvonás)(Al-i pil/(epszilon0omegal))
keltő operátort,amelyek felcserélési relációja:{al,al+}=1
En1,n2,...=szumma{l}(hvonás omegal(nl+1/2))
az l-edik módusban nl foton található;ezek energiájából tevődik össze a szabad elektromágneses mező energiája.
Az al hatására egy foton eltünik,al+ hatására pedig keletkezik.
Vagyis a fotonok az elektromágneses mező gerjesztett állapotai. Vagyis csak az elektromágneses mező aminek fizikai realitása van,a foton pedig ennek energiaállapota ,amit megszemélyesítve részecskének.De más elemi részecskék is mezőknek a gerjesztett állapota.Például a pion+=müon++müoneutrino reakcióban nem az történik,hogy a pion szétszakad müonra és neutrinora.Mert a pionban a bomlás előtt nem volt müon és neutrino.Hanem a piont a bomlás pillanatában egy a eltünető operátor(abszorpcióoperátor) eltünteti,és közvetlenül utána a+ keltő operátorok(emisszióoperátor) kelti őket.A kvantumtérelmélet alapgondolata az,hogy a részecskeszám nem állandó,részecskék keletkezhetnek és eltünhetnek.