本页目录
- 学习层:同样“与H对易”,为什么有时简并、有时不简并?
- 1. 对称性作用在射线上,相位约定仍要交代
- 2. 连续对称性:生成元与守恒量之间还有条件
- 3. 从升降算符构造一个不可约角动量表示
- 4. 两个角动量合成:最高权、正交补与维数
- 5. CG系数是有相位约定的换基矩阵
- 6. 对称性怎样约束H:Schur引理与重数空间
- 7. 球张量:零的位置之外,符号与归一化也要正确
- 8. Wigner–Eckart:为什么整组矩阵元只差CG系数?
- 9. 时间反演:先保留反线性,再证明Kramers
- 10. 有限实验:对角化残差与简并判断分开
- 11. 光谱迁移:电偶极禁戒还可能有其他通道
- 12. 四道练习与完整解答
高量 I · 对称性与角动量理论
前置:角动量与氢原子、量子力学框架、微扰理论。目标:亲自构造角动量合成,分清对称性与简并的条件,再用张量变换律约束整组矩阵元。
学习层:同样“与H对易”,为什么有时简并、有时不简并?
两个自旋各有一组磁量子数,也可以合成为一个总角动量。换了基底,空间的维数并没有改变,但哈密顿量中哪些结构由对称性决定,会变得更容易看清。
先看两个自旋半:四维空间分成三维的三重态和一维的单态。交换相互作用为它们各给一个能量;轴向外场仍与总Jz对易,却可以拆开三重态。再换成一个整数自旋与一个半整数自旋,加入保持时间反演的各向异性:完整旋转对称性已经破坏,能级却仍受Kramers定理保护而成对出现。
先预测,再揭示。 取ℏ=1,两个自旋分别可取0、1/2、1、3/2,积空间最多16维。所有换基系数、算符和本征向量都实际计算;图上的格子、曲线与下载表格使用同一批结果。
| 项目 | 固定记录值 |
|---|---|
| 双自旋半:空间维数 | 4 |
| 单态能量 | -0.75 |
| 三重态能量 | 0.25 |
| 单态↑↓系数 | 0.7071067811865476 |
| 单态↓↑系数 | -0.7071067811865475 |
| Kramers:T²符号 | -1 |
| Kramers:最低能量 | -0.35 |
| Kramers:第二能量 | -0.35 |
| Kramers:第三能量 | 1.2282202112918654 |
| Kramers:第四能量 | 1.2282202112918654 |
| Kramers:第五能量 | 2.971779788708135 |
| Kramers:第六能量 | 2.971779788708135 |
| 整数自旋:T²符号 | 1 |
| 整数自旋:第一能量 | 0.40000000000000013 |
| 整数自旋:第二能量 | 1 |
| 整数自旋:第三能量 | 1.4000000000000004 |
| 微小磁场:低能 | -5e-12 |
| 微小磁场:高能 | 5e-12 |
| 微小磁场:数值分组容差 | 1e-9 |
| 微小磁场:数值组数 | 1 |
下载四个场景的完整矩阵、CG与求解记录(JSON)。取ℏ=1。默认双自旋半仅λ=1;Kramers场景j₁=1、j₂=1/2、λ=0.7、Dz=1、Dx=0.4;整数场景j₁=1、j₂=0、λ=1、Dz=1、Dx=0.4;微场场景j₁=1/2、j₂=0、λ=1、hz=10⁻¹¹。未写出的系数均0。图上做显示舍入,表内保留冻结值。
先沿1–5节弄清“态、表示与换基”,再读6–8节的张量与选择定则,最后在9–10节分辨反酉对称和数值简并。11节把方法接到光谱,12节给出四道完整解答。
1. 对称性作用在射线上,相位约定仍要交代
归一化态ψ与eⁱαψ代表同一条射线。Wigner定理在此作为引用:复Hilbert空间射线上的双射若保持任意两射线的跃迁概率,就可由酉或反酉算符实现;实现算符的整体相位不唯一。它不是说任意保范数的非线性映射都属于对称性。
酉算符线性,反酉算符反线性:
选定正交基以后,反酉算符可以写成T=UK,其中K对该基下的系数取复共轭,U酉。U依赖基底,T的反线性性质不依赖。后面计算时间反演时,不能把K忘掉而只乘一个普通矩阵。
群在射线上的作用可以提升为射影表示:U(g₁)U(g₂)与U(g₁g₂)允许差一个相位。自旋半的旋转由SU(2)表示,转2π得到−I;这个整体相位不改变单态的测量概率,但在具有相干参照的不同路径比较中仍须一致处理。
2. 连续对称性:生成元与守恒量之间还有条件
在有限维空间,一个连续的一参数酉群可写为
这里要求群律U(θ₁+θ₂)=U(θ₁)U(θ₂)。一般随参数变化的酉矩阵族不必由一个固定G生成。无穷维的对应结果是Stone定理,需要强连续性,自伴生成元还要连同其定义域处理;本页实验不以小矩阵代替这些域问题。
如果所有θ都满足[U(θ),H]=0,在θ=0求导得到[G,H]=0。反过来,在有限维中[G,H]=0使每个G的幂均与H对易,因此整个指数也对易。仅有某一个离散θ的U与H对易不能反推生成元:例如U(2π)恰为±I时,对任意H都对易。
当G不显含时间时,Schrödinger方程给出
所以对易性推出期望值守恒。它本身并未推出能量简并;例如H=ωJz的不同m可以拥有不同能量,同时[H,Jz]=0完全成立。
3. 从升降算符构造一个不可约角动量表示
在ℏ=1约定下,定义J±=Jx±iJy。交换关系为
J²与三个生成元对易。设共同本征态为|jm〉,由J∓J±=J²−Jz²∓Jz得到范数
最高、最低端的范数必须为0,且每次升降改变m一个单位,故m从j走到−j、2j为非负整数。统一相位可令降算符系数非负:
j=0是合法的一维平凡表示,全部J矩阵为0。实验也保留这个边界,不把“无自旋”作为非法输入。
矩阵按m=j,j−1,…,−j排列,列表示输入态。Jy是纯虚Hermitian矩阵;数据中以其实部0与虚部矩阵分别说明,不能把虚部矩阵本身当成Jy。
4. 两个角动量合成:最高权、正交补与维数
积空间中,总生成元为
积基|j₁m₁〉|j₂m₂〉是Jz本征基,总M=m₁+m₂。最高M=j₁+j₂只有一个积态,因此它就是J=j₁+j₂的最高态。用总J−逐次下降,得到这一整组2J+1个态。
接着看M=J−1的子空间。把前一组在该M的态投影扣除,剩下的正交补给出下一组最高态。为什么它确实被J+湮灭?J+把它送到更高M,而那个空间已由前面构造的不可约组占满;对任何已构造态w,〈w|J+v〉=〈J−w|v〉=0。因此J+v既在已占满空间里、又与它正交,只能为0。
继续最高权与下降,得到
J以1递增,每种只出现一次。若j₁≥j₂,右边维数是等差和:共有2j₂+1项,首尾维数平均为2j₁+1,恰等于左边(2j₁+1)(2j₂+1)。这既检查没有遗漏,也说明两个不可约表示的这次合成没有额外重数。
实验以两次正交化减少浮点误差,保存每次种子、投影系数和剩余向量,再保存全部下降步骤。数值阈值只用于有限构造中的舍入识别;一般分解的理由是上面的表示论论证。
5. CG系数是有相位约定的换基矩阵
定义
本页使用实的Condon–Shortley约定:每个最高态中按m₁降序遇到的第一个非零系数取正,下降系数取非负。整体翻转一组态不改变概率,但会改变部分CG符号;比较两张表之前必须先统一约定。
令这些系数按列组成C,则
两个自旋半的三重态分别是↑↑、(↑↓+↓↑)/√2、↓↓;单态是(↑↓−↓↑)/√2。它们的正交性直接来自交叉项相消,单态被三个总生成元湮灭。一般合成使用同一流程,不能仅凭这一个四维例子宣称已证明所有CG表。
实验同时检查换基正交、J²/Jz对角化和下降递推,并与完整系数表对应。只检查维数正确,无法发现一个列符号或两个系数位置交换造成的错误。
6. 对称性怎样约束H:Schur引理与重数空间
若有限维Hilbert空间在旋转群下分解为
其中Mⱼ是同一不可约表示出现多少次的重数空间,那么与全部旋转对易的H必须具有
理由是:H的各块是不可约表示之间的交织映射。不同j之间的非零交织会给出同构,故不存在;同一j上的自伴交织算符若有两个不同特征值,其特征子空间就构成非平凡不变子空间,违反不可约性,所以只能是标量。若有多份同一表示,这个标量可以随重数指标组成矩阵hⱼ。
将hⱼ对角化后,每个特征值至少重复2j+1次;不同j或不同重数的特征值还可能偶然重合。不能把这一步缩成“随便找一个与H对易的G,就有简并”。
本实验的交换作用可直接化成
因此旋转对称的交换模型中,能量只依赖J,不依赖M。加入hzJz后仍与Jz对易,但能量再加hzM,通常会拆开同一J中的不同M。
7. 球张量:零的位置之外,符号与归一化也要正确
不可约秩k球张量是一组2k+1个算符Tᵏq,满足
矢量是k=1的情形。在本页约定下
取V=J₁,得到T+1=−J₁+/√2、T0=J₁z、T−1=J₁−/√2。总J对第一自旋的作用给出所需张量变换律,因为第二自旋算符与第一自旋算符对易。
一个直接的符号检查是[J+,J₁z]=−J₁+,而√2T+1也正好等于−J₁+。如果直接拿J₁+当T+1,虽然非零格子仍位于m′=m+1,递推的符号和系数却错了。图表保留有符号矩阵元,不能仅检查模长。
球张量按算符的旋转变换律定义;不要求某个另行指定的H已经旋转对称。若想让j、m同时作为能量态标签,再需要H与相关对称算符相容。约定与张量变换可对照Littlejohn球张量讲义。
8. Wigner–Eckart:为什么整组矩阵元只差CG系数?
固定初态不可约表示Vⱼ和张量秩k,定义线性映射
张量变换律保证F与旋转作用相容:把旋转同时作用于两个输入因子,等于先用F再旋转输出。用交换子也能直接检查:J作用于Tq|jm〉时,两项分别来自[J,Tq]|jm〉和TqJ|jm〉,正好对应积表示的两个生成元。
第4节说明Vⱼ⊗Vₖ中每个允许的Vⱼ′只出现一次。将F投影到指定的末态副本α′、j′,Schur引理说明它在这个不可约块上只能是标准同构乘一个数。因此
本页R的定义没有额外除以√(2j′+1);另一种常用约化矩阵元约定把这因子放在定理式中。比较结果须同时转换,不能仅凭两个R数值不同判错。
必要条件是m′=m+q、|j−k|≤j′≤j+k且j+k−j′为整数。不满足条件时CG为0;满足这些条件时仍可能出现CG的额外零。即使CG非零,R也可能因动力学或其他对称性为0。实验把三类情况分别留下,不把“候选允许”写成“必然发生”。
实验用真实的C†TqC算矩阵元,再用另外一次j⊗1合成得到几何CG。对固定J→J′,以
抽取共同系数,并逐个比较T与CR。分母为0表示该块没有可用几何通道,显示“不适用”,不做0/0。这里的实数求和适用于当前实CG与实球分量;一般复数情形要用共轭内积。
9. 时间反演:先保留反线性,再证明Kramers
选取标准自旋基,定义
这条式子须与反线性一起使用。再作用一次,两个符号相乘给Tⱼ²=(−1)²ʲI。对两自旋积空间,T²=(−1)²⁽ʲ¹⁺ʲ²⁾I。实验保存U和UU*,而不是把反酉T当成普通线性矩阵直接相乘。
若H自伴、TH=HT,Hψ=Eψ且E为实数,就有H(Tψ)=E(Tψ)。当T²=−I时,反酉内积性质又给
左右比较得〈Tψ|ψ〉=0。所以ψ与Tψ是正交的同能态;这个结论不要求完整旋转对称。每个有限维能量子空间可继续按这样成对取基,故维数为偶数。
若T²=+I,上面的正交结论不成立:自旋1的H=DzJz²+DxJx²在一般不相等的非零系数下可以有三个不同能量,同时保持时间反演。它是“有时间反演就一定二重简并”的反例,不是说整数自旋绝不会出现简并。反酉与Kramers的讨论可对照Littlejohn时间反演讲义。
10. 有限实验:对角化残差与简并判断分开
实验统一使用
系数以同一能量单位表示,J取无量纲ℏ=1表示。平方项在T下不变,线性磁场项变号;hz=hx=0时模型保证时间反演。Dz=Dx=hz=hx=0时还保证完整旋转对称。这些是充分条件;特殊的零表示或参数相消还可能留下更多对称,实验同时显示实际交换子。
H在所选积基中是实对称矩阵,可用Jacobi旋转对角化,故本征向量可取实数。数据记录全部旋转、最终非对角残差、每个本征向量的Hv−Ev与正交残差。对每个v还实际计算Tv、〈v|Tv〉与H(Tv)−E(Tv),分别检验正交性和同能性。
图中能量从低到高排序。扫描hz时,同一排序序号不自动代表同一个连续本征态;在交叉或简并处,仅连这些能量曲线不能确定绝热态如何跟随。当前图不声称做了本征态追踪。
实验按10⁻⁹max(1,max|Hᵢⱼ|)分组接近的能量,并公开这个容差。它是有限数值分组:小于容差的真实微小劈裂可能被归为一组,不能据此宣布严格简并。Kramers或Schur保护来自前面的假设与证明;残差给的是当前计算与这些结论的一致性证据。
11. 光谱迁移:电偶极禁戒还可能有其他通道
电多极算符的空间部分可写成rᵏCₖq,其中Cₖq=√[4π/(2k+1)]Yₖq。它具有宇称(−1)ᵏ。电偶极E1因此连接相反宇称;电四极E2连接相同宇称。二者还各自服从秩1或秩2的角动量三角条件。不同跃迁类型的规则见NIST光谱规则表。
在忽略自旋与精细结构的氢原子空间波函数模型中,3d→1s不满足E1的三角条件,但E2允许ℓ=2→0。下面不只说“允许”,而是算一个非零矩阵元。用a₀=1,取m=q=0:
两个径向波函数在r²dr测度下归一。角积分是∫Y₀₀*C₂₀Y₂₀dΩ=1/√5;径向积分为
故〈1s|r²C₂₀|3d,m=0〉=81√6/256,恢复单位为a₀²。这说明单光子E2通道也可能存在;不能把E1禁戒改写成“只能双光子或级联”。这里没有计算完整辐射相互作用的速率、频率因子或精细结构分支比。
同样,固定无额外重数的J子空间内,矢量投影与J成比例。对J≠0,利用J=L+S、2L·J=J²+L²−S²,可得到磁矩投影系数
取gL=1、gS约2得到常用Landé式。J=0时不能代入此分母;秩1算符在单独J=0块内为0,须直接按选择定则处理。若有多个相同J副本,比例系数还要保留重数矩阵。
12. 四道练习与完整解答
练习1:两个自旋半的交换能级
取λ=1、Dz=Dx=hz=hx=0。构造四个耦合态,求全部能量及简并;再加入hz=0.4。
展开完整解答:先分解表示,再代入能量
三重态J=1为↑↑、(↑↓+↓↑)/√2、↓↓,单态J=0为(↑↓−↓↑)/√2。两个自旋各有j(j+1)=3/4,所以交换能量为[J(J+1)−3/2]/2:三重态1/4,单态−3/4。
加入0.4Jz后,三重态的M=1、0、−1分别给0.65、0.25、−0.15,单态仍为−0.75。H仍与Jz对易,却已无三重简并;完整旋转对称性要求同时检查其他生成元。
练习2:球分量的符号为何不能随便删?
对单个自旋半,计算〈↑|T+1|↓〉与[J+,T0],并检查秩1张量递推。
展开完整解答:检查实际带符号矩阵元
J+|↓〉=|↑〉,而T+1=−J+/√2,所以矩阵元为−1/√2。由[Jz,J+]=J+可得[J+,T0]=[J+,Jz]=−J+;右边√2T+1也是−J+。
若改用J+、Jz、J−当三个标准球分量,零格仍符合磁量子数差,但递推不成立。允许的位置和正确的相对幅度是两个不同的检查。整体一致改变基底相位可以转换约定,任意删去一个分量的负号或√2则不行。
练习3:整数自旋的时间反演反例
令j₁=1、j₂=0,取Dz=1、Dx=0.4、hz=hx=0。判断T²并求能级;为什么这不违反Kramers定理?
展开完整解答:把定理的两个条件都用上
此时总自旋为1,T²=+I。按m=1、0、−1,Jz²对角为1、0、1,Jx²的中间对角为1,两端对角与相互连接项均为1/2。H因此为
中间态能量0.4,两端对称/反对称组合能量1.4与1.0,三个都不同。平方项保持时间反演,但T²不是−I,所以不满足Kramers正交伴态结论的前提。
若改成j₁=1、j₂=1/2且保持线性场为0,T²=−I;即使相同的平方各向异性破坏完整旋转对称,仍须成对同能。打开磁场会破坏该保护,但不能反过来保证每一个参数点都毫无偶然简并。
练习4:3d→1s为什么不能只写“禁戒”?
在第11节的空间波函数模型中,分别判断E1与E2,并复算m=q=0的E2矩阵元。
展开完整解答:指定算符秩,再检查非零积分
E1的秩为1,ℓ=2与ℓ′=0的三角条件不成立;两态又同宇称。因此电偶极矩阵元为0。E2秩为2,角条件与同宇称均相容。
C₂₀=√(4π/5)Y₂₀、Y₀₀=1/√(4π),而∫Y₂₀²dΩ=1,所以角积分1/√5。径向积分用∫r⁶e⁻ᵝʳdr=6!/β⁷、β=4/3,得81√30/256。相乘得到81√6/256 a₀²,确实非零。
这个计算只证明当前模型的E2算符矩阵元不为0。实际线强、寿命和竞争分支还需要相互作用系数、频率、细结构与其他衰变通道;“E1禁戒”必须始终带着E1这个限定。