[1] x ^ \hat x x ^ と p ^ \hat p p ^ を a ^ , a ^ † \hat a,\hat a^\dagger a ^ , a ^ † で表す
(2) は、a ^ , a ^ † \hat a,\hat a^\dagger a ^ , a ^ † を x ^ , p ^ \hat x,\hat p x ^ , p ^ の1次結合で与える式である。未知の x ^ , p ^ \hat x,\hat p x ^ , p ^ について2本の1次式が与えられているので、足して引けば2つの演算子を分離できる。x ^ \hat x x ^ と p ^ \hat p p ^ は互いに交換しないが、この計算では演算子の順序を入れ替えず、係数だけを動かすので問題が生じない。
係数の確認に次元を使う。ℏ / ( m ω ) \hbar/(m\omega) ℏ/ ( mω ) は長さの2乗、m ℏ ω m\hbar\omega m ℏ ω は運動量の2乗の次元なので、a ^ , a ^ † \hat a,\hat a^\dagger a ^ , a ^ † が無次元であることと合う。さらに、この結果から [ x ^ , p ^ ] [\hat x,\hat p] [ x ^ , p ^ ] を作ると
[ x ^ , p ^ ] = − i ℏ 2 [ a ^ + a ^ † , a ^ − a ^ † ] = − i ℏ 2 ( − 1 − 1 ) = i ℏ
[\hat x,\hat p]=-i\frac\hbar2\,[\hat a+\hat a^\dagger,\ \hat a-\hat a^\dagger]=-i\frac\hbar2\,(-1-1)=i\hbar
[ x ^ , p ^ ] = − i 2 ℏ [ a ^ + a ^ † , a ^ − a ^ † ] = − i 2 ℏ ( − 1 − 1 ) = i ℏ
となる。ここで [ a ^ , a ^ † ] = 1 [\hat a,\hat a^\dagger]=1 [ a ^ , a ^ † ] = 1 と、[ a ^ , a ^ ] = [ a ^ † , a ^ † ] = 0 [\hat a,\hat a]=[\hat a^\dagger,\hat a^\dagger]=0 [ a ^ , a ^ ] = [ a ^ † , a ^ † ] = 0 を使った。問題の与えた [ x ^ , p ^ ] = i ℏ [\hat x,\hat p]=i\hbar [ x ^ , p ^ ] = i ℏ と一致する。
誤りは、p ^ \hat p p ^ の符号を逆にして p ^ = + i m ℏ ω / 2 ( a ^ − a ^ † ) \hat p=+i\sqrt{m\hbar\omega/2}\,(\hat a-\hat a^\dagger) p ^ = + i m ℏ ω /2 ( a ^ − a ^ † ) と書くことである。このとき [ x ^ , p ^ ] = − i ℏ [\hat x,\hat p]=-i\hbar [ x ^ , p ^ ] = − i ℏ となり、基本の交換関係に反するので、符号の誤りを判別できる。
[2] 交換関係 [ H ^ , a ^ † a ^ ] [\hat H,\hat a^\dagger\hat a] [ H ^ , a ^ † a ^ ]
交換子 [ A ^ , B ^ ] = A ^ B ^ − B ^ A ^ [\hat A,\hat B]=\hat A\hat B-\hat B\hat A [ A ^ , B ^ ] = A ^ B ^ − B ^ A ^ は、各引数について線形で、[ A ^ , A ^ ] = 0 [\hat A,\hat A]=0 [ A ^ , A ^ ] = 0 であり、数の定数 c c c に対して [ A ^ + c , B ^ ] = [ A ^ , B ^ ] [\hat A+c,\hat B]=[\hat A,\hat B] [ A ^ + c , B ^ ] = [ A ^ , B ^ ] が成り立つ。H ^ \hat H H ^ が a ^ † a ^ \hat a^\dagger\hat a a ^ † a ^ の1次式の形に書けると、a ^ † a ^ \hat a^\dagger\hat a a ^ † a ^ との交換子は定数部分が消えて零になる。「H ^ \hat H H ^ と a ^ † a ^ \hat a^\dagger\hat a a ^ † a ^ の交換関係」という問いは、H ^ \hat H H ^ を a ^ , a ^ † \hat a,\hat a^\dagger a ^ , a ^ † で書き直す合図である。
別解として、[ H ^ , a ^ ] = − ℏ ω a ^ [\hat H,\hat a]=-\hbar\omega\hat a [ H ^ , a ^ ] = − ℏ ω a ^ 、[ H ^ , a ^ † ] = ℏ ω a ^ † [\hat H,\hat a^\dagger]=\hbar\omega\hat a^\dagger [ H ^ , a ^ † ] = ℏ ω a ^ † を使う方法がある。積の公式 [ A ^ , B ^ C ^ ] = [ A ^ , B ^ ] C ^ + B ^ [ A ^ , C ^ ] [\hat A,\hat B\hat C]=[\hat A,\hat B]\hat C+\hat B[\hat A,\hat C] [ A ^ , B ^ C ^ ] = [ A ^ , B ^ ] C ^ + B ^ [ A ^ , C ^ ] より
[ H ^ , a ^ † a ^ ] = [ H ^ , a ^ † ] a ^ + a ^ † [ H ^ , a ^ ] = ℏ ω a ^ † a ^ − ℏ ω a ^ † a ^ = 0
[\hat H,\hat a^\dagger\hat a]=[\hat H,\hat a^\dagger]\hat a+\hat a^\dagger[\hat H,\hat a]=\hbar\omega\hat a^\dagger\hat a-\hbar\omega\hat a^\dagger\hat a=0
[ H ^ , a ^ † a ^ ] = [ H ^ , a ^ † ] a ^ + a ^ † [ H ^ , a ^ ] = ℏ ω a ^ † a ^ − ℏ ω a ^ † a ^ = 0
で、同じ結果になる。物理的には、H ^ \hat H H ^ と a ^ † a ^ \hat a^\dagger\hat a a ^ † a ^ が同時固有状態をもつことを意味する。問題文の ∣ n ⟩ \ket n ∣ n ⟩ について H ^ ∣ n ⟩ = ℏ ω ( n + 1 2 ) ∣ n ⟩ \hat H\ket n=\hbar\omega(n+\frac12)\ket n H ^ ∣ n ⟩ = ℏ ω ( n + 2 1 ) ∣ n ⟩ が成り立つ。
誤りは、a ^ a ^ † \hat a\hat a^\dagger a ^ a ^ † と a ^ † a ^ \hat a^\dagger\hat a a ^ † a ^ を同じものとして H ^ = ℏ ω a ^ † a ^ \hat H=\hbar\omega\hat a^\dagger\hat a H ^ = ℏ ω a ^ † a ^ と書くことである。このとき基底状態のエネルギーが 0 0 0 になってしまう。実際は ℏ ω / 2 \hbar\omega/2 ℏ ω /2 で、不確定性関係 Δ x Δ p ≥ ℏ / 2 \Delta x\Delta p\ge\hbar/2 Δ x Δ p ≥ ℏ/2 から ⟨ H ^ ⟩ ≥ ℏ ω / 2 \langle\hat H\rangle\ge\hbar\omega/2 ⟨ H ^ ⟩ ≥ ℏ ω /2 と下から抑えられる。ゼロ点エネルギーは、a ^ a ^ † − a ^ † a ^ = 1 \hat a\hat a^\dagger-\hat a^\dagger\hat a=1 a ^ a ^ † − a ^ † a ^ = 1 の1から生じている。
[3] 基底状態の位置表示 ⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|0} ⟨ x ∣0 ⟩
位置の固有ケット ∣ x ⟩ \ket x ∣ x ⟩ は x ^ ∣ x ⟩ = x ∣ x ⟩ \hat x\ket x=x\ket x x ^ ∣ x ⟩ = x ∣ x ⟩ を満たす。x ^ \hat x x ^ はエルミートなので、ブラについても ⟨ x ∣ x ^ = x ⟨ x ∣ \bra x\hat x=x\bra x ⟨ x ∣ x ^ = x ⟨ x ∣ となる。p ^ \hat p p ^ は式 (1) で − i ℏ d / d x -i\hbar\,d/dx − i ℏ d / d x に置き換わる。基底状態は a ^ ∣ 0 ⟩ = 0 \hat a\ket0=0 a ^ ∣ 0 ⟩ = 0 で特徴付けられ、これを位置表示にすると ψ 0 \psi_0 ψ 0 についての1階の微分方程式になる。2階の微分方程式であるシュレーディンガー方程式を解くより簡単で、解の空間が1次元なので、定数倍を除いて基底状態が1つに決まることもわかる。
規格化条件 ∫ ∣ ψ 0 ∣ 2 d x = 1 \int|\psi_0|^2dx=1 ∫ ∣ ψ 0 ∣ 2 d x = 1 は、位置の測定結果の確率の和が 1 1 1 であることを表す。ガウス積分では、指数部の係数が m ω / ℏ m\omega/\hbar mω /ℏ なので、C 2 C^2 C 2 に m ω / ( π ℏ ) \sqrt{m\omega/(\pi\hbar)} mω / ( π ℏ ) が必要になり、C C C はその平方根(1 / 4 1/4 1/4 乗)になる。
確かめとして、H ^ ψ 0 = 1 2 ℏ ω ψ 0 \hat H\psi_0=\frac12\hbar\omega\psi_0 H ^ ψ 0 = 2 1 ℏ ω ψ 0 を位置表示で直接調べる。ψ 0 ′ = − ( m ω / ℏ ) x ψ 0 \psi_0'=-(m\omega/\hbar)x\psi_0 ψ 0 ′ = − ( mω /ℏ ) x ψ 0 から ψ 0 ′ ′ = ( − m ω / ℏ + m 2 ω 2 x 2 / ℏ 2 ) ψ 0 \psi_0''=\bigl(-m\omega/\hbar+m^2\omega^2x^2/\hbar^2\bigr)\psi_0 ψ 0 ′′ = ( − mω /ℏ + m 2 ω 2 x 2 / ℏ 2 ) ψ 0 なので
− ℏ 2 2 m ψ 0 ′ ′ + 1 2 m ω 2 x 2 ψ 0 = ( ℏ ω 2 − 1 2 m ω 2 x 2 + 1 2 m ω 2 x 2 ) ψ 0 = ℏ ω 2 ψ 0
-\frac{\hbar^2}{2m}\psi_0''+\frac12m\omega^2x^2\psi_0=\Bigl(\frac{\hbar\omega}2-\frac12m\omega^2x^2+\frac12m\omega^2x^2\Bigr)\psi_0=\frac{\hbar\omega}2\psi_0
− 2 m ℏ 2 ψ 0 ′′ + 2 1 m ω 2 x 2 ψ 0 = ( 2 ℏ ω − 2 1 m ω 2 x 2 + 2 1 m ω 2 x 2 ) ψ 0 = 2 ℏ ω ψ 0
となり、固有値 1 2 ℏ ω \frac12\hbar\omega 2 1 ℏ ω が得られる。∣ ψ 0 ∣ 2 ∝ e − x 2 / ℓ 2 |\psi_0|^2\propto e^{-x^2/\ell^2} ∣ ψ 0 ∣ 2 ∝ e − x 2 / ℓ 2 の幅 ℓ = ℏ / ( m ω ) \ell=\sqrt{\hbar/(m\omega)} ℓ = ℏ/ ( mω ) は、x ^ \hat x x ^ の係数 ℏ / ( 2 m ω ) = ℓ / 2 \sqrt{\hbar/(2m\omega)}=\ell/\sqrt2 ℏ/ ( 2 mω ) = ℓ / 2 の 2 \sqrt2 2 倍の長さである。
誤りは、規格化定数を ( m ω / π ℏ ) 1 / 2 (m\omega/\pi\hbar)^{1/2} ( mω / π ℏ ) 1/2 と書くことである。このとき ∫ ∣ ψ 0 ∣ 2 d x = ( m ω / π ℏ ) 1 / 2 \int|\psi_0|^2dx=(m\omega/\pi\hbar)^{1/2} ∫ ∣ ψ 0 ∣ 2 d x = ( mω / π ℏ ) 1/2 となり、m = ω = ℏ = 1 m=\omega=\hbar=1 m = ω = ℏ = 1 で π − 1 / 2 ≃ 0.564 \pi^{-1/2}\simeq0.564 π − 1/2 ≃ 0.564 と、1 1 1 に届かない。確率の総和が 1 1 1 にならない。
[4] 運動量の固有ケットの位置表示 ⟨ x ∣ p ⟩ \braket{x|p} ⟨ x ∣ p ⟩
運動量の固有値 p p p は連続な値をとるので、固有ケットはデルタ関数で規格化する(⟨ p ∣ p ′ ⟩ = δ ( p − p ′ ) \braket{p|p'}=\delta(p-p') ⟨ p ∣ p ′ ⟩ = δ ( p − p ′ ) )。位置の固有ケットも同様に連続スペクトルをもち、完全性 ∫ ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ d x = I ^ \int|x\rangle\langle x|dx=\hat I ∫ ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ d x = I ^ が成り立つ。この2つを組み合わせて、⟨ p ∣ p ′ ⟩ \braket{p|p'} ⟨ p ∣ p ′ ⟩ を x x x の積分で書き直し、デルタ関数の積分表示 δ ( k ) = 1 2 π ∫ e i k x d x \delta(k)=\frac1{2\pi}\int e^{ikx}dx δ ( k ) = 2 π 1 ∫ e ik x d x に結び付けるのが、問題が与えたヒントの使い方である。
デルタ関数の性質 δ ( α k ) = δ ( k ) / ∣ α ∣ \delta(\alpha k)=\delta(k)/|\alpha| δ ( α k ) = δ ( k ) /∣ α ∣ により、δ ( ( p ′ − p ) / ℏ ) = ℏ δ ( p ′ − p ) \delta\bigl((p'-p)/\hbar\bigr)=\hbar\,\delta(p'-p) δ ( ( p ′ − p ) /ℏ ) = ℏ δ ( p ′ − p ) となる。ここで ℏ \hbar ℏ が係数に残ることが規格化定数の要点である。物理的には、⟨ x ∣ p ⟩ \braket{x|p} ⟨ x ∣ p ⟩ は運動量 p p p の自由粒子の平面波で、ド・ブロイ波長 2 π ℏ / p 2\pi\hbar/p 2 π ℏ/ p をもつ。
次元の確認をする。⟨ p ∣ p ′ ⟩ \braket{p|p'} ⟨ p ∣ p ′ ⟩ の次元は ( 運動量 ) − 1 {\rm (運動量)^{-1}} ( 運動量 ) − 1 で、右辺の積分 ∫ d x \int dx ∫ d x が長さの次元を足すので、∣ c ∣ 2 |c|^2 ∣ c ∣ 2 は ( 長さ ⋅ 運動量 ) − 1 {\rm (長さ{\cdot}運動量)^{-1}} ( 長さ ⋅ 運動量 ) − 1 、すなわち ℏ \hbar ℏ の逆数の次元でなければならない。1 / ( 2 π ℏ ) 1/(2\pi\hbar) 1/ ( 2 π ℏ ) はこれに合う。
誤りは、ℏ \hbar ℏ を落として c = 1 / 2 π c=1/\sqrt{2\pi} c = 1/ 2 π とすることである。このとき ⟨ p ∣ p ′ ⟩ = ℏ δ ( p − p ′ ) \braket{p|p'}=\hbar\,\delta(p-p') ⟨ p ∣ p ′ ⟩ = ℏ δ ( p − p ′ ) となり、規格化が ℏ \hbar ℏ 倍にずれる。∣ c ∣ 2 = 1 / ( 2 π ) |c|^2=1/(2\pi) ∣ c ∣ 2 = 1/ ( 2 π ) は ℏ \hbar ℏ の逆数の次元ももたないので、次元の確認でも誤りが見つかる。
[5] 運動量表示 ⟨ p ∣ 0 ⟩ \braket{p|0} ⟨ p ∣0 ⟩ と幅 σ \sigma σ
x x x 表示の波動関数から p p p 表示への移行は、完全性を挟んで ⟨ p ∣ ψ ⟩ = ∫ ⟨ p ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ ψ ⟩ d x \braket{p|\psi}=\int\braket{p|x}\braket{x|\psi}dx ⟨ p ∣ ψ ⟩ = ∫ ⟨ p ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ ψ ⟩ d x とするもので、⟨ p ∣ x ⟩ = ⟨ x ∣ p ⟩ ∗ \braket{p|x}=\braket{x|p}^* ⟨ p ∣ x ⟩ = ⟨ x ∣ p ⟩ ∗ が [4] の結果から決まっている。核が平面波なので、これはフーリエ変換である。ガウス関数のフーリエ変換はガウス関数になり、幅は逆数になる。積分公式の γ \gamma γ が実数のとき ∫ e − ( x − i γ ) 2 d x = π \int e^{-(x-i\gamma)^2}dx=\sqrt\pi ∫ e − ( x − iγ ) 2 d x = π となるのは、e − z 2 e^{-z^2} e − z 2 が複素平面全体で正則で、両端で零に落ちるので、積分路を虚軸方向へ平行にずらしても値が変わらないからである。平方完成で x x x の複素シフト i p / ( m ω ) ip/(m\omega) i p / ( mω ) が現れるのが、この公式を使う合図になる。
確かめは3つある。1つ目は規格化で、∫ ∣ ⟨ p ∣ 0 ⟩ ∣ 2 d p = ( π m ℏ ω ) − 1 / 2 ∫ e − p 2 / ( m ℏ ω ) d p = 1 \int|\braket{p|0}|^2dp=(\pi m\hbar\omega)^{-1/2}\int e^{-p^2/(m\hbar\omega)}dp=1 ∫ ∣ ⟨ p ∣0 ⟩ ∣ 2 d p = ( π m ℏ ω ) − 1/2 ∫ e − p 2 / ( m ℏ ω ) d p = 1 となる。2つ目は不確定性関係で、⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|0} ⟨ x ∣0 ⟩ から ⟨ x 2 ⟩ = ℏ / ( 2 m ω ) \langle x^2\rangle=\hbar/(2m\omega) ⟨ x 2 ⟩ = ℏ/ ( 2 mω ) 、⟨ p ∣ 0 ⟩ \braket{p|0} ⟨ p ∣0 ⟩ から ⟨ p 2 ⟩ = m ℏ ω / 2 \langle p^2\rangle=m\hbar\omega/2 ⟨ p 2 ⟩ = m ℏ ω /2 が得られ、Δ x Δ p = ℏ / 2 \Delta x\Delta p=\hbar/2 Δ x Δ p = ℏ/2 と最小値に一致する。基底状態がガウス型の最小不確定性波束であることと整合する。3つ目は H ^ \hat H H ^ の対称性で、H ^ = m ω 2 2 [ x ^ 2 + ( p ^ / m ω ) 2 ] \hat H=\frac{m\omega^2}2\bigl[\hat x^2+(\hat p/m\omega)^2\bigr] H ^ = 2 m ω 2 [ x ^ 2 + ( p ^ / mω ) 2 ] は x ↔ p / ( m ω ) x\leftrightarrow p/(m\omega) x ↔ p / ( mω ) の入れ替えで形を変えない。そこで ⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|0} ⟨ x ∣0 ⟩ の x 2 x^2 x 2 を p 2 / ( m ω ) 2 p^2/(m\omega)^2 p 2 / ( mω ) 2 に置き換えると、exp ( − p 2 / ( 2 m ℏ ω ) ) \exp(-p^2/(2m\hbar\omega)) exp ( − p 2 / ( 2 m ℏ ω )) となり、直接計算の結果と一致する。
誤りは、σ 2 = m ℏ ω \sigma^2=m\hbar\omega σ 2 = m ℏ ω としてしまう(指数の 2 2 2 の取り違え)ことである。このとき ∣ ⟨ p ∣ 0 ⟩ ∣ 2 ∝ e − 2 p 2 / ( m ℏ ω ) |\braket{p|0}|^2\propto e^{-2p^2/(m\hbar\omega)} ∣ ⟨ p ∣0 ⟩ ∣ 2 ∝ e − 2 p 2 / ( m ℏ ω ) となり ⟨ p 2 ⟩ = m ℏ ω / 4 \langle p^2\rangle=m\hbar\omega/4 ⟨ p 2 ⟩ = m ℏ ω /4 なので、Δ x Δ p = ℏ / ( 2 2 ) ≃ 0.35 ℏ \Delta x\Delta p=\hbar/(2\sqrt2)\simeq0.35\hbar Δ x Δ p = ℏ/ ( 2 2 ) ≃ 0.35ℏ と、不確定性関係の下限 0.5 ℏ 0.5\hbar 0.5ℏ を下回る。
[6] 第1励起状態の位置表示 ⟨ x ∣ 1 ⟩ \braket{x|1} ⟨ x ∣1 ⟩
a ^ † \hat a^\dagger a ^ † は、状態を1つ上の準位に上げる生成演算子である。位置表示では、a ^ † \hat a^\dagger a ^ † が m ω / 2 ℏ ( x − ℏ m ω d d x ) \sqrt{m\omega/2\hbar}\,(x-\frac\hbar{m\omega}\frac{d}{dx}) mω /2ℏ ( x − mω ℏ d x d ) という1階の微分演算子になる。問題が「⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|0} ⟨ x ∣0 ⟩ および d d x ⟨ x ∣ 0 ⟩ \frac d{dx}\braket{x|0} d x d ⟨ x ∣0 ⟩ を用いて」と指定しているので、まずこの形が答えになる。[3] の1階の微分方程式があるので、微分を消してさらに簡単な形にもできる。
確かめを3つ行う。規格化は ∫ ∣ ⟨ x ∣ 1 ⟩ ∣ 2 d x = 2 m ω ℏ ⟨ x 2 ⟩ 0 = 2 m ω ℏ ⋅ ℏ 2 m ω = 1 \int|\braket{x|1}|^2dx=\frac{2m\omega}\hbar\langle x^2\rangle_0=\frac{2m\omega}\hbar\cdot\frac\hbar{2m\omega}=1 ∫ ∣ ⟨ x ∣1 ⟩ ∣ 2 d x = ℏ 2 mω ⟨ x 2 ⟩ 0 = ℏ 2 mω ⋅ 2 mω ℏ = 1 である。⟨ x ∣ 1 ⟩ \braket{x|1} ⟨ x ∣1 ⟩ は x x x の奇関数、⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|0} ⟨ x ∣0 ⟩ は偶関数なので ⟨ 0 ∣ 1 ⟩ = 0 \braket{0|1}=0 ⟨ 0∣1 ⟩ = 0 と直交する。また a ^ ∣ 1 ⟩ = ∣ 0 ⟩ \hat a\ket1=\ket0 a ^ ∣ 1 ⟩ = ∣ 0 ⟩ と、H ^ ∣ 1 ⟩ = 3 2 ℏ ω ∣ 1 ⟩ \hat H\ket1=\frac32\hbar\omega\ket1 H ^ ∣ 1 ⟩ = 2 3 ℏ ω ∣ 1 ⟩ が成り立つ。節(零点)は x = 0 x=0 x = 0 に1つあり、励起状態ほど節が増える性質とも合う。
誤りは2つある。1つ目は a ^ † \hat a^\dagger a ^ † の微分の符号を逆にして x + ℏ m ω d d x x+\frac\hbar{m\omega}\frac d{dx} x + mω ℏ d x d とすることで、これは a ^ \hat a a ^ の形である。⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|0} ⟨ x ∣0 ⟩ に作用させると a ^ ∣ 0 ⟩ = 0 \hat a\ket0=0 a ^ ∣ 0 ⟩ = 0 より零になり、波動関数が得られない。2つ目は [3] の関係を使うときに係数 2 2 2 を落として m ω / 2 ℏ x ⟨ x ∣ 0 ⟩ \sqrt{m\omega/2\hbar}\,x\braket{x|0} mω /2ℏ x ⟨ x ∣0 ⟩ とすることで、規格化積分が m ω 2 ℏ ⋅ ℏ 2 m ω = 1 4 \frac{m\omega}{2\hbar}\cdot\frac\hbar{2m\omega}=\frac14 2ℏ mω ⋅ 2 mω ℏ = 4 1 となり、1 1 1 にならない。
解答
[1] x ^ \hat x x ^ と p ^ \hat p p ^ を a ^ , a ^ † \hat a,\hat a^\dagger a ^ , a ^ † で表す
式 (2) の和と差をとる。
a ^ + a ^ † = m ω 2 ℏ ⋅ 2 x ^ , a ^ − a ^ † = m ω 2 ℏ ⋅ 2 i m ω p ^ .
\hat a+\hat a^\dagger=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\cdot2\hat x,\qquad
\hat a-\hat a^\dagger=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\cdot\frac{2i}{m\omega}\hat p .
a ^ + a ^ † = 2ℏ mω ⋅ 2 x ^ , a ^ − a ^ † = 2ℏ mω ⋅ mω 2 i p ^ .
前者から x ^ \hat x x ^ が、後者から p ^ \hat p p ^ が得られる。
x ^ = ℏ 2 m ω ( a ^ + a ^ † ) , p ^ = m ω 2 i 2 ℏ m ω ( a ^ − a ^ † ) = − i m ℏ ω 2 ( a ^ − a ^ † ) .
\hat x=\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\,(\hat a+\hat a^\dagger),\qquad
\hat p=\frac{m\omega}{2i}\sqrt{\frac{2\hbar}{m\omega}}\,(\hat a-\hat a^\dagger)=-i\sqrt{\frac{m\hbar\omega}{2}}\,(\hat a-\hat a^\dagger).
x ^ = 2 mω ℏ ( a ^ + a ^ † ) , p ^ = 2 i mω mω 2ℏ ( a ^ − a ^ † ) = − i 2 m ℏ ω ( a ^ − a ^ † ) .
[2] 交換関係 [ H ^ , a ^ † a ^ ] [\hat H,\hat a^\dagger\hat a] [ H ^ , a ^ † a ^ ]
[1] の結果から
x ^ 2 = ℏ 2 m ω ( a ^ + a ^ † ) 2 , p ^ 2 = − m ℏ ω 2 ( a ^ − a ^ † ) 2 .
\hat x^2=\frac{\hbar}{2m\omega}(\hat a+\hat a^\dagger)^2,\qquad
\hat p^2=-\frac{m\hbar\omega}{2}(\hat a-\hat a^\dagger)^2 .
x ^ 2 = 2 mω ℏ ( a ^ + a ^ † ) 2 , p ^ 2 = − 2 m ℏ ω ( a ^ − a ^ † ) 2 .
これを H ^ \hat H H ^ に入れると
H ^ = 1 2 m ( − m ℏ ω 2 ) ( a ^ − a ^ † ) 2 + 1 2 m ω 2 ⋅ ℏ 2 m ω ( a ^ + a ^ † ) 2 = ℏ ω 4 [ ( a ^ + a ^ † ) 2 − ( a ^ − a ^ † ) 2 ] = ℏ ω 2 ( a ^ a ^ † + a ^ † a ^ ) . \begin{align*}
\hat H&=\frac1{2m}\Bigl(-\frac{m\hbar\omega}2\Bigr)(\hat a-\hat a^\dagger)^2+\frac12m\omega^2\cdot\frac\hbar{2m\omega}(\hat a+\hat a^\dagger)^2\\
&=\frac{\hbar\omega}4\Bigl[(\hat a+\hat a^\dagger)^2-(\hat a-\hat a^\dagger)^2\Bigr]
=\frac{\hbar\omega}2\bigl(\hat a\hat a^\dagger+\hat a^\dagger\hat a\bigr).
\end{align*} H ^ = 2 m 1 ( − 2 m ℏ ω ) ( a ^ − a ^ † ) 2 + 2 1 m ω 2 ⋅ 2 mω ℏ ( a ^ + a ^ † ) 2 = 4 ℏ ω [ ( a ^ + a ^ † ) 2 − ( a ^ − a ^ † ) 2 ] = 2 ℏ ω ( a ^ a ^ † + a ^ † a ^ ) .
1行目から2行目で、a ^ 2 \hat a^2 a ^ 2 と ( a ^ † ) 2 (\hat a^\dagger)^2 ( a ^ † ) 2 の項が打ち消し合い、a ^ a ^ † + a ^ † a ^ \hat a\hat a^\dagger+\hat a^\dagger\hat a a ^ a ^ † + a ^ † a ^ の項が2倍で残る。[ a ^ , a ^ † ] = 1 [\hat a,\hat a^\dagger]=1 [ a ^ , a ^ † ] = 1 より a ^ a ^ † = a ^ † a ^ + 1 \hat a\hat a^\dagger=\hat a^\dagger\hat a+1 a ^ a ^ † = a ^ † a ^ + 1 なので
H ^ = ℏ ω ( a ^ † a ^ + 1 2 ) .
\hat H=\hbar\omega\Bigl(\hat a^\dagger\hat a+\frac12\Bigr).
H ^ = ℏ ω ( a ^ † a ^ + 2 1 ) .
定数 1 2 \frac12 2 1 は任意の演算子と交換し、[ a ^ † a ^ , a ^ † a ^ ] = 0 [\hat a^\dagger\hat a,\hat a^\dagger\hat a]=0 [ a ^ † a ^ , a ^ † a ^ ] = 0 であるから
[ H ^ , a ^ † a ^ ] = ℏ ω [ a ^ † a ^ , a ^ † a ^ ] = 0.
[\hat H,\hat a^\dagger\hat a]=\hbar\omega\,[\hat a^\dagger\hat a,\hat a^\dagger\hat a]=0 .
[ H ^ , a ^ † a ^ ] = ℏ ω [ a ^ † a ^ , a ^ † a ^ ] = 0.
[3] 基底状態の位置表示 ⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|0} ⟨ x ∣0 ⟩
⟨ x ∣ a ^ ∣ 0 ⟩ = 0 \braket{x|\hat a|0}=0 ⟨ x ∣ a ^ ∣0 ⟩ = 0 に (2) の a ^ \hat a a ^ を代入する。
m ω 2 ℏ ( ⟨ x ∣ x ^ ∣ 0 ⟩ + i m ω ⟨ x ∣ p ^ ∣ 0 ⟩ ) = 0.
\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(\braket{x|\hat x|0}+\frac{i}{m\omega}\braket{x|\hat p|0}\Bigr)=0 .
2ℏ mω ( ⟨ x ∣ x ^ ∣0 ⟩ + mω i ⟨ x ∣ p ^ ∣0 ⟩ ) = 0.
⟨ x ∣ \bra x ⟨ x ∣ は x ^ \hat x x ^ の固有ブラで ⟨ x ∣ x ^ = x ⟨ x ∣ \bra x\hat x=x\bra x ⟨ x ∣ x ^ = x ⟨ x ∣ なので ⟨ x ∣ x ^ ∣ 0 ⟩ = x ⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|\hat x|0}=x\braket{x|0} ⟨ x ∣ x ^ ∣0 ⟩ = x ⟨ x ∣0 ⟩ である。式 (1) で ∣ ξ ⟩ = ∣ 0 ⟩ \ket\xi=\ket0 ∣ ξ ⟩ = ∣ 0 ⟩ とすれば ⟨ x ∣ p ^ ∣ 0 ⟩ = − i ℏ d d x ⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|\hat p|0}=-i\hbar\,\dfrac{d}{dx}\braket{x|0} ⟨ x ∣ p ^ ∣0 ⟩ = − i ℏ d x d ⟨ x ∣0 ⟩ である。代入して、i ⋅ ( − i ) = 1 i\cdot(-i)=1 i ⋅ ( − i ) = 1 に注意すると
x ⟨ x ∣ 0 ⟩ + ℏ m ω d d x ⟨ x ∣ 0 ⟩ = 0.
x\braket{x|0}+\frac\hbar{m\omega}\frac{d}{dx}\braket{x|0}=0 .
x ⟨ x ∣0 ⟩ + mω ℏ d x d ⟨ x ∣0 ⟩ = 0.
これは問題に示された式と一致する。ψ 0 ( x ) = ⟨ x ∣ 0 ⟩ \psi_0(x)=\braket{x|0} ψ 0 ( x ) = ⟨ x ∣0 ⟩ とおくと ψ 0 ′ = − m ω ℏ x ψ 0 \psi_0'=-\dfrac{m\omega}{\hbar}x\,\psi_0 ψ 0 ′ = − ℏ mω x ψ 0 なので、変数を分離して
d ψ 0 ψ 0 = − m ω ℏ x d x ⟹ ln ∣ ψ 0 ∣ = − m ω 2 ℏ x 2 + c o n s t , ψ 0 ( x ) = C e − m ω x 2 / 2 ℏ .
\frac{d\psi_0}{\psi_0}=-\frac{m\omega}\hbar x\,dx\ \Longrightarrow\ \ln|\psi_0|=-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2+{\rm const},\qquad
\psi_0(x)=C\,e^{-m\omega x^2/2\hbar}.
ψ 0 d ψ 0 = − ℏ mω x d x ⟹ ln ∣ ψ 0 ∣ = − 2ℏ mω x 2 + const , ψ 0 ( x ) = C e − mω x 2 /2ℏ .
規格化条件から C C C を決める。u = m ω / ℏ x u=\sqrt{m\omega/\hbar}\,x u = mω /ℏ x とおいて、与えられた積分公式 ∫ − ∞ ∞ e − u 2 d u = π \int_{-\infty}^\infty e^{-u^2}du=\sqrt\pi ∫ − ∞ ∞ e − u 2 d u = π を使うと
1 = C 2 ∫ − ∞ ∞ e − m ω x 2 / ℏ d x = C 2 ℏ m ω π ⟹ C = ( m ω π ℏ ) 1 / 4 .
1=C^2\int_{-\infty}^\infty e^{-m\omega x^2/\hbar}dx=C^2\sqrt{\frac\hbar{m\omega}}\sqrt\pi
\ \Longrightarrow\ C=\Bigl(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}.
1 = C 2 ∫ − ∞ ∞ e − mω x 2 /ℏ d x = C 2 mω ℏ π ⟹ C = ( π ℏ mω ) 1/4 .
C C C の位相は物理量に影響しないので、正の実数に選ぶ。
[4] 運動量の固有ケットの位置表示 ⟨ x ∣ p ⟩ \braket{x|p} ⟨ x ∣ p ⟩
p ^ ∣ p ⟩ = p ∣ p ⟩ \hat p\ket p=p\ket p p ^ ∣ p ⟩ = p ∣ p ⟩ なので、式 (1) で ∣ ξ ⟩ = ∣ p ⟩ \ket\xi=\ket p ∣ ξ ⟩ = ∣ p ⟩ とすると
p ⟨ x ∣ p ⟩ = ⟨ x ∣ p ^ ∣ p ⟩ = − i ℏ d d x ⟨ x ∣ p ⟩ ⟹ d d x ⟨ x ∣ p ⟩ = i p ℏ ⟨ x ∣ p ⟩ ⟹ ⟨ x ∣ p ⟩ = c e i p x / ℏ .
p\braket{x|p}=\braket{x|\hat p|p}=-i\hbar\frac{d}{dx}\braket{x|p}
\ \Longrightarrow\ \frac{d}{dx}\braket{x|p}=\frac{ip}\hbar\braket{x|p}
\ \Longrightarrow\ \braket{x|p}=c\,e^{ipx/\hbar}.
p ⟨ x ∣ p ⟩ = ⟨ x ∣ p ^ ∣ p ⟩ = − i ℏ d x d ⟨ x ∣ p ⟩ ⟹ d x d ⟨ x ∣ p ⟩ = ℏ i p ⟨ x ∣ p ⟩ ⟹ ⟨ x ∣ p ⟩ = c e i p x /ℏ .
c c c は x x x に依らない定数である。規格化 ⟨ p ∣ p ′ ⟩ = δ ( p − p ′ ) \braket{p|p'}=\delta(p-p') ⟨ p ∣ p ′ ⟩ = δ ( p − p ′ ) から c c c を決める。∫ ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ d x = I ^ \int|x\rangle\langle x|dx=\hat I ∫ ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ d x = I ^ を挟み、⟨ p ∣ x ⟩ = ⟨ x ∣ p ⟩ ∗ \braket{p|x}=\braket{x|p}^* ⟨ p ∣ x ⟩ = ⟨ x ∣ p ⟩ ∗ を使うと
⟨ p ∣ p ′ ⟩ = ∫ − ∞ ∞ ⟨ p ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ p ′ ⟩ d x = ∣ c ∣ 2 ∫ − ∞ ∞ e i ( p ′ − p ) x / ℏ d x = ∣ c ∣ 2 2 π δ ( p ′ − p ℏ ) = ∣ c ∣ 2 2 π ℏ δ ( p ′ − p ) .
\braket{p|p'}=\int_{-\infty}^\infty\braket{p|x}\braket{x|p'}dx=|c|^2\int_{-\infty}^\infty e^{i(p'-p)x/\hbar}dx
=|c|^2\,2\pi\,\delta\Bigl(\frac{p'-p}\hbar\Bigr)=|c|^2\,2\pi\hbar\,\delta(p'-p).
⟨ p ∣ p ′ ⟩ = ∫ − ∞ ∞ ⟨ p ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ p ′ ⟩ d x = ∣ c ∣ 2 ∫ − ∞ ∞ e i ( p ′ − p ) x /ℏ d x = ∣ c ∣ 2 2 π δ ( ℏ p ′ − p ) = ∣ c ∣ 2 2 π ℏ δ ( p ′ − p ) .
最後の等号で δ ( k / ℏ ) = ℏ δ ( k ) \delta(k/\hbar)=\hbar\,\delta(k) δ ( k /ℏ ) = ℏ δ ( k ) を使った。⟨ p ∣ p ′ ⟩ = δ ( p − p ′ ) \braket{p|p'}=\delta(p-p') ⟨ p ∣ p ′ ⟩ = δ ( p − p ′ ) と比べて ∣ c ∣ 2 = 1 / ( 2 π ℏ ) |c|^2=1/(2\pi\hbar) ∣ c ∣ 2 = 1/ ( 2 π ℏ ) である。位相は任意なので、c = 1 / 2 π ℏ c=1/\sqrt{2\pi\hbar} c = 1/ 2 π ℏ に選ぶ。
[5] 運動量表示 ⟨ p ∣ 0 ⟩ \braket{p|0} ⟨ p ∣0 ⟩ と幅 σ \sigma σ
完全性 ∫ ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ d x = I ^ \int|x\rangle\langle x|dx=\hat I ∫ ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ d x = I ^ を挟み、⟨ p ∣ x ⟩ = ⟨ x ∣ p ⟩ ∗ = e − i p x / ℏ / 2 π ℏ \braket{p|x}=\braket{x|p}^*=e^{-ipx/\hbar}/\sqrt{2\pi\hbar} ⟨ p ∣ x ⟩ = ⟨ x ∣ p ⟩ ∗ = e − i p x /ℏ / 2 π ℏ を使う。
⟨ p ∣ 0 ⟩ = ∫ − ∞ ∞ ⟨ p ∣ x ⟩ ⟨ x ∣ 0 ⟩ d x = 1 2 π ℏ ( m ω π ℏ ) 1 / 4 ∫ − ∞ ∞ exp ( − m ω 2 ℏ x 2 − i p ℏ x ) d x .
\braket{p|0}=\int_{-\infty}^\infty\braket{p|x}\braket{x|0}dx
=\frac1{\sqrt{2\pi\hbar}}\Bigl(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}\int_{-\infty}^\infty\exp\Bigl(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2-\frac{ip}\hbar x\Bigr)dx .
⟨ p ∣0 ⟩ = ∫ − ∞ ∞ ⟨ p ∣ x ⟩ ⟨ x ∣0 ⟩ d x = 2 π ℏ 1 ( π ℏ mω ) 1/4 ∫ − ∞ ∞ exp ( − 2ℏ mω x 2 − ℏ i p x ) d x .
指数部を平方完成する。
− m ω 2 ℏ x 2 − i p ℏ x = − m ω 2 ℏ ( x + i p m ω ) 2 − p 2 2 m ℏ ω .
-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2-\frac{ip}\hbar x=-\frac{m\omega}{2\hbar}\Bigl(x+\frac{ip}{m\omega}\Bigr)^2-\frac{p^2}{2m\hbar\omega}.
− 2ℏ mω x 2 − ℏ i p x = − 2ℏ mω ( x + mω i p ) 2 − 2 m ℏ ω p 2 .
u = m ω / 2 ℏ x u=\sqrt{m\omega/2\hbar}\,x u = mω /2ℏ x 、γ = p / 2 m ℏ ω \gamma=p/\sqrt{2m\hbar\omega} γ = p / 2 m ℏ ω とおくと m ω / 2 ℏ ( x + i p / m ω ) = u + i γ \sqrt{m\omega/2\hbar}\,(x+ip/m\omega)=u+i\gamma mω /2ℏ ( x + i p / mω ) = u + iγ 、d x = 2 ℏ / m ω d u dx=\sqrt{2\hbar/m\omega}\,du d x = 2ℏ/ mω d u である。実数 γ \gamma γ に対する公式 ∫ e − ( u − i γ ) 2 d u = π \int e^{-(u-i\gamma)^2}du=\sqrt\pi ∫ e − ( u − iγ ) 2 d u = π (γ \gamma γ の符号は結果に影響しない)より
∫ − ∞ ∞ exp ( − m ω 2 ℏ x 2 − i p ℏ x ) d x = 2 ℏ m ω e − p 2 / ( 2 m ℏ ω ) ∫ e − ( u + i γ ) 2 d u = 2 π ℏ m ω e − p 2 / ( 2 m ℏ ω ) .
\int_{-\infty}^\infty\exp\Bigl(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2-\frac{ip}\hbar x\Bigr)dx=\sqrt{\frac{2\hbar}{m\omega}}\,e^{-p^2/(2m\hbar\omega)}\int e^{-(u+i\gamma)^2}du=\sqrt{\frac{2\pi\hbar}{m\omega}}\,e^{-p^2/(2m\hbar\omega)} .
∫ − ∞ ∞ exp ( − 2ℏ mω x 2 − ℏ i p x ) d x = mω 2ℏ e − p 2 / ( 2 m ℏ ω ) ∫ e − ( u + iγ ) 2 d u = mω 2 π ℏ e − p 2 / ( 2 m ℏ ω ) .
前の係数は 1 2 π ℏ 2 π ℏ m ω ( m ω π ℏ ) 1 / 4 = 1 m ω ( m ω π ℏ ) 1 / 4 = ( π m ℏ ω ) − 1 / 4 \dfrac1{\sqrt{2\pi\hbar}}\sqrt{\dfrac{2\pi\hbar}{m\omega}}\Bigl(\dfrac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}=\dfrac1{\sqrt{m\omega}}\Bigl(\dfrac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}=(\pi m\hbar\omega)^{-1/4} 2 π ℏ 1 mω 2 π ℏ ( π ℏ mω ) 1/4 = mω 1 ( π ℏ mω ) 1/4 = ( π m ℏ ω ) − 1/4 なので
⟨ p ∣ 0 ⟩ = ( π m ℏ ω ) − 1 / 4 exp ( − p 2 2 m ℏ ω ) .
\braket{p|0}=(\pi m\hbar\omega)^{-1/4}\exp\Bigl(-\frac{p^2}{2m\hbar\omega}\Bigr).
⟨ p ∣0 ⟩ = ( π m ℏ ω ) − 1/4 exp ( − 2 m ℏ ω p 2 ) .
exp ( − p 2 / σ 2 ) \exp(-p^2/\sigma^2) exp ( − p 2 / σ 2 ) と比べて σ 2 = 2 m ℏ ω \sigma^2=2m\hbar\omega σ 2 = 2 m ℏ ω である。
[6] 第1励起状態の位置表示 ⟨ x ∣ 1 ⟩ \braket{x|1} ⟨ x ∣1 ⟩
a ^ † ∣ n ⟩ = n + 1 ∣ n + 1 ⟩ \hat a^\dagger\ket n=\sqrt{n+1}\ket{n+1} a ^ † ∣ n ⟩ = n + 1 ∣ n + 1 ⟩ で n = 0 n=0 n = 0 とすると ∣ 1 ⟩ = a ^ † ∣ 0 ⟩ \ket1=\hat a^\dagger\ket0 ∣ 1 ⟩ = a ^ † ∣ 0 ⟩ である。式 (2) の a ^ † \hat a^\dagger a ^ † を代入し、[3] と同じく ⟨ x ∣ x ^ = x ⟨ x ∣ \bra x\hat x=x\bra x ⟨ x ∣ x ^ = x ⟨ x ∣ と式 (1)(∣ ξ ⟩ = ∣ 0 ⟩ \ket\xi=\ket0 ∣ ξ ⟩ = ∣ 0 ⟩ )を使うと
⟨ x ∣ 1 ⟩ = m ω 2 ℏ ( ⟨ x ∣ x ^ ∣ 0 ⟩ − i m ω ⟨ x ∣ p ^ ∣ 0 ⟩ ) = m ω 2 ℏ ( x ⟨ x ∣ 0 ⟩ − i m ω ( − i ℏ ) d d x ⟨ x ∣ 0 ⟩ ) .
\braket{x|1}=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(\braket{x|\hat x|0}-\frac{i}{m\omega}\braket{x|\hat p|0}\Bigr)
=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(x\braket{x|0}-\frac{i}{m\omega}(-i\hbar)\frac{d}{dx}\braket{x|0}\Bigr).
⟨ x ∣1 ⟩ = 2ℏ mω ( ⟨ x ∣ x ^ ∣0 ⟩ − mω i ⟨ x ∣ p ^ ∣0 ⟩ ) = 2ℏ mω ( x ⟨ x ∣0 ⟩ − mω i ( − i ℏ ) d x d ⟨ x ∣0 ⟩ ) .
− i m ω ⋅ ( − i ℏ ) = i 2 ℏ m ω = − ℏ m ω -\dfrac{i}{m\omega}\cdot(-i\hbar)=\dfrac{i^2\hbar}{m\omega}=-\dfrac\hbar{m\omega} − mω i ⋅ ( − i ℏ ) = mω i 2 ℏ = − mω ℏ であるから
⟨ x ∣ 1 ⟩ = m ω 2 ℏ ( x − ℏ m ω d d x ) ⟨ x ∣ 0 ⟩ .
\braket{x|1}=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(x-\frac\hbar{m\omega}\frac{d}{dx}\Bigr)\braket{x|0}.
⟨ x ∣1 ⟩ = 2ℏ mω ( x − mω ℏ d x d ) ⟨ x ∣0 ⟩ .
[3] の関係 d d x ⟨ x ∣ 0 ⟩ = − m ω ℏ x ⟨ x ∣ 0 ⟩ \dfrac{d}{dx}\braket{x|0}=-\dfrac{m\omega}\hbar x\braket{x|0} d x d ⟨ x ∣0 ⟩ = − ℏ mω x ⟨ x ∣0 ⟩ を入れると括弧の中は 2 x ⟨ x ∣ 0 ⟩ 2x\braket{x|0} 2 x ⟨ x ∣0 ⟩ になり
⟨ x ∣ 1 ⟩ = 2 m ω ℏ x ⟨ x ∣ 0 ⟩ = 2 m ω ℏ ( m ω π ℏ ) 1 / 4 x e − m ω x 2 / 2 ℏ .
\braket{x|1}=\sqrt{\frac{2m\omega}\hbar}\,x\braket{x|0}=\sqrt{\frac{2m\omega}\hbar}\Bigl(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}x\,e^{-m\omega x^2/2\hbar}.
⟨ x ∣1 ⟩ = ℏ 2 mω x ⟨ x ∣0 ⟩ = ℏ 2 mω ( π ℏ mω ) 1/4 x e − mω x 2 /2ℏ .
最終答
[1] x ^ \hat x x ^ と p ^ \hat p p ^ を a ^ , a ^ † \hat a,\hat a^\dagger a ^ , a ^ † で表す
x ^ = ℏ 2 m ω ( a ^ + a ^ † ) , p ^ = − i m ℏ ω 2 ( a ^ − a ^ † ) \displaystyle\hat x=\sqrt{\frac{\hbar}{2m\omega}}\,(\hat a+\hat a^\dagger),\qquad\hat p=-i\sqrt{\frac{m\hbar\omega}{2}}\,(\hat a-\hat a^\dagger) x ^ = 2 mω ℏ ( a ^ + a ^ † ) , p ^ = − i 2 m ℏ ω ( a ^ − a ^ † )
[2] 交換関係 [ H ^ , a ^ † a ^ ] [\hat H,\hat a^\dagger\hat a] [ H ^ , a ^ † a ^ ]
[ H ^ , a ^ † a ^ ] = 0 [\hat H,\hat a^\dagger\hat a]=0 [ H ^ , a ^ † a ^ ] = 0 (H ^ = ℏ ω ( a ^ † a ^ + 1 2 ) \hat H=\hbar\omega(\hat a^\dagger\hat a+\tfrac12) H ^ = ℏ ω ( a ^ † a ^ + 2 1 ) )
[3] 基底状態の位置表示 ⟨ x ∣ 0 ⟩ \braket{x|0} ⟨ x ∣0 ⟩
⟨ x ∣ 0 ⟩ = ( m ω π ℏ ) 1 / 4 exp ( − m ω 2 ℏ x 2 ) \displaystyle\braket{x|0}=\Bigl(\frac{m\omega}{\pi\hbar}\Bigr)^{1/4}\exp\Bigl(-\frac{m\omega}{2\hbar}x^2\Bigr) ⟨ x ∣0 ⟩ = ( π ℏ mω ) 1/4 exp ( − 2ℏ mω x 2 )
[4] 運動量の固有ケットの位置表示 ⟨ x ∣ p ⟩ \braket{x|p} ⟨ x ∣ p ⟩
⟨ x ∣ p ⟩ = 1 2 π ℏ e i p x / ℏ \displaystyle\braket{x|p}=\frac1{\sqrt{2\pi\hbar}}\,e^{ipx/\hbar} ⟨ x ∣ p ⟩ = 2 π ℏ 1 e i p x /ℏ
[5] 運動量表示 ⟨ p ∣ 0 ⟩ \braket{p|0} ⟨ p ∣0 ⟩ と幅 σ \sigma σ
σ = 2 m ℏ ω \displaystyle\sigma=\sqrt{2m\hbar\omega} σ = 2 m ℏ ω (⟨ p ∣ 0 ⟩ = ( π m ℏ ω ) − 1 / 4 exp ( − p 2 2 m ℏ ω ) \displaystyle\braket{p|0}=(\pi m\hbar\omega)^{-1/4}\exp\Bigl(-\frac{p^2}{2m\hbar\omega}\Bigr) ⟨ p ∣0 ⟩ = ( π m ℏ ω ) − 1/4 exp ( − 2 m ℏ ω p 2 ) )
[6] 第1励起状態の位置表示 ⟨ x ∣ 1 ⟩ \braket{x|1} ⟨ x ∣1 ⟩
⟨ x ∣ 1 ⟩ = m ω 2 ℏ ( x − ℏ m ω d d x ) ⟨ x ∣ 0 ⟩ ( = 2 m ω ℏ x ⟨ x ∣ 0 ⟩ ) \displaystyle\braket{x|1}=\sqrt{\frac{m\omega}{2\hbar}}\Bigl(x-\frac\hbar{m\omega}\frac{d}{dx}\Bigr)\braket{x|0}\ \Bigl(=\sqrt{\frac{2m\omega}\hbar}\,x\braket{x|0}\Bigr) ⟨ x ∣1 ⟩ = 2ℏ mω ( x − mω ℏ d x d ) ⟨ x ∣0 ⟩ ( = ℏ 2 mω x ⟨ x ∣0 ⟩ )