对于描述一个量子体系的任意一组完备正交基,都存在至少一个厄米算符使得这个算符的本征态是这一组正交基么?

陈罗彬

(文/方弦)

这是显然的。假设A_1, ..., A_k是一组完备正交基,不妨假设所有A_i的模都是1,而我们希望A_i的能量为e_i。考虑以下的厄米算符:

L = e_1|A_1>

根据正交性,我们显然有L |A_i> = e_i |A_i>。而根据每一项的对称性,算符L显然是厄米的。

如果假设的完备正交基有无限个,那么问题就更麻烦一些,因为要考虑收敛性。但如果收敛的话,上面的构造显然是可行的。即使不收敛,也不一定有问题,因为也许可以通过某些技巧(比如重整化)来达到“收敛”的效果。比如说氢原子轨道问题,虽然有无穷个完备正交基,而对应的能量也是所有正整数,但通过物理上的技巧,仍然可以找出对应的厄米算符。

当然,如果能量可以任意设定的话,其实相应的厄米算符不一定存在。但这更多的是数学上的可能性。对于自然界中会发生的事情而言,一般来说,只要能写出一组完备正交基,那么对应的能量条件几乎必定允许厄米算符的存在。也就是说,即使从数学上来说不一定存在,但在实践中几乎必定存在,不需要过度担心。

当然,另一个问题就是建模。从第一性原理出发构建的完备正交基一般不会有问题。但如果从唯象的理论(比如说价键理论)出发的话,构建出来的基就不一定是完备正交的。重新将其正交化的工作不是不可以,但因为厄米算符对应的完备正交基是唯一的,所以重新正交化之后,也会落到第一性原理构建的完备正交基上,所以这种做法不一定值得。但如果第一性原理本身的计算非常麻烦,而唯象理论给出的基比较容易构建,也比较靠近真正的完备正交基的话,这也不失为一种可行的办法。

当然,我对计算化学不熟,很多东西都是听一位高中同学说的,道听途说请不要过于当真,仅仅作为参考就可以了。


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