§ 2. Разложение векторов состояний

Посмотрим на уравнение (6.8) еще раз; его можно рассматривать следующим образом. Любой вектор состояния |?> 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|?> — 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 |?>, но, конечно, с другими коэффициентами, скажем с D_i. Тогда будем иметь

(6.11)

где D_i — это просто амплитуды <i|?>.

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

(6.12)

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

(6.13)

А теперь интересно вот что: чтобы обратно получить <?|?>, 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 <j|i>=?_ij, так что в сумме останутся только члены с j=i. Выйдет

(6.15)

где, как вы помните, D_i*=<i|?>*=<?|i>, а C_i=<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 <?| и |?> по базисным векторам <i| или |i>, то амплитуда перехода из ? в ? 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.

Мы говорили также о том, что происходит, когда частицы проходят через прибор. Если мы выпустим частицы в определенном состоянии ?, затем проведем их через прибор, а после проделаем измерение, чтобы посмотреть, находятся ли они в состоянии ?, то результат будет описываться амплитудой

(6.16)

Такой символ не имеет близкого аналога в векторной алгебре. (Он ближе к тензорной алгебре, но эта аналогия не так уж полезна.) Мы видели в гл. 3 [формула (3.32)], что (6.16) можно переписать так:

(6.17)

Это пример двукратного применения основного правила (6.9).

Мы обнаружили также, что если вслед за прибором А по ставить другой прибор B, то можно написать

(6.18)

Это опять-таки следует прямо из предложенного Дираком метода записи уравнения (6.9). Вспомните, что между В и A всегда можно поставить черту (|), которая ведет себя совсем как множитель единица.

Кстати говоря, об уравнении (6.17) можно рассуждать и иначе. Предположим, что мы рассуждаем о частице, попадающей в прибор А в состоянии ? и выходящей из него в состоянии ?. Мы можем задать себе такой вопрос: можно ли найти такое состояние ?, чтобы амплитуда перехода от ? к ? тождественно совпадала с амплитудой <?|A|?>? Ответ гласит: да. Мы хотим, чтобы (6.17) заменилось уравнением

(6.19)

Конечно, этого можно достичь, если взять

(6.20)

что и определяет собой ?. «Но оно не определяет собой ?, — скажете вы, — оно определяет только <i|?>». Однако <i|?> все же определяет ?; ведь если у вас есть все коэффициенты, связывающие ? с базисными состояниями i, то ? определяется однозначно. И действительно, можно поупражняться с нашими обозначениями и записать (6.20) в виде

(6.21)

А раз это уравнение справедливо при всех i, то можно просто писать

(6.22)

Теперь мы вправе сказать: «Состояние ? — это то, что получается, если начать с ? и пройти сквозь аппарат A».

Еще один, последний пример полезных уловок. Начинаем опять с (6.17). Раз это уравнение соблюдается при любых ? и ?, то их обоих можно сократить! Получаем[19]

(6.23)

Что это значит? Только то, что получится, если вернуть на свои места ? и ?. В таком виде это уравнение «недокончено» и неполно. Если умножить его «справа» на |?>, то оно превращается в

(6.24)

а это снова то же уравнение (6.22). В самом деле, мы бы могли просто убрать из (6.22) все j и написать

(6.25)

Символ А — это не амплитуда и не вектор; это вещь особого рода, именуемая оператором. Он — нечто, что «оперирует» над состоянием, чтобы создать новое состояние; уравнение (6.25) говорит, что |?> — это то, что получается, если А действует на |?>. Это уравнение тоже нужно считать недоконченным, открытым, пока слева оно не умножится на какое-то «брэ», скажем на <?|, и не обратится в

(6.26)

Оператор А, разумеется, полностью описывается тем, что за дается матрица амплитуд <i|A|j>; ее также пишут в виде А_ij— через любую совокупность базисных векторов.

Все эти математические обозначения на самом деле ничего нового не вносят. Единственный резон, почему мы их ввели, — мы хотели показать, как пишутся обрывки уравнений, потому что во многих книжках вы встретите уравнения, написанные в неполном виде, и нет причин вам пугаться, увидев их. Если вы захотите, вы всегда сможете дописать те части, которых не хватает, и получить уравнение, связывающее числа. Оно будет выглядеть более привычно.

Кроме того, как вы увидите, обозначения «брэ» и «кет» очень удобны. Прежде всего мы теперь сможем указывать состояния, задавая их вектор состояния. Когда мы захотим вести речь о состоянии с определенным импульсом р, то скажем: «состояние |р>». Или будем говорить о некотором произвольном состоянии |?>. Для единообразия мы всегда, говоря о состоянии, будем употреблять «кет» и писать |?>. (Конечно, этот выбор совершенно произволен; в равной мере мы могли бы остановиться и на «брэ» <?|.)