Operator sprzężony (przestrzenie Hilberta)

Operator sprzężony (sprzężenie hermitowskie operatora) – operator definiowany w teorii przestrzeni Hilberta następująco:

Jeżeli są przestrzeniami Hilberta oraz jest operatorem liniowym i ograniczonym, takim że

to operatorem sprzężonym nazywa się operator liniowy

taki, że

gdzie zaś oznacza iloczyn skalarny określony odpowiednio w przestrzeniach oraz

Powyższa definicja wypowiedziana słownie mówi:

Operator sprzężony do danego operatora jest to operator taki, że następujące liczby są identyczne

(1) czyli iloczyn skalarny wektora przez wektor powstały w wyniku działania operatora na wektor oraz

(2) czyli iloczyn skalarny wektora przez wektor powstały w wyniku działania operatora na wektor

Należy zauważyć, że iloczyn skalarny jest zdefiniowany w przestrzeni zaś iloczyn skalarny jest zdefiniowany w przestrzeni

Z twierdzenia Riesza o reprezentacji funkcjonału wynika, że powyższy warunek wyznacza operator jednoznacznie.

Własności edytuj

Niech   będą przestrzeniami Hilberta oraz niech

 

będą operatorami liniowymi i ciągłymi.

  • Operator liniowy   jest ograniczony (ciągły) oraz
    •  
    •  
    •  
  • Jeżeli   jest izomorfizmem, to również   jest izomorfizmem.
  •  
  • Jeżeli   jest suriektywny, to   jest iniektywny.
  • Jeżeli   jest iniektywny, to obraz operatora   jest gęsty w   tzn.
     
  • Jeżeli   jest skalarem, to
     
  • Jeżeli   są skończenie wymiarowe, to operator   jest reprezentowany przez macierz   Wówczas, operator sprzężony do   reprezentowany jest przez macierz sprzężoną hermitowsko z  

Operator samosprzężony (hermitowski) edytuj

Osobny artykuł: operator samosprzężony.

Ograniczony operator liniowy   nazywany jest samosprzężonym lub hermitowskim, gdy jest równy swojemu sprzężeniu, tj.

 

co jest równoważne stwierdzeniu

 [1][2].

W pewnym sensie operatory hermitowskie mają własności analogiczne do liczb rzeczywistych (które są równe swoim sprzężeniom zespolonym).

Operatory hermitowskie tworzą przestrzeń wektorową nad ciałem liczb rzeczywistych, co oznacza, że:

  • suma operatorów hermitowskich jest operatorem hermitowskim,
  • iloczyn operatora hermitowskiego przez liczbę rzeczywistą jest operatorem hermitowskim.

Operatory te służą do modelowania obserwabli w mechanice kwantowej z tej racji, że mają rzeczywiste wartości własne (patrz niżej).

Twierdzenie Helligenra-Toeplitza mówi, że każdy operator samosprzężony, określony na całej przestrzeni Hilberta jest ograniczony. W ogólności zachodzi jednak potrzeba zdefiniowania operatorów samosprzężonych nieograniczonych (np. operatory położenia i pędu w mechanice kwantowej). Z konieczności nie są one określone na całej przestrzeni Hilberta, a jedynie na podprzestrzeni  

Operatory samosprzężone w mechanice kwantowej edytuj

W mechanice klasycznej definiuje się różne wielkości fizyczne, które można zmierzyć, np. energię, pęd czy moment pędu. Wielkości te są odpowiednio skalarem, wektorem i pseudowektorem i mogą przyjmować dowolne wartości. Jednak wyniki eksperymentów pokazują, że niekiedy jest inaczej – niekiedy bowiem wielkości mierzalne przyjmują wartości dyskretne.

Dokładniejszego opisu rzeczywistości fizycznej dostarcza mechanika kwantowa, gdzie do opisu wielkości mierzalnych wprowadza się operatory hermitowskie. Operatory te są nazywane obserwablami, gdyż ich wartości własne przedstawiają jedyne wartości liczbowe, jakie można otrzymać w wyniku pomiaru (czyli „obserwacji”) danej wielkości fizycznej.

Np. definiuje się operatory pędu, energii, momentu pędu, spinu, które są określone na pewnej przestrzeni Hilberta (przy czym postać przestrzeni Hilberta zależy od rodzaju rozpatrywanego układu fizycznego). Jeżeli operatory mają dyskretne widmo wartości własnych, to oznacza, że wartości możliwe do uzyskania w pomiarze także są dyskretne.

Zobacz też edytuj

Przypisy edytuj

Bibliografia edytuj

Linki zewnętrzne edytuj