高量二次量子化方法
高等量子力学补充专题二次量子化简介
im( xn xn1 ) 2 m ) 对自由粒子，已知 xntn | xn1tn1 2it exp( 2t
由于W(Δ t)与V(x)无关，可用自由粒子情况算出
1 w t m 2it
于是，对 t 0 ，有
九、Feynman路径积分公式
1. 无限小时间间隔的一段路径， x n t n
x n 1 t n 1 1 e iSn ,n 1 / Wt
w(Δ t)只与Δ t而（假定）与V(x)无关的权重因子。
由于是无限小时间间隔，路径可看作直线，因而
2 x x 2 mx m n n1 xn xn1 S n, n 1 dt V x t V tn1 2 t 2 2 tn
x "| eiHt / |a ' a ' | eiHt0 / x ' x ", t | x ', t0
a'
这里 x ", t | 和 | x' , t 0 是海森堡绘景中位置算符的本征左矢和右矢。 因 b' , t | a' , t 0 是从 | a' , t 0 到 | b' , t 态的跃迁振幅，故 x", t | x' , t 0
所有路径对 x N t N | x1t 1 的贡献： x N t N | x 1 t 1 ~
若 0，则相邻路径的贡献倾向于抵消。
所有路径
e
iS N ,i /
对最小作用量路径（经典路径），则相邻路径的S差别是二阶的， 因而可相干增强。所以 0 时挑出的轨道为经典轨道。
量子力学知识：量子物理中的二次量子化
量子力学知识：量子物理中的二次量子化二次量子化是一种广泛应用于量子物理中的数学形式，它是一种用二次量子化方程描述多体问题的方法。
在量子力学中，一个粒子的运动是由波函数描述的，而多个粒子的运动则需要用到多粒子波函数。
如果我们考虑三个粒子的问题，那么我们需要用到三粒子波函数。
多体问题包括原子、分子、晶体、凝聚体等，研究多体问题可以帮助我们更深入地理解物质。
传统的一次量子化方法只能描述单个粒子的运动情况，而在多体问题中，我们需要更高维度的描述。
我们需要考虑所有粒子之间的量子相互作用，这些相互作用不能由波函数描述。
为了解决这个问题，科学家们提出了二次量子化方法，这种方法可以帮助我们更好地处理多体问题。
二次量子化的基本思想是将多种粒子基态的相互作用转化为多个不同粒子状态之间的相互作用。
这种转化可以使原本复杂的多体问题简化为一个更简单的问题。
通过将多体波函数的二次量子化形式写出来，我们可以得到一些有关多体相互作用的重要信息。
在二次量子化方法中，我们首先定义一个产生和湮灭粒子的算符，这些算符能够在多粒子系统中产生或消灭一个粒子，从而形成新的多粒子系统。
接着我们定义一个Hamilton算子，这个算子描述了整个多体系统的能量和动量。
我们可以将多体波函数写成这些产生和湮灭算符的乘积形式，并将Hamilton算子表示为这些算符的多项式，从而得到一个描述多体相互作用的二次量子化方程。
二次量子化方法不仅可以帮助我们更好地处理多体问题，还可以帮助我们理解许多量子现象。
例如，通过二次量子化方法，我们可以更好地理解玻色-爱因斯坦凝聚现象。
在这种凝聚体中，所有粒子都处于同一个量子态，它们的波函数相干性非常强。
如果我们考虑这种相干性，那么我们可以把所有粒子看做一个巨大的波函数。
二次量子化方法可以将这个波函数的形式写出来，并帮助我们理解这个现象的同时，还可以为我们提供其他更深层次的信息。
除了玻色-爱因斯坦凝聚现象，二次量子化方法还可以用于解释许多其他量子现象，例如超流性、超导性等。
高等量子力学内容介绍
4学时
♥ 均与经典力学的哈密顿形式密切相关 † 路径积分—源于经典力学的拉格朗日形式 ♥ 便于推广到相对论形式 ♥ 把含时与不含时问题纳于同一框架处理
♥ 便于考察量子学与经典力学之关系
相对论量子力学初步
• 6学时
• 14学时
角动量理论
• 角动量理论在分子原子原子核和基本粒子物理中有广 泛的应用.
• 10学时
二次量子化方法
使用产生算符合湮灭算符在对称化的希尔伯特空间处 理处理全同粒子系统的有效方法 • 二次量子化方法的基本概念 • 6学时
路径积分 路径积分方法的由来
●量子力学三种形式与经典力学的关系
† 矩阵力学—泊松括号→对易子
• 在五个基本原理的基础上建立量子力学的理论体系.
• 对量子力学的一些基本内容作简短的必要的重复,但主
要还是介绍属于高等量子力学的范围的新内容,如算符
的构造、代数运算、三种绘景、密度矩阵等
• 30学时
量子力学中的对称性
• 量子力学中对称性非常重要:
对称性的研究可以给出寻找运动规律的的某些线索； 对称性的存在,在未建立方程时,可以给解的形式以确定 的限制并将借进行分类； 薛定谔方程能精确求解的不多,据对称性分析可以确定 体系某些确定的知识—能级简并； 可使矩阵元的计算简化，为微扰计算提供合适的波函数； • 学习时空对称性与和他们相联系的守恒律
标准内容内容
量子力学中的对称性 角动量理论 二次量子化方法 路径积分 散射的量子理论 相对论量子力学初步
本课程教学内容安排
• • • • • • • • 希尔伯特空间 量子力学的理论结构 量子力学中的对称性 角动量理论 散射的量子理论 二次量子化方法 路径积分 相对论量子力学初步
二次量子化的哈密顿量
二次量子化的哈密顿量二次量子化是量子力学中的一种重要方法，用于描述多粒子系统的相互作用和运动。
它是在二次量子化框架下，通过引入产生算符和湮灭算符来重新表述系统的哈密顿量，从而更加方便地进行计算和分析。
在二次量子化中，我们将系统的基态视为真空态，并引入湮灭算符和产生算符来描述系统中的粒子数目和激发态。
湮灭算符a_i可以将第i个粒子湮灭，而产生算符a_i†可以将第i个粒子产生。
这种描述方式使得我们可以方便地处理多粒子系统的相互作用和运动。
在二次量子化框架下，系统的哈密顿量可以表示为湮灭算符和产生算符的线性组合。
例如，对于一个自由粒子系统，其哈密顿量可以写成：H = ∑_i ε_i a_i† a_i其中，ε_i表示第i个粒子的能量。
这个哈密顿量描述了自由粒子系统中粒子的能量和粒子数目之间的关系。
对于相互作用系统，其哈密顿量可以写成：H = H_0 + H_int其中，H_0表示系统的自由哈密顿量，描述了粒子的动能和势能；H_int表示相互作用哈密顿量，描述了粒子之间的相互作用。
在二次量子化中，我们可以通过引入湮灭算符和产生算符来重新表述这两部分哈密顿量。
通过二次量子化的方法，我们可以方便地处理多粒子系统的相互作用和运动。
例如，在处理费米子系统时，我们可以引入费米算符来描述系统的基态和激发态，并通过对这些算符进行代数运算来得到系统的物理性质。
二次量子化的方法在凝聚态物理、量子场论等领域有着广泛的应用。
它不仅可以用于描述多粒子系统的相互作用和运动，还可以用于研究物质的凝聚态性质、相变行为等。
通过二次量子化的方法，我们可以更加深入地理解量子力学中的多粒子现象，并为实验和理论研究提供了重要的工具。
总之，二次量子化是量子力学中一种重要的描述多粒子系统的方法。
它通过引入湮灭算符和产生算符来重新表述系统的哈密顿量，从而方便地处理多粒子系统的相互作用和运动。
二次量子化方法在凝聚态物理、量子场论等领域有着广泛应用，并为我们深入理解量子力学中的多粒子现象提供了重要的工具。
§9 二次量子化理论
(9.1.28)
&n = − p
∂H ∂ = − f ∑ ( x m − xm +1 ) ( x m − xm +1 ) ∂x n ∂x n m
m
= − f ∑ ( x m − xm +1 )(δ n,m − δ n,m +1 ) = f ( x n+1 + xn −1 − 2 xn )
(9.1.29)
t2
t2
∂L ∂L & dt = δq + δq & ∂q ∂q ∂L d ∂L − = 0 & ∂q dt ∂q
∫
t2
t1
∂L d ∂L δqdt = 0 ∂q − dt ∂q &
即
为拉氏方程。当 V ( q, t ) 不含广义速度时，
2N 个动力学方程
2
&i = q
∂H ∂H &i = − ， p ∂ pi ∂ qi
(9.1.12)
2. 谐振子的粒子数表象 参考§8.2 第 1 中的论述。 §8.2 第 1 中的论述中没有涉及状态随时间的演化， 在粒子数表象 中， 状态由产生算符作用于真空态的形式表示， 所以采用海森伯绘景。 在海森伯绘景中，
) 1 µ )+ ) ) ) H = pk p k + ∑ ω k2 q k+ q k ∑ 2µ k 2 k
∑ x (t ) exp[ −ikna]
n n
(9.1.40)
由哈密顿方程得
p n (t ) = µx &= 1 N
∑ p (t ) exp[ −ikna ]
k k
(9.1.41) (9.1.42)
二次量子化基础
二次量子化基础大体思想一次量子化大体方程为Schr odinger 方程 ψψμψ),(222t r V t i +∇-=∂∂. 任意状态),(t x ψ可在Hilbert 空间按基矢)(x i ϕ展开为 ∑=)()(),(x t a t x i i ϕψ,基矢)(x i ϕ可为某不含时Hamiltonian 的本征态)()()()(2)(22r E r r U r r H i i i i i ϕϕϕμϕ=+∇-=.二次量子化的大体思想确实是将按基矢)(x i ϕ展开的Schr odinger 方程（或其它场方程）的解),(t x ψ看做场算符，展开系数+i i a a ,为相应于单粒子态)(x i ϕ的湮灭算符和产生算符。
1. Hartree-Fock 自洽场方式H-F 方式是一种有效的近似方式，在计算原子中电子壳模型势和原子核壳模型势时取得较好结果。
这种方式便于作独立粒子近似，即设粒子近似独立地在其它粒子的平均场中运动。
考虑由N 个全同Fermi 子组成的系统, 设粒子间有二体彼此作用，Hamiltonian 为∑∑≠+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∇-=i ji j i i i r r V t r V m H ),(21),(222 （1）计及互换反对称性，试探波函数可表或Slater 行列式)()( )()()()()()()(!1),,2,1(21N 2221212111N N N N N q q q q q q q q q N N ϕϕϕϕϕϕϕϕϕψ =（2）式中i ϕ为正交归一的单粒子态。
利用（2），能量平均值为∑⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∇->==<*i i ir t x V m r x d H H )(),(2)(||223ϕϕψψ∑⎰⎰∑⎰⎰≠**≠**''''-''''+ji j i j i ji j i j i r r r r V r r x xd d r r r r V r r x xd d )()(),()()(21)()(),()()(213333ϕϕϕϕϕϕϕϕ （3）利用散度定理和i ϕ在边界为零，上式第1项为⎰∑∇•∇*i i x d mϕϕ322 , 即⎰∑⎰∑⎰∑=∇•∇+∇=∇•∇***iii ii i i i x d x d x d 0)(3323ϕϕϕϕϕϕ. 证明：N =2时，)]()()()([2112212211r r r r ϕϕϕϕψ-=, )]()()()([21||12212211231321r r r r x d x d ****->=∇<⎰⎰ϕϕϕϕψψ )]()()()([1221221121r r r r ϕϕϕϕ-∇•)]()()()( )()()()()()()()( )()()()([2112211221211121122221122111212211211122222313r r r r r r r r r r r r r r r r x d x d ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ∇+∇-∇-∇=********⎰⎰利用i ϕ的正交归一性，对r 2积分后得⎰∇+∇>=∇<**)],()()()([21||1221121121111321r r r r x d ϕϕϕϕψψ 同理⎰∇+∇>=∇<**)]()()()([21||2222222122212322r r r r x d ϕϕϕϕψψ 因此，略去x 和r 的下脚标后，有∑⎰∑=*=∇=>∇<2123212)()(21||i i i j jr r x d ϕϕψψ （4） ⎰⎰****->=<),()]()()()([21|),(|212112************r r V r r r r x d x d r r V ϕϕϕϕψψ )]()()()([12212211r r r r ϕϕϕϕ-⎰⎰****+=)]()(),()()()()(),()()([21122121122122112122112313r r r r V r r r r r r V r r x d x d ϕϕϕϕϕϕϕϕ)]()(),()()()()(),()()(22112112211221212211r r r r V r r r r r r V r r ϕϕϕϕϕϕϕϕ****--（5）此即（3）式中后两项的展开形式，证毕。
06_二次量子化
⊗ ni i ⊗ ni +1
i +1
...
对态的作用
a n1...ni ... = ni + 1 n1...(ni + 1)... ai n1...ni ... = ni n1...(ni − 1)... ...ni ...n1 ai+ = ...(ni − 1)...n1 ...ni ...n1 ai = ...(ni + 1)...n1 ni ni + 1
e λ a ae − λ a = a − 2 λ a + , e
λa +2
2 +2 +2
+
+
+
+
+
+
二、玻色子系统的二次量子化 三、费米子系统的二次量子化 四、波场的二次量子化
e λa a + e − λa = a + + 2λ a
2 2
f ( a , a )e
+
− λa +2
2
= f ( a − 2λ a , a )
全同费米子的全反称波函数一般形式（无相互作用）
由于泡利不相容原理的存在，要求粒子数不大于态的数目。
根据全同粒子系统的特点，人们发展了一种使用Fock空间处 理全同粒子系统的方法，就是二次量子化。 二次量子化的引入：Dirac(1927);Wigner,Jordan(1928) “二次量子化”的含义：
+
代入哈密顿量表达式，有
1⎞ ⎛ ˆ H = hω ⎜ a + a + ⎟ 2⎠ ⎝
作线性变换：
a= mω 2h
引入算符粒子数算符N ：
“高等量子力学”补充专题： 二次量子化简介
Z
Brillouin磁化率公式：
负温度（如晶格排列磁矩体系）：
1 1 S ln ( E ) , ( E ) : E处状态数 kT k E E
若对上述体系除去内能一定的限制，则得（对任 意k）：ρkk=1/N 对应于完全随机的系综，与β ->0（即T∞）的 正则系综分布相同
十四、配分函数
ρkk的分母为
是统计力学中的配分函数，可写为
ρ在能量本征态基中可写为
据此可得体系的所有性质， A tr e 对A=H，有
Ψi(x’)是对应于|α(i)>的波函数。 ρ的对角元素是几率密度的权重和。 混合态系综分解也是不唯一的（如不同平面波或波包 的叠加）
十一、密度算符与量子统计力学
对完全随机的系综，密度矩阵在任何表象中均有：
该ρ与纯系综的ρ很不相同。 为定量表征不同系综的ρ，定义σ为：
在ρ本征态为基矢时
U
H
A
Z
k k
N
A k e Ek
N
E e
k k N k
N
Ek
Ek e
Ek e
(ln Z )
与统计力学的对应知β =1/kT.
应用举例：均匀磁场中的电子系综
e /2 0 0 e /2 , Z=e /2 e /2
关于算符函数矩阵的运算
二次量子化
1 p P[ (q1 ) (q2 )... N (qN )] N! p
P－置换算符 p 1 是置换P的奇偶性。
斯莱特（slater）行列式
19
(q1 ) (q2 ) ... (qN ) 1 (q1 ) (q2 ) ... (qN ) A ...(q1 , q2 ...qN ) N! (q1 ) (q2 ) ... (qN )
＝ (q1, q2 qi q j qN )
则 ―反对称波函数 A（当两粒子交换，波函数反号， 即处于反对称态）
11
s A ？以N=2,N=3为例： 如何构造 ，
(q1, q2 ), (q2 , q1 ) N=2 有2个量子态：
1 (q1 , q2 ) (q2 , q1 ) 对称波函数： (q1 , q2 ) 2
n1 个粒子处于 1 态； n 2 个粒子处于 2 态……。 但它不可能告诉你，哪一个粒子处于 1 态，那
一个粒子处于 2 态，等等。
4
注意：全同性原理只是说全同粒子不可区分，不可编号，
但并不是说它们的量子态不可区分。例如：氢原子中电
子的波函数用 n,l , m, ms 表示，n,l ,m,m s 四个量子数
(q1 )
(q1 )
(q2 ) (q2 ) (q3 ) (q3 )
18
推广：在坐标表象中，N个全同费米子的归一化的 量子态：
(q1 ) 1 (q1 ) A ...(q1 , q2 ...qN ) N ! (q1 )
(q2 ) ... (qN ) (q2 ) ... (qN ) (q2 ) ... (qN )
12.26-二次量子化-费米子情形
1. 费米子子的全反对称态
设共有������个单粒子态{|������1⟩, ������2 , … |������������⟩}, 共有������个费米子, 则必有 ������ ≤ ������.
������ = 4, ������ = 3
如果我们坚持对������个粒子使用标号, 可将第������个粒子所占据的态的 1
会生成������!个项, 组成一个全反对称态.
������(1)
������
������,������ ������
=
1 ������!
[������������
(������1 1
|������������1 ⟩)(
������������2
…
������������������
) + [������������ ( ������������1 )(������1 1 |������������2⟩…
要求对该态总任意两个态指标的对换都是反对称的.
若引入具有反对易关系的产生算符: ���������†��� , ���������†��� = 0 → (���������†��� )2= 0, 则可写 |������⟩���(������������������,���������������) = ���������†���1 … ���������†���������|0,0,…, 0⟩
⟩…
������������������
1
2
|������1⟩ |������2⟩ |������3⟩
|������⟩���(���3,2) = |1,1,0⟩
我们规定������个费米子按1 ≤ ������1 < ������2…< ������������ ≤ ������标号.
二次量子化简介
n !
!
2
t
f (n1L
n ,t)
i
iT
i
ni
L
ni L N!
! 2
f (n1L
ni L
n ,t)
1
i j
iT
L j ni
(ni 1)!L (nj 1)!L N!
2
f (n1L
ni 1L
nj 1L n ,t)
1
i jkl
ij V kl
1 2
ni
n
j
L
(ni
1)!L
(nj 1)!L (nk 1)!L N!
可简化为：
ih t
f (n1L
n , t)
i
i T i ni f (n1L ni L n , t)
1
1
i T j (ni )2 (n j 1)2 f (n1L ni 1L n j 1L n , t)
i j
i jk l
ij V kl
1 2
(ni
)
1 2
(n
j
)
1 2
(nk
1
1) 2 (nl
E'
W
W'
1 2 nE
(nE'
EE'
)
EE' V WW '
C(n1 L nE 1L nW 1L nE' 1L nW' 1L n,t)
i
j
k
l
1 2ni (nj
ij
)
ij V kl
C(n1 L ni 1L nk 1L nj 1L nl 1L n,t)
薛定谔方程变为：
第八章_量子多体问题方法及其应用
第八章量子多体问题方法及其应用二次量子化的基本概念，正则变换为主的多体理论方法。
§8.1 二次量子化方法在讨论多体问题时，采用粒子的产生和湮灭算符的方法，------“二次量子化”方法。
8.1A 二次量子化，玻色子和费米子一次量子化：算符的量子化（经典的力学量到量子力学中的厄密算符）。
例如电磁场的量子化。
8.1B 量子光学中的JC模型举例，一个二能级原子与单模量子化广场作用，耦合Hamiltonian为---------跃迁，式中，带入Hamiltonian中，得式中，对于一个模式，，则此处，采用长波近似，即。
则有又有，一个电子在原子中的Hamiltonian为，则。
所以，式中，为“电偶极跃迁矩阵元”。
此时，相互作用的Hamiltonian描述的是：把原子放在一个体积为V的腔中，电子与腔存在的模式为的量子化平面波电磁场发生相互作用，发生从基态到激发态的跃迁。
模式中含有的光子数为，吸收过程的初态为，末态为，即。
在中第二项含有一个高频振荡因子，对时间的平均后，通常被忽略，叫做“旋转波近似”。
则有当考虑从激发态向基态跃迁时，，可得。
当两种跃迁同时存在时，在长波近似和旋转波近似下。
现在，我们回到起点考虑问题：（1）矢势为----量子化；（2）体系Hamiltonian为，（3）完备性关系，。
对进行处理，即物理要求，。
则。
形式上，从的跃迁可表示为算符，-----Pauli算符。
若记，则。
类似，。
所以在坐标表象中考虑问题，，且基于以上讨论，我们可得式中，忽略公式中算符的脚标，即相互作用Hamiltonian为，。
体系总Hamiltonian为，式中，去掉零点能，旋转波近似下，扔掉上式中的最后两项，-----JC模型。
项描述过程：消灭一个光子，原子发生的跃迁。
项描述过程：产生一个光子，原子发生的跃迁。
上式成立的条件为，。
-----旋转波近似将Hamiltonian作用到上，寻找不变子空间。
过程如下，上面出现了，将H作用到上，从上面的过程可知，形成H的一个不变子空间。
高等量子力学 课件 【ch03】二次量子化方法
粒子数表象
于是谐振子哈密顿算符用声子数算符可记为
应当注意，这里的n 是算符。 上面的讨论并未涉及状态随时间的演化问题，或者说我们仅仅讨论了初始时刻的状态描述。 由于在粒子数表象 中我们将状态记为产生算符作用在真空态的形式(见式(3.9)),所以方便的是使 真空态不随时间改变，而使力学量 随时间改变，因此常采用海森伯绘景。在海森伯绘景中， 一维 自由谐振子湮灭算符b(t)所满足的动力学方程为
粒子数表象
历史上最早定义的相干态为谐振子相干态，它是谐振子的一些量子力学状态，处于这些态中 的粒子按 量子力学规律运动，与在同一势场中具有相同能量的经典粒子的简谐运动最为接近。为简单起见，我们 讨论一维运动。经典谐振子的运动规律xc(t)与其能量表达式为
式中， x0 为振幅， 为角频率， 为初相。为了与量子力学进行比较，将上述二式改写为
为了在粒子数表象中进行各种计算，需要引进粒子产生算符和湮灭算符。利用它们，就可以 把粒子数表象
的基矢及各种类型的力学量方便地表示出来，而且在各种计算中，只需利用这些产 生算符和湮灭算符的基
本对易关系，量子态的置换对称性即可自动得到保证。为了初学者方便， 在引进产生算符和湮灭算符之
前，简单回顾一下一维谐振子的代数解法中的升算符和降算符概念。
其中矩阵元为
压缩算符的意义
如果V 与时间有关， 当然也可能与时间有关。在特殊情况下，若V 与时间无关，则 可取 一次量子化理
论中的单粒子哈密顿算符 的本征态，相应的本征值为Ea,于是有
。这时，量子场
哈密顿算符式(3.85)可简化为
求式(3.87)的本征值和本征矢是一个二次量子化方案中的问题。其中，
的第一行与第二行相同，行列式等于零，即
。这表明这样的体系状态不存在。这正是泡利
吉林大学高等量子力学习题完整版
4、 试利用 D 函数的幺正性，给出ψ 5、 对于无穷小转角 δϕ ，求证：
jm
j (τ ' ) = ∑ Dm ψ jm ' (τ ) 的逆变换关系式。 'm (αβγ ) m'
-2-
2007-11
吉林大学物理学院理论物理中心
1 j Dm i (δϕ x −iδϕ y ) j ( j + 1) − m(m + 1)δ m 'm+1 'm (δϕ ) = (1 − iδϕ z m)δ m 'm − 2 1 − i (δϕ x +iδϕ y ) j ( j + 1) − m(m − 1)δ m 'm−1 2
试证明： | j 1 m1 >| j 2 m2 >=
∑C
jm
j3m3 j1m1 j2 m2
| jm >
9、 两个全同粒子处于中心外力场中，单粒子能级为 E nlj ，试证明：无论这两个粒子是玻色 子还是费米子，当它们处于同一个单粒子能级时，体系的总角动量量子数 J 必为偶数。
† D 函数
1、 设坐标系 O − xyz 绕空间任意轴 n 转 dθ n 角， 到达 O − x' y ' z ' 。 在该转动下角动量算符 J 的本征函数ψ
称为一阶张量投影定理，试证明这一定理，进而证明这一定理的另一表达式
G ˆ | jm >< jm | ( J ⋅ T ˆ ) | jm > < jm'| J 1 M ˆ < jm'| T1M | jm >= 2 j ( j + 1)=
7、 试利用投影定理计算微观粒子的磁矩（即磁矩在 | jm > 态上的平均值） ，磁矩算符为
二次量子化推导
《二次量子化推导：走进量子世界的奇妙之旅》嘿，朋友们！今天咱们要来唠唠这个听起来就特别高大上的“二次量子化推导”。
你可别一听就觉得头疼，咱就像讲故事一样慢慢把它弄明白。
首先呢，咱们得知道为啥要有二次量子化这玩意儿。
在量子的世界里啊，那些小粒子可不像咱们平常看到的东西那么听话。
当我们研究的系统里有好多好多粒子的时候，比如说一群电子在一块儿，那情况就变得超级复杂。
传统的量子力学描述方法就有点不够用了，就像你用小勺子去舀大海里的水，效率低还容易搞混。
这时候二次量子化就闪亮登场了。
那二次量子化是怎么个思路呢？它呀，不再像以前那样一个一个粒子去看，而是去看每个量子态上有多少个粒子。
这就好比我们不关心每一个单独的苹果，而是关心每个篮子里有几个苹果。
这里面有两个超级重要的家伙，产生算符和湮灭算符。
这俩名字听起来就很科幻对吧？咱们先从简单的开始理解。
想象有一个房间，这个房间代表一个量子态。
如果这个房间里没有粒子，那就是空的。
现在，产生算符就像是一个小魔法棒，一挥，就给这个房间里送进来一个粒子。
而湮灭算符呢，就像是一个小吸尘器，一下子把房间里的一个粒子给吸走了。
咱们开始推导的时候啊，得先从经典的情况入手。
就像盖房子得先打地基一样。
我们先选择一些广义坐标，这些坐标就像是描述这个量子系统的一些特殊的标签。
比如说在研究一个粒子的运动时，它的位置或者动量就可以是这种广义坐标。
然后呢，我们用这些坐标来构造一个拉格朗日量。
这个拉格朗日量就像是这个量子系统的一个特殊的说明书，它告诉我们这个系统是怎么动的，怎么变化的。
有了这个拉格朗日量之后呢，我们就可以求出正则动量。
这正则动量啊，就像是和广义坐标配套的另一个重要的东西。
你可以把它们想象成是一对好搭档，在量子的舞台上一起跳舞。
接下来就是一个很关键的步骤啦。
在经典力学里有个泊松括号，这东西在量子力学里就变成了对易关系。
这个对易关系就像是一种规则，规定了产生算符和湮灭算符之间怎么相处。
12二次量子化方法
[第12讲]“一次量子化”与“二次量子化”━━ “古怪”与“不古怪”I，前言II，量子力学的建立━━“无厘头”的一次量子化III, Maxwell场协变量子化━━需要“鬼光子”的一次量子化1，Lorentz规范下协变形式量子化2, 不定度规、负模态、鬼光子3、附加条件━━“协变性要求有鬼，条件保证了看不见它们” IV，“ Schrödinger 场”的二次量子化━━其实不古怪1，“ Schrödinger 场”的“经典”场论2，“ Schrödinger 场”按对易规则二次量子化3，“Schrödinger 场”按Jordan-Wigner规则二次量子化4，将两种二次量子化结果转入粒子数表象5, 与全同多体量子力学的等价性━━所以不古怪6，二次量子化中对易规则选择问题V，自作用“ Schrödinger 场”的二次量子化━━再次的不古怪1, 自作用“ Schrödinger 场”的二次量子化2，转入粒子数表象3，转入坐标表象VI，二次量子化方法评论━━可以理解的古怪※ ※ ※I, 前 言学过量子力学的人都知道，文献和书中经常会遇到说法：经典力学经过“一次量子化”“过渡到”量子力学。
其实，从科学观点看，这个“一次量子化”实在是个“无厘头”的东西。
然而，古怪并不到此为止，更有甚者：在量子力学中，再经过 “第二次量子化”，还可以从单粒子量子力学转向建立相对论量子场论。
并且理论与实验还广泛符合，十分成功！本讲专门谈谈这两个古怪。
结论是: 一次量子化是“无厘头”的古怪，二次量子化的基础是波粒二象性，是理性的不古怪。
II ，量子力学的建立━━“无厘头”的一次量子化先简单重复一下“一次量子化”具体内容：将牛顿力学的力学量转化为作用到系统状态空间上的算符（开始了“无厘头”的逻辑飞跃！），同时也就得到坐标和动量的对易规则，构成算符的非对易代数：()ˆˆˆ,,ˆˆ,,,,i j i j r r p p i E E i t x p i i j x y z δ∂⎧→→=-∇→=⎪∂⎨⎪⎡⎤==⎣⎦⎩接着再将牛顿力学能量等式()22p E V r m=+对应地转化成算符方程，作用到表征状态的实变数复值函数(),r t ψ上，就得到状态运动方程：()()()2,,2r t i V r r t tm ψψ∂⎛⎫-=∆+ ⎪∂⎝⎭现在得到了算符的非对易运算规则，又有了状态运动方程，再添加一点与实验测量和物理解释有关的辅助公设，就能建立起非相对论量子力学。
二次量子化简介
• “二次量子化 二次量子化”： 二次量子化
ˆ 一次量子化中力学量的平均值( H )→算符( H ) 对于场的量子化来说， ˆ 的算符性来源于场变量的算符 H 化，即 ∗ +
ˆ ψ (x ) → ψ (x )
ˆ ψ (x ) → ψ (x )
二次量子化一般选用粒子数表象
原因：采用坐标表象描述全同粒子系统的量子态比复杂利用它进行计 算也很不方便，事实上，对于全同粒子编号是没有意义的，只需要把处于 每个单粒子态上的粒子数 (n1 , n2 ,⋅ ⋅ ⋅, nN ) 交待清楚，全同粒子系的量子态就完 全确定了。 全同Bose子体系的量子态可以用下列右矢来标记：
n1n 2 ⋅ ⋅ ⋅ n N
对于Fermi子体系，Pauli原理要求粒子态上的粒子数为1或0，若 n nα = nβ ⋅ ⋅⋅ = 1 其余单粒子态上无粒子， i = 0 ，则量子态可记为：
n α = 1, n β = 1,⋅ ⋅ ⋅
简记为
αβγ
⋅⋅⋅
α , β , γ ⋅ ⋅ ⋅ 指被粒子占据的单粒子态。
α
二次量子化后
ψˆ ( x , t ) = ψˆ +
ˆ+ ˆ 其中 bα为态粒子的产生算符，bα 为态粒子的湮没算符，
∗ ˆ bα (t ) = ∫ ϕα ( x ) ˆ ( x, t )dx ψ ˆ b + (t ) = ϕ ( x ) ˆ + ( x, t )dx ψ
∑ bˆα ϕ α (x ) α ˆ ( x , t ) = ∑ bα ϕ α ( x ) α
1.在经典理论中取连续值谱的物理量，在量子力学中变为 离散值谱的现象 2.参照系统的经典运动规律写出量子运动规律的方法
• “一次量子化 一次量子化”： 一次量子化
高量3.3.2转化到粒子数表象
ˆ† b ˆ ˆ E b H
上式所给出的是量子化波场的哈密顿算符，因此，求它的本征值和本征矢的问题是一个二次量子化方案中的问题。 但是，当采用了粒子数表象后，求解这个问题就会变得非常简单，可以照搬一次量子化方案中求谐振子问题的每个 ˆ和b ˆ † 是 态粒子的 消灭算符和产生算符； ˆ †b ˆ 是 态粒子数算符；那么， 步骤。 我们可以说 b ˆ b n
†
或表示成矩阵的形式：
ˆ† (t )b ˆ (t ) H ˆ (t ) b H
(3.3.24)
其中矩阵元
H
2 dx 化的波场的哈密顿算符式
2 2 ˆ† b ˆ dx * (x) ˆ+ (t )b ˆ (t ) H ˆ (t ) b H V (x)= b 2
( H
2 2 dx V ) 2
*
分析： H 当然也可能与时间有关。在特殊情况下，若V 与时间无关，则 可取一次量子化理论中的 如果V 与时间有关，
单粒子哈密顿算符 H (x) 的本征态，相应的本征值为
E ，于是有H E 这时，量子场哈密顿算符式为：
利用
( x)的正交归一性：
(x) (x)dx
(3.3.21)
从而可以得到展开式(3.3.19)的逆变换关系式：
ˆ (t ) * ( x) b ˆ ( x)dx
† ˆ† (t ) ( x ) ˆ b ( x)dx
(3.3.22)
ˆ ( x, t ), ˆ ( x, t ) 0 † † ˆ ( x, t ), ˆ ( x, t ) 0 † ˆ ˆ ( x, t ), ( x , t ) ( x x )
高等量子力学理论方法-二次量子化
一、一次量子化的薛定谔方程
i ( x1...xN , t ) H ( x1...xN , t ) t N 常有 1 N H T ( xk ) V ( xk , xl ) 2 k l 1 k 1
这里xk是第k粒子的（空间和分立变量如自旋）坐标， T是动能，V是粒子间的相互作用势能。
用单粒子定态波函数的完备集合或完备基展开多粒子波 函数(理论上是严格的)：
( x1...xN , t )
' ' E1 ... EN
C(E ...E
' 1
' N
, t) E' ( x1 )... E' ( xN )
1 N
Ek：单粒子量子数集合（如nlmms)
二、二次量子化方法
多粒子希尔伯特空间 n1n2 n 1. 抽象不含时态矢 ' ' ' n n n 正交性 1 2 n1 n2 n n n n n n n 完备性 n1n2 n n1n2 n 1 nk 0,1, 2,,
二次量子化基本思想
多体量子体系的理论处理
多体波函数 ( x1...xN , t ) 包含了所有信息，但直接求解薛 定谔方程很困难。常需依赖于： 1. 二次量子化。用二次量子化算符体现全同粒子的统 计性比用单粒子波函数的对称化或反对称化乘积描 述全同粒子的统计方便。 2. 量子场论：避免直接处理多粒子波函数和坐标而只 关注感兴趣的几个矩阵元。 3. 格林函数：包含基态能量及其热力学函数、激发态 能量和寿命等物理信息，可用Feynman-Dyson微 扰理论和Feynman图、Feynman规则求得。
1 ˆ H bi i T j b j bib j ij V kl bl bk 2 ijkl ij
“高等量子力学”补充专题： 二次量子化简介
根据x与p的对易关系，得
定义 故有
1` a , a 2 x, p i p, x i 1
m 2 p2 i 1 N a a x x , p 2 2 2 2 m 2
由波函数的对称性得： x p 0
2
2 x0 基态时： x 2m 2
,
m p , 2
2
2 (x) (p) 4
2 2
。
满足最小测不准关系(基态波函数具有高斯形式)。
由 x 2 (a 2 a 2 a a aa ) (a 2 a 2 2 N 1)
在n表象中，x和p均非对角（x、p与N不对易）。
四、本征波函数
用算符的方法可得出坐标空间的能量本征函数。
x | a | 0 0 x | m ip m d x | 0 x x | 0 2 m 2 m dx
n 0 2
n exp n n!
n
n 是某平均n
2． 可由 0 经原点平移一定距离而得。
3． 满足最小测不准关系。
与 0 的关系
0 ( x ' L) x ' | T ( L) | 0 x ' | e
iLp /
| 0 x ' | e
( a a )
可得
it i 2 2 H , H , x(0) x(t ) x(0) [ H , x(0)] 2 … 2!
1 t 3 2 p(0) p(0) 1 2 2 x(0) t t x(0) … 3! m m 2!
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▲单粒子算符在多粒子态矢量间的矩阵元
有一个态不相同的情况
▲双粒子算符在多粒子态矢量间的矩阵元
2020年6月8日星期一2 时54分53秒
12 i N
20
一、波函数的表示；产生消灭算符
的对易关系
ai | n1n2 ni ()P ni | n1n2 1 ni
ni 0或1，i 1,2,3,
i 1
P nr r 1
a i
| n1n2
ni
()P
1 ni | n1n2 ni 1
→可取一球对称的单粒子位函数之和代替
Hˆ
Z [hˆi
i 1
U
(ri
)]
Z
i j
e2 rij
Z
U (ri ) i 1
U (ri )的选取应使二者之差可视为微扰
→中心场近似
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时ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4分53秒
二、中心场近似
● 中心场近似的实质
将 Z 个具有相互作用的电子看作相互无作用
地在一个共同的中心场中运动——零级近似
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§7.3 粒子数表象
Representation of Particle Number
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时54分53秒
一、粒子数表象的由来
●上述结论启发人们采用粒子数表象 引入粒子的产生和消灭算符 以简化多粒子体系力学量矩阵元的计算
这种方法就叫做二次量子化方法
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二、粒子的真空态；产生消灭算符
●真空态定义；归一化条件
●产生算符的定义 单个粒子的状态 N个粒子的状态
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二、粒子的真空态；产生消灭算符
●消灭算符的定义 作用于真空态的效果 产生和消灭算符互为厄米共轭；非厄米
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时54分53秒
一、波函数的表示；产生消灭算符 的对易关系
a i
a
i
| n1n2
ni
ni | n1n2
ni
当ni 0 当ni 1
Nˆi
a i
ai
的意义——粒子数算符
总粒子数算符
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二、力学量的表示
●单粒子算符 例：单粒子动能算符 N个粒子体系的动能算符 在粒子数表象中的表达式 其中矩阵元的含义
Hˆ Hˆ 0 Hˆ 2 Hˆ1
Hˆ 0
Hˆ 2
Z
hˆi
i 1
Z
[
2 2m
i2
i 1
Ze2 ri
(ri
)li
si
]
为单粒子算符之和，可分离变量求解
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二、中心场近似
● 用单粒子位代替库仑排斥力
Hˆ1的存在使得Hˆ E不能严格求解
因电子间库仑斥力具有很大的球对称成分
Hˆ 0
Z
[
2 2m
2 i
i 1
] Ze2
ri
Hˆ 1
Z e2
i j rij
rij | ri rj |
Hˆ 2
Z
(ri
)li
si
i
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一、多粒子体系的哈密顿量
●对哈密顿量的分析
Hˆ1和Hˆ 2的相对影响依赖于原子 序数
轻原子，前者重要，后者可视作微扰
重原子反之；一般原子，二者都较重要→
●态矢量的正交归一化 →产生算符与消灭算符之间的对易关系
态矢量内积；三个可能值 N=1的情况 N=2的情况
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时54分53秒
一、波函数的表示；产生消灭算符 的对易关系
●N个费米子处于N个单粒子态的态矢量表示
态矢量表示
厄米共轭
反对易关系
利用对易关系计算
ai |1 1 1 1 0
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时54分53秒
一、Slater行列式
● 全同粒子具有不可分辨性→
全同多粒子体系的波函数必须满足交换对称性
† 费米子—交换反对称→泡利不相容原理 † 玻色子—交换对称
●中心场近似下N个费米子体系的状态波函数
Slater行列式；写成求和形式
N个对象的排列算符； N=3的例子
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时54分53秒
二、力学量的表示
●双粒子算符 例：两个粒子相互作用位能算符 N个粒子体系总的相互作用位能算符 在粒子数表象中的表达式 其中矩阵元的含义
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时54分53秒
二、力学量的表示
●力学量表达式的由来
要求与波动力学矩阵元表达式相等而总结得到
第七章 二次量子化方法
２００４年１２月
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引言
●全同多粒子体系难以用通常的波函数处理
→因而发展了二次量子化方法 ☻ † 引入粒子占有数表象—用各单粒子态填充
的粒子数描述状态；交换对称性自动满足
† 基本算符：粒子的产生算符和消灭算符
† 任意态矢和力学量均可用它们表示
† 有系统的法则计算力学量的矩阵元
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§7.1 中心场近似
Central Field Approximation
†‡●☺☻◙◘♠♣♥♦♪♫
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一、多粒子体系的哈密顿量
●考察序数为 Z 的原子中 Z 个电子构成的体系 在非相对论近似下，哈密顿量为
零级近似哈密顿量
Hˆ 0
Z
[hˆi
U (ri )]
分离变量求解
i 1
Hˆ 0 (1,2, , N ) E (1,2, , N )
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二、中心场近似
●原子核物理中的独立粒子模型
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§7.2 N个全同粒子体系的波函数 ——零级近似波函数
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二、全同玻色子体系的波函数
●N个玻色子占有N个状态 一般表达式 N=3的例子
●N个玻色子占有m个状态 一般表达式 N=3的例子
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三、一般结论
●对称性确保满足全同性——不可分辨性
费米子体系波函数的反对称性 确保满足泡利不相容原理 ●在中心场近似下，只需知道 1、哪几个单粒子态被占有 2、每个单粒子态上有几个粒子 即可知道全同粒子体系的状态
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§7.4 粒子数表象中费米子体系 的波函数及力学量的表示
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时54分53秒
一、波函数的表示；产生消灭算符 的对易关系
●产生算符表示状态应与Slater行列式等价 →产生算符的对易关系
→消灭算符的对易关系
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时54分53秒
一、波函数的表示；产生消灭算符 的对易关系