如何理解"好"的量子数?

如何理解

好量子数,就是定义好了的状态量。

我们是怎么定义状态的?先看宏观热力学状态。就跟我们其实没法脱离时间、空间等运动量来定义运动一样,我们也没法脱离温度、能量、熵等状态量来定义状态。所谓状态,就是用一系列状态量来刻画的这个范畴。

为什么热和功不能作为状态量来定义状态呢?因为测量这两个量无法做到不改变这个状态本身。测功,无论如何都得让系统动一动。测热,无论如何都得向系统注入一点热量。这个“一点”,不是宏观无穷小的微扰,它的影响不可以被忽略。

而测温度、测压强等,宏观测量手段的影响都是可以被忽略的。也就是说,测量工具进入到你的系统里,虽然也会造成瞬时的微扰,但我们相信这个被扰动的系统很快会弛豫回原来的状态。

这个“快”,指的是在测量时间内的“快”。所以我们定义的状态,就是指的用来描述它的那些状态量,在测量时间内没有误差范围之外的改变。

显然,这个定义是不完备的。因为我们无法为大自由度的热力学系统找齐所有的状态量,也无法保证每个状态量的弛豫时间都是一样的。

也正是这种不完备性,如果直接把这个定义移植到微观,势必会让大家对其是否完备、有没有稳变量,进行广泛的质疑。

量子力学的统计诠释,首先第一步,就是将统计力学的微观状态,直接照搬了过去。

但是毕竟经典统计力学是基于经典牛顿力学,所有微观运动的状态量都可以同时确定,这并不符合量子力学的基本要求,所以就要去厘清哪些运动状态量能用,哪些不能用。这就有了“好”量子数的概念。

量子力学最大的特征,就是对测量的重新诠释。

初量有一个很容易产生误导的讲法,就是经常会用任意算符直接作用到任意状态上。这是秉承了线性代数的操作习惯。但大家想想,实际操作过程中,我们其实很少这样去做。

现代量子力学的框架普遍接受,任意算符作用到任意状态上,是没有定义的,除非这个状态是它的本征态。

换句话说,只有当算符作用在它的本征态上时,这个操作才有好的定义,即从定义这个状态的状态量中直接提取数字,或者叫好量子数,而不改变状态本身。不是本征态,就是非绝热的散射,操作起来相当不可控,不符合现代量子力学要求可控测量的核心思想。

从这个意义上讲,算符本身也是状态。就像量子计算里面把算符叫做稳定子(stabilizer),直接当成状态使用,而不需要让狄拉克矢量再显式地出现。

现代的密度矩阵重整化群(DMRG),也基本都改用矩阵乘积算符(MPO)或者张量网络来表达,状态矢量确实不怎么需要考虑了。

状态,已经与测量高度关联起来。联接它们的,正是好量子数。