不同力学量同时有确定值的条件

当体系处于力学量 FF 的本征态时,测量 FF 得到的是确定值,即该本征态对应的本征值。但如果在该状态下测量力学量 GG,并不一定能得到确定值。如果两个力学量有共同的本征态,且处于该本征态时,才能都得到确定值。

可以证明,F^\hat{F}G^\hat{G} 对易 \Rightarrow 力学量 FFGG 具有共同本征态。
如果一组算符有共同的本征函数,且这些本征函数组成完全系 \Rightarrow 这组算符中任意一个算符与其他所有算符对易。

如何完全确定系统状态

为完全确定状态所需的一组两两对易的力学量算符的最小(数目)集合称为力学量完全集

假如有一组彼此独立相互对易的厄密算符 A^(A^1,A^2,)\hat{A}(\hat{A}_{1},\hat{A}_{2}, \ldots ),根据上面的性质,它们有一组共同的本征函数 ϕn\phi_{n},可以用这组本征函数确定体系的一个可能状态,那么 (A^1,A^2,)(\hat{A}_{1},\hat{A}_{2}, \ldots ) 构成系统的一个力学量完全集。
力学量完全集包含的力学量数目等于体系的自由度。体系的任何状态都可以用力学量完全集所确定的本征函数系展开

ψ=nanϕn\psi=\sum_{n}a_n \phi_{n}

例如:
一维运动粒子波函数可以用动量本征态 ϕpeipx/\phi_{p}\sim e^{ipx /\hbar} 展开

ψ(x)=C(p)eipx/dp2π\psi(x)=\int C(p)e^{ipx /\hbar} \frac{\mathrm{d}p}{\sqrt{2\pi \hbar}}

故动量构成一维运动粒子的一个力学量完全集。如果是三维运动粒子,它的一个力学完全集可以是动量的三个分量 (px,py,pz)(p_{x},p_y,p_z)

不确定度关系的说明

两个力学量 A^,B^\hat{A},\hat{B},若彼此不对易 [A^,B^]0[\hat{A},\hat{B}]\neq 0,则一般不能同时有确定值。在任一量子态中,其测量值的不确定程度满足不确定度关系 ΔAΔB12[A^,B^]\displaystyle \Delta A \Delta B\ge \frac{1}{2}\left\vert \lang [\hat{A},\hat{B}]\rang \right\vert

ΔA,ΔB\Delta A,\Delta B 的定义:

(ΔA)2=ψ(A^A^)2ψd3r=ψ(A^A^)2ψ(\Delta A)^{2}=\int \psi^{*}(\hat{A}-\lang \hat{A} \rang)^{2} \psi \mathrm{d}^{3}r =\lang \psi|(\hat{A}-\lang \hat{A} \rang)^{2}|\psi \rang

(ΔB)2=ψ(B^B^)2ψd3r=ψ(B^B^)2ψ(\Delta B)^{2}=\int \psi^{*}(\hat{B}-\lang \hat{B} \rang)^{2} \psi \mathrm{d}^{3}r =\lang \psi|(\hat{B}-\lang \hat{B} \rang)^{2}|\psi \rang

其中 ΔA,ΔB\Delta A,\Delta B 分别是力学量 A^,B^\hat{A},\hat{B} 的方均根偏差,代表它们的不确定度,反映的是测量时的涨落。

例子:

[x,p^x]=iΔxΔpx2\because [x,\hat{p}_{x}]=i \hbar \quad \therefore \Delta x\Delta p_{x}\ge \frac{\hbar}{2}

验证了海森堡不确定性关系。