Том 3. Квантовая механика

Заметьте, однако, что в (6.6) входит величина, отличная от скалярного произведения. Скалярное произведение — это просто число, а (6.6) — векторное уравнение. Одним из великих приемов векторного анализа было абстрагировать от уравнений идею самого вектора. Равным образом можно попытаться абстрагировать от уравнения (6.1) то, что в квантовой механике является аналогом «вектора». И это действительно можно сделать. Уберем <χ| по обе стороны (6.1) и напишем такое уравнение (не пугайтесь — это просто обозначение, и через пару минут вы узнаете, что означают эти символы):

(6.8)

Скобку <χ|φ> представляют себе состоящей из двух половинок. Вторую половинку |φ> называют кет, а первую <χ| называют брэ (поставленные рядом они образуют брэ-кет≡bгаcket, скоб-ка≡скобка — обозначение, предложенное Дираком); полусимволы <χ| и |φ> также называют векторами состояний. Это не числа отнюдь, а нам вообще-то нужно, чтобы результаты наших расчетов выражались числами; стало быть, такие «незаконченные» величины представляют собой промежуточные шаги в расчетах.

До сих пор мы все свои результаты выражали с помощью чисел. Как же мы умудрялись избегать векторов? Забавно, что даже в обычной векторной алгебре можно сделать так, чтобы во все уравнения входили только числа. Например, вместо векторного уравнения типа

всегда можно написать

Получается уравнение, связывающее скалярные произведения и справедливое для любого вектора С. Но если оно верно для любого С, то едва ли имеет смысл вообще писать это С!

Теперь вернемся к (6.1). Это уравнение справедливо при любых χ. Значит, для сокращения письма мы должны просто убрать χ и написать вместо (6.1) уравнение (6.8). Это уравнение снабдит нас той же самой информацией, лишь бы мы понимали, что его всегда надлежит «завершить», «умножив слева на...», т. е. просто дописав некоторое <χ| по обе стороны знака равенства. Следовательно, (6.8) означает в точности то же, что и (6.1), — ни более ни менее. Если вы предпочитаете числа, вы подставляете то <χ|, которое вам нужно.

Может быть, вы в уравнении (6.8) уже нацелились и на φ? Раз (6.8) справедливо при любом φ, зачем же нам его держать? И действительно, Дирак предлагает абстрагироваться и от φ, так что остается только

(6.9)

Вот он каков — великий закон квантовой механики! Этот закон утверждает, что если вы вставите любые два состояния χ и φ с обеих сторон, слева и справа, то опять вернетесь к (6.1). Уравнение (6.9) вообще-то не очень полезно, но зато является неплохим напоминанием о том, что уравнение выполняется для любых двух состояний.

§ 2. Разложение векторов состояний

Посмотрим на уравнение (6.8) еще раз; его можно рассматривать следующим образом. Любой вектор состояния |φ> может быть представлен в виде линейной комбинации совокупности базисных «векторов» с подходящими коэффициентами, или, если угодно, в виде суперпозиции «единичных векторов» в подходящих пропорциях. Чтобы подчеркнуть, что коэффициенты <i|φ> — это просто обычные (комплексные) числа, напишем

Тогда (6.8) совпадает с

(6.10)

Такое же уравнение можно написать и для всякого другого вектора состояния, скажем для |χ>, но, конечно, с другими коэффициентами, скажем с D_i. Тогда будем иметь

(6.11)

где D_i — это просто амплитуды <i|χ>.

Представим, что мы начали бы с того, что в (6.1) абстрагировались бы от φ. Тогда мы бы имели

(6.12)

Вспоминая, что <χ|i>=<i|χ>*, можно записать это в виде

(6.13)

А теперь интересно вот что: чтобы обратно получить <χ|φ>, можно просто перемножить (6.13) и (6.10). Только, делая это, надо быть внимательным к индексам суммирования, потому что они в разных уравнениях разные. Перепишем сперва (6.13):

Это ничего не меняет. Объединяя с (6.10), получаем

(6.14)

Вспомните, однако, что i>=δ_ij, так что в сумме останутся только члены с j=i. Выйдет

(6.15)

где, как вы помните, D_i*=<i|χ>*=<χ|i>, а C_i=. Опять мы являемся свидетелями тесной аналогии со скалярным произведением

Единственная разница — что D_i нужно комплексно сопрягать. Значит, (6.15) утверждает, что если разложить векторы состояний <χ| и |φ> по базисным векторам <i| или |i>, то амплитуда перехода из φ в χ дается своего рода скалярным произведением (6.15). А это просто (6.1), записанное в других символах. Мы ходим по кругу, привыкая к новым символам.

Может быть, стоит подчеркнуть, что в то время, как пространственные трехмерные векторы выражаются через три ортогональных единичных вектора, базисные векторы |i> квантовомеханических состояний должны пробегать всю совокупность, отвечающую данной задаче. В зависимости от положения вещей в нее может входить два или три, пять или бесконечно много базисных состояний.