量子力学の様々な構成方法 第2部 第4章 §2.4.2 ★★★ 共通例題①を生成消滅演算子の代数だけで解く。スペクトル・行列要素・熱平衡の Z Z Z と ⟨ n ⟩ \langle n \rangle ⟨ n ⟩ まで出し、第1章の Heisenberg の解き方と並べる
ハミルトニアンを因数分解する
調和振動子 H ^ = p ^ 2 / ( 2 m ) + m ω 2 x ^ 2 / 2 \hat H=\hat p^2/(2m)+m\omega^2\hat x^2/2 H ^ = p ^ 2 / ( 2 m ) + m ω 2 x ^ 2 /2 に対して
a ^ = m ω x ^ + i p ^ 2 m ℏ ω , a ^ † = m ω x ^ − i p ^ 2 m ℏ ω (2.4.3) \hat a=\frac{m\omega\hat x+\mathrm{i}\hat p}{\sqrt{2m\hbar\omega}},\qquad
\hat a^\dagger=\frac{m\omega\hat x-\mathrm{i}\hat p}{\sqrt{2m\hbar\omega}}\tag{2.4.3} a ^ = 2 m ℏ ω mω x ^ + i p ^ , a ^ † = 2 m ℏ ω mω x ^ − i p ^ ( 2.4.3 )
と置く。[ x ^ , p ^ ] = i ℏ \left[\hat x,\,\hat p\right]=\mathrm{i}\hbar [ x ^ , p ^ ] = i ℏ から
[ a ^ , a ^ † ] = 1 2 m ℏ ω ( − i m ω [ x ^ , p ^ ] + i m ω [ p ^ , x ^ ] ) = 2 m ω ℏ 2 m ℏ ω = 1 \left[\hat a,\,\hat a^\dagger\right]=\frac{1}{2m\hbar\omega}\bigl(-\mathrm{i} m\omega\left[\hat x,\,\hat p\right]+\mathrm{i} m\omega\left[\hat p,\,\hat x\right]\bigr)=\frac{2m\omega\hbar}{2m\hbar\omega}=1 [ a ^ , a ^ † ] = 2 m ℏ ω 1 ( − i mω [ x ^ , p ^ ] + i mω [ p ^ , x ^ ] ) = 2 m ℏ ω 2 mω ℏ = 1
である。積を展開すると a ^ † a ^ = 1 2 m ℏ ω ( m 2 ω 2 x ^ 2 + p ^ 2 + i m ω [ x ^ , p ^ ] ) = H ^ ℏ ω − 1 2 \hat a^\dagger\hat a=\frac{1}{2m\hbar\omega}\bigl(m^2\omega^2\hat x^2+\hat p^2+\mathrm{i} m\omega\left[\hat x,\,\hat p\right]\bigr)=\frac{\hat H}{\hbar\omega}-\frac12 a ^ † a ^ = 2 m ℏ ω 1 ( m 2 ω 2 x ^ 2 + p ^ 2 + i mω [ x ^ , p ^ ] ) = ℏ ω H ^ − 2 1 なので、
H ^ = ℏ ω ( a ^ † a ^ + 1 2 ) , [ a ^ , a ^ † ] = 1 (2.4.4) \hat H=\hbar\omega\Bigl(\hat a^\dagger\hat a+\frac12\Bigr),\qquad \left[\hat a,\,\hat a^\dagger\right]=1\tag{2.4.4} H ^ = ℏ ω ( a ^ † a ^ + 2 1 ) , [ a ^ , a ^ † ] = 1 ( 2.4.4 )
を得る。命題 2.4.2 の形 H ^ = B ^ † B ^ + c \hat H=\hat B^\dagger\hat B+c H ^ = B ^ † B ^ + c で、B ^ = ℏ ω a ^ \hat B=\sqrt{\hbar\omega}\,\hat a B ^ = ℏ ω a ^ 、c = ℏ ω / 2 c=\hbar\omega/2 c = ℏ ω /2 に当たる。N ^ = a ^ † a ^ \hat N=\hat a^\dagger\hat a N ^ = a ^ † a ^ と置くと [ N ^ , a ^ ] = a ^ † [ a ^ , a ^ ] + [ a ^ † , a ^ ] a ^ = − a ^ \left[\hat N,\,\hat a\right]=\hat a^\dagger\left[\hat a,\,\hat a\right]+\left[\hat a^\dagger,\,\hat a\right]\hat a=-\hat a [ N ^ , a ^ ] = a ^ † [ a ^ , a ^ ] + [ a ^ † , a ^ ] a ^ = − a ^ 、同様に [ N ^ , a ^ † ] = a ^ † \left[\hat N,\,\hat a^\dagger\right]=\hat a^\dagger [ N ^ , a ^ † ] = a ^ † なので、a ^ \hat a a ^ は梯子の補題で ϵ = 1 \epsilon=1 ϵ = 1 (エネルギーでは ℏ ω \hbar\omega ℏ ω )の下りの演算子である。a ^ \hat a a ^ は古典の複素振幅 ( m ω x + i p ) / 2 m ω (m\omega x+\mathrm{i} p)/\sqrt{2m\omega} ( mω x + i p ) / 2 mω を ℏ \sqrt\hbar ℏ で割って帽子を付けたもので、その古典の意味(作用角変数との関係)は解析力学から様々な理論分野を組み立てる 第4部第4章 にある。
スペクトルを決める
定理 2.4.3([ a ^ , a ^ † ] = 1 [\hat a,\hat a^\dagger]=1 [ a ^ , a ^ † ] = 1 の表現 ★★★)
ヒルベルト空間の上で [ a ^ , a ^ † ] = 1 \left[\hat a,\,\hat a^\dagger\right]=1 [ a ^ , a ^ † ] = 1 が成り立ち、N ^ = a ^ † a ^ \hat N=\hat a^\dagger\hat a N ^ = a ^ † a ^ が固有ベクトルを持つとする。このとき
(i) N ^ \hat N N ^ の固有値は n = 0 , 1 , 2 , … n=0,1,2,\dots n = 0 , 1 , 2 , … に限られ、どの n n n も実際に現れる。
(ii) a ^ ∣ 0 ⟩ = 0 \hat a| 0 \rangle =0 a ^ ∣0 ⟩ = 0 を満たす ∣ 0 ⟩ | 0 \rangle ∣0 ⟩ から ∣ n ⟩ = ( a ^ † ) n ∣ 0 ⟩ / n ! | n \rangle =(\hat a^\dagger)^n| 0 \rangle /\sqrt{n!} ∣ n ⟩ = ( a ^ † ) n ∣0 ⟩ / n ! と置くと、これらは正規直交で
a ^ ∣ n ⟩ = n ∣ n − 1 ⟩ , a ^ † ∣ n ⟩ = n + 1 ∣ n + 1 ⟩ (2.4.5) \hat a| n \rangle =\sqrt n\,| n-1 \rangle ,\qquad \hat a^\dagger| n \rangle =\sqrt{n+1}\,| n+1 \rangle\tag{2.4.5} a ^ ∣ n ⟩ = n ∣ n − 1 ⟩ , a ^ † ∣ n ⟩ = n + 1 ∣ n + 1 ⟩ ( 2.4.5 )
が成り立つ。3. (iii) 表現が既約(a ^ \hat a a ^ , a ^ † \hat a^\dagger a ^ † の両方で閉じる部分空間が { 0 } \{0\} { 0 } と全体しかない)なら、a ^ ∣ 0 ⟩ = 0 \hat a| 0 \rangle =0 a ^ ∣0 ⟩ = 0 の解は定数倍を除いて1つで、{ ∣ n ⟩ } \{| n \rangle \} { ∣ n ⟩} は空間全体の基底になる。
したがって調和振動子のエネルギーは
E n = ℏ ω ( n + 1 2 ) , n = 0 , 1 , 2 , … (2.4.6) E_n=\hbar\omega\Bigl(n+\frac12\Bigr),\qquad n=0,1,2,\dots\tag{2.4.6} E n = ℏ ω ( n + 2 1 ) , n = 0 , 1 , 2 , … ( 2.4.6 )
で、既約な表現ではどの準位も縮退しない。
証明 (i) 規格化した固有ベクトル ∣ ν ⟩ | \nu \rangle ∣ ν ⟩ (N ^ ∣ ν ⟩ = ν ∣ ν ⟩ \hat N| \nu \rangle =\nu| \nu \rangle N ^ ∣ ν ⟩ = ν ∣ ν ⟩ )について、正値性から ν = ⟨ ν ∣ a ^ † a ^ ∣ ν ⟩ = ∥ a ^ ∣ ν ⟩ ∥ 2 ≥ 0 \nu=\langle \nu | \hat a^\dagger\hat a | \nu \rangle =\lVert \hat a| \nu \rangle \rVert ^2\ge0 ν = ⟨ ν ∣ a ^ † a ^ ∣ ν ⟩ = ∥ a ^ ∣ ν ⟩ ∥ 2 ≥ 0 。梯子の補題により、a ^ ∣ ν ⟩ ≠ 0 \hat a| \nu \rangle \neq0 a ^ ∣ ν ⟩ = 0 なら固有値 ν − 1 \nu-1 ν − 1 の固有ベクトルで、そのノルムの2乗は ν \nu ν である。a ^ \hat a a ^ を k k k 回当てた a ^ k ∣ ν ⟩ \hat a^k| \nu \rangle a ^ k ∣ ν ⟩ は、0 0 0 でない限り固有値 ν − k \nu-k ν − k を持つ。ν \nu ν が整数でなければ、k > ν k>\nu k > ν で負の固有値が現れて正値性に反するので、どこかで 0 0 0 にならなければならない。ところが a ^ k ∣ ν ⟩ ≠ 0 \hat a^k| \nu \rangle \neq0 a ^ k ∣ ν ⟩ = 0 、a ^ k + 1 ∣ ν ⟩ = 0 \hat a^{k+1}| \nu \rangle =0 a ^ k + 1 ∣ ν ⟩ = 0 なら、a ^ k ∣ ν ⟩ \hat a^k| \nu \rangle a ^ k ∣ ν ⟩ の固有値 ν − k \nu-k ν − k は ∥ a ^ a ^ k ∣ ν ⟩ ∥ 2 / ∥ a ^ k ∣ ν ⟩ ∥ 2 = 0 \lVert \hat a\,\hat a^k| \nu \rangle \rVert ^2/\lVert \hat a^k| \nu \rangle \rVert ^2=0 ∥ a ^ a ^ k ∣ ν ⟩ ∥ 2 / ∥ a ^ k ∣ ν ⟩ ∥ 2 = 0 でなければならない。よって ν = k \nu=k ν = k は非負の整数である。逆に固有値 0 0 0 の状態 ∣ 0 ⟩ | 0 \rangle ∣0 ⟩ があれば、∥ a ^ † ∣ n ⟩ ∥ 2 = ⟨ n ∣ a ^ a ^ † ∣ n ⟩ = ⟨ n ∣ N ^ + 1 ∣ n ⟩ = n + 1 > 0 \lVert \hat a^\dagger| n \rangle \rVert ^2=\langle n | \hat a\hat a^\dagger | n \rangle =\langle n | \hat N+1 | n \rangle =n+1>0 ∥ a ^ † ∣ n ⟩ ∥ 2 = ⟨ n ∣ a ^ a ^ † ∣ n ⟩ = ⟨ n ∣ N ^ + 1∣ n ⟩ = n + 1 > 0 なので、上りの梯子は止まらず、すべての n n n が現れる。
(ii) 帰納法で示す。∣ n ⟩ | n \rangle ∣ n ⟩ が規格化されていれば ∥ a ^ † ∣ n ⟩ ∥ 2 = n + 1 \lVert \hat a^\dagger| n \rangle \rVert ^2=n+1 ∥ a ^ † ∣ n ⟩ ∥ 2 = n + 1 なので、∣ n + 1 ⟩ = a ^ † ∣ n ⟩ / n + 1 | n+1 \rangle =\hat a^\dagger| n \rangle /\sqrt{n+1} ∣ n + 1 ⟩ = a ^ † ∣ n ⟩ / n + 1 も規格化され、a ^ ∣ n + 1 ⟩ = a ^ a ^ † ∣ n ⟩ / n + 1 = ( N ^ + 1 ) ∣ n ⟩ / n + 1 = n + 1 ∣ n ⟩ \hat a| n+1 \rangle =\hat a\hat a^\dagger| n \rangle /\sqrt{n+1}=(\hat N+1)| n \rangle /\sqrt{n+1}=\sqrt{n+1}| n \rangle a ^ ∣ n + 1 ⟩ = a ^ a ^ † ∣ n ⟩ / n + 1 = ( N ^ + 1 ) ∣ n ⟩ / n + 1 = n + 1 ∣ n ⟩ 。異なる n n n どうしはエルミートな N ^ \hat N N ^ の異なる固有値に属するので直交する。
(iii) ∣ 0 ⟩ | 0 \rangle ∣0 ⟩ から作った { ∣ n ⟩ } \{| n \rangle \} { ∣ n ⟩} の張る閉部分空間は (2.4.5) により a ^ \hat a a ^ , a ^ † \hat a^\dagger a ^ † で閉じるので、既約なら全体に一致する。もし a ^ ∣ 0 ′ ⟩ = 0 \hat a| 0' \rangle =0 a ^ ∣ 0 ′ ⟩ = 0 を満たす ∣ 0 ⟩ | 0 \rangle ∣0 ⟩ と独立な ∣ 0 ′ ⟩ | 0' \rangle ∣ 0 ′ ⟩ があれば、∣ 0 ′ ⟩ | 0' \rangle ∣ 0 ′ ⟩ から作った部分空間はやはり閉じていて、∣ 0 ′ ⟩ | 0' \rangle ∣ 0 ′ ⟩ を ∣ 0 ⟩ | 0 \rangle ∣0 ⟩ に直交するように選べば{ ∣ n ⟩ } \{| n \rangle \} { ∣ n ⟩} の部分空間と直交する(⟨ n ∣ m ′ ⟩ \langle n | m' \rangle ⟨ n ∣ m ′ ⟩ は ⟨ 0 ∣ 0 ′ ⟩ \langle 0 | 0' \rangle ⟨ 0∣ 0 ′ ⟩ に比例する)。これは既約性に反する。
定理の (iii) は、既約な表現が本質的に1つしかないことを言っている。これは1自由度の Stone–von Neumann の定理の、梯子の言葉での姿である。Weyl 形式で述べた一般の定理と、無限自由度で一意性が崩れることは第2部第6章 と第8部(第8部第3章 )で扱う。
図 2.4.1 調和振動子の梯子。上り a ^ † \hat a^\dagger a ^ † と下り a ^ \hat a a ^ は準位を ℏ ω \hbar\omega ℏ ω ずつ動かし、矢印の数は係数 n + 1 \sqrt{n+1} n + 1 である。下りの梯子は ∥ a ^ ∣ 0 ⟩ ∥ 2 = 0 \lVert \hat a| 0 \rangle \rVert ^2=0 ∥ a ^ ∣0 ⟩ ∥ 2 = 0 で止まり、その位置が零点エネルギー ℏ ω / 2 \hbar\omega/2 ℏ ω /2 を決める。
行列要素と熱平衡
(2.4.3) を逆に解くと x ^ = ℏ / ( 2 m ω ) ( a ^ + a ^ † ) \hat x=\sqrt{\hbar/(2m\omega)}\,(\hat a+\hat a^\dagger) x ^ = ℏ/ ( 2 mω ) ( a ^ + a ^ † ) 、p ^ = i m ℏ ω / 2 ( a ^ † − a ^ ) \hat p=\mathrm{i}\sqrt{m\hbar\omega/2}\,(\hat a^\dagger-\hat a) p ^ = i m ℏ ω /2 ( a ^ † − a ^ ) なので、(2.4.5) から
x n + 1 , n = ⟨ n + 1 ∣ x ^ ∣ n ⟩ = ( n + 1 ) ℏ 2 m ω , p n + 1 , n = i m ω x n + 1 , n (2.4.7) x_{n+1,n}=\langle n+1 | \hat x | n \rangle =\sqrt{\frac{(n+1)\hbar}{2m\omega}},\qquad p_{n+1,n}=\mathrm{i} m\omega\,x_{n+1,n}\tag{2.4.7} x n + 1 , n = ⟨ n + 1∣ x ^ ∣ n ⟩ = 2 mω ( n + 1 ) ℏ , p n + 1 , n = i mω x n + 1 , n ( 2.4.7 )
で、ほかの行列要素は 0 0 0 である。これは第2部第1章 で総和則の漸化式から出した振幅と、位相の選び方まで一致する。
熱平衡の分配関数は、基底 { ∣ n ⟩ } \{| n \rangle \} { ∣ n ⟩} でトレースをとれば等比級数になる。x = β ℏ ω x=\beta\hbar\omega x = β ℏ ω と書くと
Z = Tr e − β H ^ = ∑ n = 0 ∞ e − x ( n + 1 / 2 ) = e − x / 2 1 − e − x = 1 2 sinh ( β ℏ ω / 2 ) (2.4.8) Z=\operatorname{Tr}\mathrm{e}^{-\beta\hat H}=\sum_{n=0}^\infty\mathrm{e}^{-x(n+1/2)}=\frac{\mathrm{e}^{-x/2}}{1-\mathrm{e}^{-x}}=\frac{1}{2\sinh(\beta\hbar\omega/2)}\tag{2.4.8} Z = Tr e − β H ^ = n = 0 ∑ ∞ e − x ( n + 1/2 ) = 1 − e − x e − x /2 = 2 sinh ( β ℏ ω /2 ) 1 ( 2.4.8 )
である。平均の量子数は H ^ = ℏ ω ( N ^ + 1 2 ) \hat H=\hbar\omega(\hat N+\frac12) H ^ = ℏ ω ( N ^ + 2 1 ) から ⟨ N ^ ⟩ = − 1 ℏ ω ∂ ln Z ∂ β − 1 2 = 1 2 coth x 2 − 1 2 \langle \hat N \rangle =-\frac{1}{\hbar\omega}\frac{\partial \ln Z}{\partial \beta}-\frac12=\frac12\coth\frac{x}{2}-\frac12 ⟨ N ^ ⟩ = − ℏ ω 1 ∂ β ∂ l n Z − 2 1 = 2 1 coth 2 x − 2 1 で、
⟨ N ^ ⟩ = 1 e β ℏ ω − 1 (2.4.9) \langle \hat N \rangle =\frac{1}{\mathrm{e}^{\beta\hbar\omega}-1}\tag{2.4.9} ⟨ N ^ ⟩ = e β ℏ ω − 1 1 ( 2.4.9 )
となる。共通例題①の3つの答え(E n E_n E n ・Z Z Z ・⟨ n ⟩ \langle n \rangle ⟨ n ⟩ )が、正準交換関係と正値性だけから出た。Z Z Z と ⟨ n ⟩ \langle n \rangle ⟨ n ⟩ を密度行列 ρ ^ = e − β H ^ / Z \hat\rho=\mathrm{e}^{-\beta\hat H}/Z ρ ^ = e − β H ^ / Z の言葉で読み直すのは第4部第4章 の仕事である。
第1章の解き方との比較
第2部第1章 の解き方と、この節の解き方を並べる。
表 2.4.1 共通例題①の2つの解き方。総和則と交換関係が同じ内容であること(第1章の定理 Born–Jordan)を通じて、2つは同じ骨組みを持つ。 第2部第1章(Heisenberg 1925 の道) この章(a ^ \hat a a ^ , a ^ † \hat a^\dagger a ^ † の代数) 等間隔を出す式 運動方程式 x ¨ = − ω 2 x \ddot{\mathbf x}=-\omega^2\mathbf x x ¨ = − ω 2 x から選択則 ( ω n m 2 − ω 2 ) x n m = 0 (\omega_{nm}^2-\omega^2)x_{nm}=0 ( ω nm 2 − ω 2 ) x nm = 0 梯子の補題 [ N ^ , a ^ ] = − a ^ \left[\hat N,\,\hat a\right]=-\hat a [ N ^ , a ^ ] = − a ^ ℏ \hbar ℏ を入れる式総和則 ∑ k ω k n ∣ x k n ∣ 2 = ℏ / ( 2 m ) \sum_k\omega_{kn}\lvert x_{kn}\rvert ^2=\hbar/(2m) ∑ k ω k n ∣ x k n ∣ 2 = ℏ/ ( 2 m ) 交換関係 [ a ^ , a ^ † ] = 1 \left[\hat a,\,\hat a^\dagger\right]=1 [ a ^ , a ^ † ] = 1 ([ x ^ , p ^ ] = i ℏ \left[\hat x,\,\hat p\right]=\mathrm{i}\hbar [ x ^ , p ^ ] = i ℏ ) 止まる位置 H n n ≥ 0 H_{nn}\ge0 H nn ≥ 0 から最低の状態があり、x 0 , − 1 = 0 x_{0,-1}=0 x 0 , − 1 = 0 正値性 ∥ a ^ ∣ ν ⟩ ∥ 2 = ν ≥ 0 \lVert \hat a| \nu \rangle \rVert ^2=\nu\ge0 ∥ a ^ ∣ ν ⟩ ∥ 2 = ν ≥ 0 から a ^ ∣ 0 ⟩ = 0 \hat a| 0 \rangle =0 a ^ ∣0 ⟩ = 0 零点 1 2 ℏ ω \frac12\hbar\omega 2 1 ℏ ω の出所 総和則の漸化式の初項 x ^ 2 \hat x^2 x ^ 2 , p ^ 2 \hat p^2 p ^ 2 の並べ替えで出る 1 2 [ a ^ , a ^ † ] \frac12\left[\hat a,\,\hat a^\dagger\right] 2 1 [ a ^ , a ^ † ] 得られるもの 振幅 ∣ x n + 1 , n ∣ \lvert x_{n+1,n}\rvert ∣ x n + 1 , n ∣ と E n E_n E n E n E_n E n ・行列要素・縮退がないこと(既約性)
第1章の解き方は、遷移の表の要素 x n m x_{nm} x nm を1つずつ決めていくので、どの行列要素が 0 0 0 でないかが最初に見える。この章の解き方は、表を作る前に代数の構造(梯子と下限)を見抜くので、行列要素は最後に (2.4.5) から一度に出る。その代わり、(2.4.4) の因数分解を思いつく必要があり、これはハミルトニアンが x ^ \hat x x ^ , p ^ \hat p p ^ の2次であることに頼っている。
例題 2.4.2 熱平衡の振動子のゆらぎ ★★
オリジナル 角振動数 ω \omega ω の振動子が温度 T T T の熱平衡にある。
(1) ⟨ x ^ 2 ⟩ = ℏ 2 m ω coth β ℏ ω 2 \langle \hat x^2 \rangle =\frac{\hbar}{2m\omega}\coth\frac{\beta\hbar\omega}{2} ⟨ x ^ 2 ⟩ = 2 mω ℏ coth 2 β ℏ ω を、a ^ \hat a a ^ , a ^ † \hat a^\dagger a ^ † で書いて示せ。
(2) ℏ ω ≪ k B T \hbar\omega\ll k_{\mathrm B} T ℏ ω ≪ k B T と ℏ ω ≫ k B T \hbar\omega\gg k_{\mathrm B} T ℏ ω ≫ k B T の極限で (1) がそれぞれ何になるかを述べよ。
(3) ℏ ω = 0.10 e V \hbar\omega=0.10\,\mathrm{eV} ℏ ω = 0.10 eV 、T = 300 K T=300\,\mathrm K T = 300 K のとき、β ℏ ω \beta\hbar\omega β ℏ ω 、⟨ N ^ ⟩ \langle \hat N \rangle ⟨ N ^ ⟩ 、Z Z Z 、⟨ x ^ 2 ⟩ \langle \hat x^2 \rangle ⟨ x ^ 2 ⟩ の零点の値に対する比を数で求めよ。
解答 (1) x ^ 2 = ℏ 2 m ω ( a ^ 2 + a ^ † 2 + a ^ a ^ † + a ^ † a ^ ) = ℏ 2 m ω ( a ^ 2 + a ^ † 2 + 2 N ^ + 1 ) \hat x^2=\frac{\hbar}{2m\omega}(\hat a^2+\hat a^{\dagger2}+\hat a\hat a^\dagger+\hat a^\dagger\hat a)=\frac{\hbar}{2m\omega}(\hat a^2+\hat a^{\dagger2}+2\hat N+1) x ^ 2 = 2 mω ℏ ( a ^ 2 + a ^ † 2 + a ^ a ^ † + a ^ † a ^ ) = 2 mω ℏ ( a ^ 2 + a ^ † 2 + 2 N ^ + 1 ) 。熱平衡の ρ ^ ∝ e − β H ^ \hat\rho\propto\mathrm{e}^{-\beta\hat H} ρ ^ ∝ e − β H ^ は基底 { ∣ n ⟩ } \{| n \rangle \} { ∣ n ⟩} で対角で、a ^ 2 \hat a^2 a ^ 2 , a ^ † 2 \hat a^{\dagger2} a ^ † 2 は n n n を2だけずらすので期待値は 0 0 0 。よって⟨ x ^ 2 ⟩ = ℏ 2 m ω ( 2 ⟨ N ^ ⟩ + 1 ) = ℏ 2 m ω e x + 1 e x − 1 = ℏ 2 m ω coth x 2 \langle \hat x^2 \rangle =\frac{\hbar}{2m\omega}(2\langle \hat N \rangle +1)=\frac{\hbar}{2m\omega}\frac{\mathrm{e}^{x}+1}{\mathrm{e}^{x}-1}=\frac{\hbar}{2m\omega}\coth\frac x2 ⟨ x ^ 2 ⟩ = 2 mω ℏ ( 2 ⟨ N ^ ⟩ + 1 ) = 2 mω ℏ e x − 1 e x + 1 = 2 mω ℏ coth 2 x (x = β ℏ ω x=\beta\hbar\omega x = β ℏ ω )。
(2) x ≪ 1 x\ll1 x ≪ 1 では coth ( x / 2 ) ≈ 2 / x \coth(x/2)\approx2/x coth ( x /2 ) ≈ 2/ x なので ⟨ x ^ 2 ⟩ ≈ k B T / ( m ω 2 ) \langle \hat x^2 \rangle \approx k_{\mathrm B} T/(m\omega^2) ⟨ x ^ 2 ⟩ ≈ k B T / ( m ω 2 ) 。古典の等分配 1 2 m ω 2 ⟨ x 2 ⟩ = 1 2 k B T \frac12m\omega^2\langle x^2 \rangle =\frac12 k_{\mathrm B} T 2 1 m ω 2 ⟨ x 2 ⟩ = 2 1 k B T に一致する。x ≫ 1 x\gg1 x ≫ 1 では coth → 1 \coth\to1 coth → 1 で ⟨ x ^ 2 ⟩ → ℏ / ( 2 m ω ) \langle \hat x^2 \rangle \to\hbar/(2m\omega) ⟨ x ^ 2 ⟩ → ℏ/ ( 2 mω ) 、零点のゆらぎだけが残る。
(3) k B T = 0.025852 e V k_{\mathrm B} T=0.025852\,\mathrm{eV} k B T = 0.025852 eV なので x = 3.868 x=3.868 x = 3.868 。⟨ N ^ ⟩ = 1 / ( e 3.868 − 1 ) = 0.0213 \langle \hat N \rangle =1/(\mathrm{e}^{3.868}-1)=0.0213 ⟨ N ^ ⟩ = 1/ ( e 3.868 − 1 ) = 0.0213 、Z = 1 / ( 2 sinh 1.934 ) = 0.148 Z=1/(2\sinh1.934)=0.148 Z = 1/ ( 2 sinh 1.934 ) = 0.148 、比 coth ( x / 2 ) = 1.043 \coth(x/2)=1.043 coth ( x /2 ) = 1.043 。室温でもこの振動子はほぼ基底状態にあり、位置のゆらぎは零点の値より 4% ほど大きいだけである。
AI(Claude)が書いた教材を、木下が勉強しながら公開しています。式と数値は検算していますが、誤りが残っているかもしれません。誤りのご指摘・削除のご依頼をいただければ直します。 連絡先:support@tecktom.com