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調和振動子:a と a† の代数(共通例題①)

2026年10月17日14分で読めますAI生成教科書『虎の巻』第2部 第4章 代数だけでスペクトルを出す:調和振動子・角運動量・水素
目次
  1. ハミルトニアンを因数分解する
  2. スペクトルを決める
  3. 行列要素と熱平衡
  4. 第1章の解き方との比較
  5. 木下の層

AI 生成・木下が未勉強

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 ZZ と ⟨n⟩\langle n \rangle 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/(2m)+mω2x^2/2\hat H=\hat p^2/(2m)+m\omega^2\hat x^2/2 に対して

a^=mωx^+ip^2mℏω,a^†=mωx^−ip^2mℏω(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}

と置く。[x^, p^]=iℏ\left[\hat x,\,\hat p\right]=\mathrm{i}\hbar から

[a^, a^†]=12mℏω(−imω[x^, p^]+imω[p^, x^])=2mωℏ2mℏω=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

である。積を展開すると a^†a^=12mℏω(m2ω2x^2+p^2+imω[x^, p^])=H^ℏω−12\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 なので、

H^=ℏω(a^†a^+12),[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}

を得る。命題 2.4.2 の形 H^=B^†B^+c\hat H=\hat B^\dagger\hat B+c で、B^=ℏω a^\hat B=\sqrt{\hbar\omega}\,\hat a、c=ℏω/2c=\hbar\omega/2 に当たる。N^=a^†a^\hat N=\hat a^\dagger\hat 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、同様に [N^, a^†]=a^†\left[\hat N,\,\hat a^\dagger\right]=\hat a^\dagger なので、a^\hat a は梯子の補題で ϵ=1\epsilon=1(エネルギーでは ℏω\hbar\omega)の下りの演算子である。a^\hat a は古典の複素振幅 (mωx+ip)/2mω(m\omega x+\mathrm{i} p)/\sqrt{2m\omega} を ℏ\sqrt\hbar 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 の表現 ★★★)

ヒルベルト空間の上で [a^, a^†]=1\left[\hat a,\,\hat a^\dagger\right]=1 が成り立ち、N^=a^†a^\hat N=\hat a^\dagger\hat a が固有ベクトルを持つとする。このとき

  1. (i) N^\hat N の固有値は n=0,1,2,…n=0,1,2,\dots に限られ、どの nn も実際に現れる。
  2. (ii) a^∣0⟩=0\hat a| 0 \rangle =0 を満たす ∣0⟩| 0 \rangle から ∣n⟩=(a^†)n∣0⟩/n!| n \rangle =(\hat a^\dagger)^n| 0 \rangle /\sqrt{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}

が成り立つ。3. (iii) 表現が既約(a^\hat a, a^†\hat a^\dagger の両方で閉じる部分空間が {0}\{0\} と全体しかない)なら、a^∣0⟩=0\hat a| 0 \rangle =0 の解は定数倍を除いて1つで、{∣n⟩}\{| n \rangle \} 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

En=ℏω(n+12),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}

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(N^∣ν⟩=ν∣ν⟩\hat N| \nu \rangle =\nu| \nu \rangle)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。梯子の補題により、a^∣ν⟩≠0\hat a| \nu \rangle \neq0 なら固有値 ν−1\nu-1 の固有ベクトルで、そのノルムの2乗は ν\nu である。a^\hat a を kk 回当てた a^k∣ν⟩\hat a^k| \nu \rangle は、00 でない限り固有値 ν−k\nu-k を持つ。ν\nu が整数でなければ、k>νk>\nu で負の固有値が現れて正値性に反するので、どこかで 00 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+1∣ν⟩=0\hat a^{k+1}| \nu \rangle =0 なら、a^k∣ν⟩\hat a^k| \nu \rangle の固有値 ν−k\nu-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 でなければならない。よって ν=k\nu=k は非負の整数である。逆に固有値 00 の状態 ∣0⟩| 0 \rangle 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 なので、上りの梯子は止まらず、すべての nn が現れる。

(ii) 帰納法で示す。∣n⟩| n \rangle 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 なので、∣n+1⟩=a^†∣n⟩/n+1| n+1 \rangle =\hat a^\dagger| n \rangle /\sqrt{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。異なる nn どうしはエルミートな N^\hat N の異なる固有値に属するので直交する。

(iii) ∣0⟩| 0 \rangle から作った {∣n⟩}\{| n \rangle \} の張る閉部分空間は (2.4.5) により a^\hat a, a^†\hat a^\dagger 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 を満たす ∣0⟩| 0 \rangle と独立な ∣0′⟩| 0' \rangle があれば、∣0′⟩| 0' \rangle から作った部分空間はやはり閉じていて、∣0′⟩| 0' \rangle を ∣0⟩| 0 \rangle に直交するように選べば{∣n⟩}\{| n \rangle \} の部分空間と直交する(⟨n∣m′⟩\langle n | m' \rangle は ⟨0∣0′⟩\langle 0 | 0' \rangle 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

図 2.4.1 調和振動子の梯子。上り a^†\hat a^\dagger と下り a^\hat a は準位を ℏω\hbar\omega ずつ動かし、矢印の数は係数 n+1\sqrt{n+1} である。下りの梯子は ∥a^∣0⟩∥2=0\lVert \hat a| 0 \rangle \rVert ^2=0 で止まり、その位置が零点エネルギー ℏω/2\hbar\omega/2 を決める。

行列要素と熱平衡

(2.4.3) を逆に解くと x^=ℏ/(2mω) (a^+a^†)\hat x=\sqrt{\hbar/(2m\omega)}\,(\hat a+\hat a^\dagger)、p^=imℏω/2 (a^†−a^)\hat p=\mathrm{i}\sqrt{m\hbar\omega/2}\,(\hat a^\dagger-\hat a) なので、(2.4.5) から

xn+1,n=⟨n+1∣x^∣n⟩=(n+1)ℏ2mω,pn+1,n=imω xn+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}

で、ほかの行列要素は 00 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 \} でトレースをとれば等比級数になる。x=βℏωx=\beta\hbar\omega と書くと

Z=Tr⁡e−βH^=∑n=0∞e−x(n+1/2)=e−x/21−e−x=12sinh⁡(βℏω/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}

である。平均の量子数は H^=ℏω(N^+12)\hat H=\hbar\omega(\hat N+\frac12) から ⟨N^⟩=−1ℏω∂ln⁡Z∂β−12=12coth⁡x2−12\langle \hat N \rangle =-\frac{1}{\hbar\omega}\frac{\partial \ln Z}{\partial \beta}-\frac12=\frac12\coth\frac{x}{2}-\frac12 で、

⟨N^⟩=1eβℏω−1(2.4.9)\langle \hat N \rangle =\frac{1}{\mathrm{e}^{\beta\hbar\omega}-1}\tag{2.4.9}

となる。共通例題①の3つの答え(EnE_n・ZZ・⟨n⟩\langle n \rangle)が、正準交換関係と正値性だけから出た。ZZ と ⟨n⟩\langle n \rangle を密度行列 ρ^=e−βH^/Z\hat\rho=\mathrm{e}^{-\beta\hat 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^†\hat a^\dagger の代数)
等間隔を出す式運動方程式 x¨=−ω2x\ddot{\mathbf x}=-\omega^2\mathbf x から選択則 (ωnm2−ω2)xnm=0(\omega_{nm}^2-\omega^2)x_{nm}=0梯子の補題 [N^, a^]=−a^\left[\hat N,\,\hat a\right]=-\hat a
ℏ\hbar を入れる式総和則 ∑kωkn∣xkn∣2=ℏ/(2m)\sum_k\omega_{kn}\lvert x_{kn}\rvert ^2=\hbar/(2m)交換関係 [a^, a^†]=1\left[\hat a,\,\hat a^\dagger\right]=1([x^, p^]=iℏ\left[\hat x,\,\hat p\right]=\mathrm{i}\hbar)
止まる位置Hnn≥0H_{nn}\ge0 から最低の状態があり、x0,−1=0x_{0,-1}=0正値性 ∥a^∣ν⟩∥2=ν≥0\lVert \hat a| \nu \rangle \rVert ^2=\nu\ge0 から a^∣0⟩=0\hat a| 0 \rangle =0
零点 12ℏω\frac12\hbar\omega の出所総和則の漸化式の初項x^2\hat x^2, p^2\hat p^2 の並べ替えで出る 12[a^, a^†]\frac12\left[\hat a,\,\hat a^\dagger\right]
得られるもの振幅 ∣xn+1,n∣\lvert x_{n+1,n}\rvert と EnE_nEnE_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 xnmx_{nm} を1つずつ決めていくので、どの行列要素が 00 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, p^\hat 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 の振動子が温度 TT の熱平衡にある。

  1. (1) ⟨x^2⟩=ℏ2mωcoth⁡βℏω2\langle \hat x^2 \rangle =\frac{\hbar}{2m\omega}\coth\frac{\beta\hbar\omega}{2} を、a^\hat a, a^†\hat a^\dagger で書いて示せ。
  2. (2) ℏω≪kBT\hbar\omega\ll k_{\mathrm B} T と ℏω≫kBT\hbar\omega\gg k_{\mathrm B} T の極限で (1) がそれぞれ何になるかを述べよ。
  3. (3) ℏω=0.10 eV\hbar\omega=0.10\,\mathrm{eV}、T=300 KT=300\,\mathrm K のとき、βℏω\beta\hbar\omega、⟨N^⟩\langle \hat N \rangle、ZZ、⟨x^2⟩\langle \hat x^2 \rangle の零点の値に対する比を数で求めよ。
解答

(1) x^2=ℏ2mω(a^2+a^†2+a^a^†+a^†a^)=ℏ2mω(a^2+a^†2+2N^+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)。熱平衡の ρ^∝e−βH^\hat\rho\propto\mathrm{e}^{-\beta\hat H} は基底 {∣n⟩}\{| n \rangle \} で対角で、a^2\hat a^2, a^†2\hat a^{\dagger2} は nn を2だけずらすので期待値は 00。よって⟨x^2⟩=ℏ2mω(2⟨N^⟩+1)=ℏ2mωex+1ex−1=ℏ2mωcoth⁡x2\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=βℏωx=\beta\hbar\omega)。

(2) x≪1x\ll1 では coth⁡(x/2)≈2/x\coth(x/2)\approx2/x なので ⟨x^2⟩≈kBT/(mω2)\langle \hat x^2 \rangle \approx k_{\mathrm B} T/(m\omega^2)。古典の等分配 12mω2⟨x2⟩=12kBT\frac12m\omega^2\langle x^2 \rangle =\frac12 k_{\mathrm B} T に一致する。x≫1x\gg1 では coth⁡→1\coth\to1 で ⟨x^2⟩→ℏ/(2mω)\langle \hat x^2 \rangle \to\hbar/(2m\omega)、零点のゆらぎだけが残る。

(3) kBT=0.025852 eVk_{\mathrm B} T=0.025852\,\mathrm{eV} なので x=3.868x=3.868。⟨N^⟩=1/(e3.868−1)=0.0213\langle \hat N \rangle =1/(\mathrm{e}^{3.868}-1)=0.0213、Z=1/(2sinh⁡1.934)=0.148Z=1/(2\sinh1.934)=0.148、比 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。

木下の勉強ステータス

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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

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