吴承恩的《西游记》第二十七回《尸魔三戏唐三藏 圣僧恨逐美猴王》,讲的是唐僧师徒四人为取真经,行至白虎岭前。在白虎岭内,住着一个尸魔白骨精,其为了吃唐僧肉,先后变换为村姑、老妪和老翁,全被孙悟空识破。唐僧却不辨人妖,反而责怪孙悟空恣意行凶,连伤无辜性命,违反戒律,写下贬书,将孙悟空赶回了花果山。此故事启示人们:不要被表面现象、虚情假意、伪善的一面所蒙骗。孙悟空能识破妖精真面目靠的是火眼金睛,妖精的外表虽不断变换,但其本质不变。
由此我们可以联想到,同一个量子算符函数在不同排序规则下,其本质不变,但呈现的形式不同,它们有各自的应用。理论物理的精华就是在变换中求不变的东西。物理学家的“火眼金睛”是能找到不同的排序形式之间的转换关系。
以光场的真空投影算符|0><0|为例(这个符号是狄拉克发明的,|0>称为“右矢”,<0|称为“左矢”),它应该可以表达为基本算符a与a†函数,a是光子湮灭算符,a†是光子产生算符。湮灭和产生的顺序是不可颠倒的。例如,每个人在地球上都是先生后灭。
理论物理学家为什么要引入a与a†呢?原因是要认知光的量子本性,首先要有一个描述光子的产生和湮灭的表象。而经典光学讨论的主要是光在介质中传播的行为,如干涉、衍射和偏振。麦克斯韦经典电动力学进了一步,把光认作是电磁场,认为光是由电磁波组成的,把每一个波作为一个振子来处理,这体现了光的波动说,但并没有讨论光的产生和湮灭机制。就像我们看到电闪雷鸣是在浩瀚的天空中发生的那样,阐述光的产生和湮灭也要有一个人们构想的理论“空间”,这就是光子数表象。
要直观地介绍光子数表象,以谐振子的量子化(量子的产生和湮灭机制)为例来阐述是较容易被接受的。这样做是因为考虑到:从谐振子的经典振动本征模式容易过渡为量子能级。经典力学中弦振动是一种典型的谐振子运动,固定弦的两端称为波节,当两端固定的弦的长度为L,则弦长必须是振荡波半波长的整数倍。只有这样,整个弦长才正好嵌入整数个半波长。另外,弦的振动有基频与泛频,因此谐振子的量子化既能保持与经典情形类似的特性,又符合德布罗意波的特征。虽然经典光学中没有光产生和湮灭的理论,但谐振子的振动可产生波,若将此与德布罗意的波粒二象性作参照,光波的产生就对应产生光子(或大致可以理解为:粒子伴随着一个波),所以要使理论能描述光量子的产生和湮灭,就得把谐振子各种本征振动模式比拟为一个“光子库”。鉴于经典谐振子有它的本征振动模式,按整数标记,所以量子谐振子也应有它的本征振动模式,记为|n>。n是零或正整数,|n>的集合就是谐振子的“量子库”。打个比方,把|n>看做一个盛着n元钱的口袋,a是湮灭算符,a†是产生算符,a†a就表示“数”钱的操作(算符)。具体而言,对|n>以a作用,表示从口袋里取出一元钱,n➝n-1再将这一元钱放回口袋去(此操作以a†对|n-1>作用表示),口袋里的钱又变回到n元,可见取出一次又放回去相当于“数”钱的操作,以a†a表示。在“量子银行”里,先存入后取出与先取出后存入的效果不同,故a a†-a†a=[a,a†]=1。当口袋里没有钱时(以|0>表示,称为Fock真空态)就无法再从中取钱,所以
a|0>=0
《心经》中有“不生不灭”(注意不是“不灭不生”),用Delta函数表示之即
|0><0|=π δ(a)δ(a†)
这里δ(a)排在δ(a†)左面,表示先产生后湮灭(常说的“自生自灭”),这符合真空的直观意思,即那里有光子产生(用Delta函数δ(a†)表示),那里就湮灭它(用δ(a)表示),可见在Fock空间中时刻要注意算符的排序问题。再用Delta函数的傅里叶变换式将上式写为积分
对d2ξ积分时,在::内部a与a†可以被视为积分参量,这就是正规乘积排序算符内的积分技术(英文名IWOP方法),积分得到
这就是|0><0|的正规排序算符形式。
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