女の人のところへ来たドラえもん

21歳の女の人と43歳の男の人が意気投合し、社会の矛盾に科学的に挑戦していく過程です。                    ブログの先頭に戻るには、表題のロゴをクリックして下さい。                                   数式の変形。必ずひと言、添えてよ。それを守ってくれたら、今後も数学に付き合ってあげる。

門前の小僧習わぬ経を読む

 現在2022年7月6日19時34分である。(この投稿は、ほぼ4859文字)

麻友「えっ、一体何?」

私「この題名の言葉、知ってる?」

若菜「大体、意味は、分かりますが」

私「もちろん、麻友さんと私では、比較はできないが、大学入学初期、私は、嬉しくて嬉しくて、一般相対論や、素粒子論の本など、読めもしないのに、どんどん挑戦して行った。結局、今でも読めない本もあるのだが、そうやって、数学や物理学を、浴びるように受け入れていった、あのときの経験は、今でも無駄になっていない」

結弦「それで、数学や物理学を、僕達に、浴びせてくれるわけ?」

私「私は、ほぼ毎日、数学や物理学のことを、ノートに書いている。でも、これからの時代、ノートでは、使いにくい。それでは、{\TeX} で打つか? とも、思うが、{\mathrm{Cloud}~ \LaTeX} で打ったものを、はてなのブログには、持って来にくい。なぜかというと、{\mathrm{Cloud}~ \LaTeX} では、数式を $x=2$ のように、$で、挟む。これに対し、はてなでは、[tex:{x=2}]のように、書く。長い証明で、$を、始まりか終わりか、見極めながら、はてなの約束に変換するのは、大変だが、あらかじめ、はてな記法で、書いておけば、{\mathrm{Cloud}~ \LaTeX} へは、一発で変換できる」

若菜「その説明は、分かります。記号が違うから、変換先を指定できるのですね。この場合、どちらも$にすれば良い」

麻友「それで、私達に、その日書いた数式などを、見せる訳ね。太郎さんが、証明を書くのは、難しさ3.のレヴェルだったわね。難しさ1.の私達に、分かるの?」

私「まず、難しさ2.を、目指して欲しいが、初めは、分からないものは、読み飛ばして良い。今日は、ポートへの行き帰りと、ポートで30分くらい、グライナー『量子力学概論』の第4章を、少し読んだ」

麻友「どれくらいの分量?」

私「教科書で、1ページ」

麻友「それくらいなら、いいか」

私「始めるよ。


2022年7月6日の成果

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4.6 位置演算子と運動量演算子
         ({\psi} は、プサイと読みます。)
 波動関数として {\psi=\psi(\mathbf{r})} の形を使うときは、位置演算子は位置ベクトルそのもの
  
{\hat{\mathbf{r}}=\mathbf{r}}  (アール・ハット、イコール、アールと読みます)(4.51)

に他ならない。その成分は、デカルト座標

{\hat{x}=x,~~\hat{y}=y,~~\hat{z}=z}  (4.52)

となっている。一方、運動量演算子

{\displaystyle \hat{\mathbf{p}}=-i \hbar \nabla}  (4.53)

で表され、その成分は

{\displaystyle \hat{p_x}=-i \hbar \frac{\partial}{\partial x},~~\hat{p_y}=-i \hbar \frac{\partial}{\partial y},~~\hat{p_z}=-i \hbar \frac{\partial}{\partial z}} (4.54)

となる。

 両者の交換子は(例4.2を参照)

{\displaystyle [\hat{x},\hat{p_x}]=[\hat{y},\hat{p_y}]=[\hat{z},\hat{p_z}]=i \hbar,}

{\displaystyle [\hat{x},\hat{p_y}]=[\hat{x},\hat{p_z}]=[\hat{y},\hat{p_x}]=[\hat{y},\hat{p_z}]=[\hat{z},\hat{p_x}]=[\hat{z},\hat{p_y}]=0}  (4.55)


 研究者注

{\displaystyle [\hat{x},\hat{p_x}] \varphi=x \biggl(-i \hbar \frac{\partial}{\partial x}\biggr) \varphi-\biggl(-i \hbar \frac{\partial}{\partial x}\biggr)x \varphi}

{\displaystyle =-i \hbar \biggl\{ \biggl(x\frac{\partial}{\partial x}\biggr) \varphi-\biggl(\frac{\partial}{\partial x}\biggr)x \varphi \biggr\}}
  ({\varphi}微分です。2つ目の項は、微分され、{x} が、消えています。次は {x} を残して {\varphi}微分です)
{\displaystyle =-i  \hbar \biggl\{ \biggl(x\frac{\partial}{\partial x}\biggr) \varphi- \varphi-x\biggl(\frac{\partial}{\partial x}\biggr) \varphi \biggr\}}
  (同じものが、キャンセルします。)
{\displaystyle =-i  \hbar \biggl\{ - \varphi \biggr\}}
  (計算すると、)
{\displaystyle =i  \hbar \varphi }
  (となって、)
{\displaystyle [\hat{x},\hat{p_x}] \varphi =i  \hbar \varphi }
(だから、これが、任意の関数 {\varphi} について成り立つので、)
{\displaystyle [\hat{x},\hat{p_x}] =i  \hbar}
(が、成立する。)

 本当のノートには、()の中の説明は、書いていない。以上で、例4.2を参照させられている交換子の計算を1つした。他のものも、これと同じである。偏微分だから、違う文字の組合せは、ゼロになって、当然であるが、私は、一応計算した。

{\displaystyle [\hat{x},\hat{p_y}] \varphi=x \biggl(-i \hbar \frac{\partial}{\partial y}\biggr) \varphi-\biggl(-i \hbar \frac{\partial}{\partial y}\biggr)x \varphi}

{\displaystyle =-i \hbar \biggl\{ \biggl(x\frac{\partial}{\partial y}\biggr) \varphi-\biggl(\frac{\partial}{\partial y}\biggr)x \varphi \biggr\}}
  ({\varphi}微分です。2つ目の項は、{y}偏微分なので、{x} は、定数とされ、前に出ます。)
{\displaystyle =-i  \hbar \biggl\{ \biggl(x\frac{\partial}{\partial y}\biggr) \varphi- x\biggl(\frac{\partial}{\partial y}\biggr) \varphi \biggr\}}
  ({x} で、括ります)
{\displaystyle =-i  \hbar x\biggl\{ \biggl(\frac{\partial}{\partial y}\biggr) \varphi- \biggl(\frac{\partial}{\partial y}\biggr) \varphi \biggr\}}
  (同じものが、キャンセルします。)
{\displaystyle =0}
(これが、任意の関数 {\varphi} についてなり立つので、)
{\displaystyle [\hat{x},\hat{p_y}] =0}
(が、成立する。)


  注終わり


(交換子は)となっている。したがって、位置とそれに正準共役な運動量(つまり {x}{p_x} , {y}{p_y} , {z}{p_z} )との間には、それぞれ不確定性関係があることになる。つまり同時に正確には測定できない(これについては、次節でさらに詳しく議論する)。一方、たとえば、{\displaystyle \hat{x}}{\hat{p_y}} は可換だから、この2つの観測量は同時にいくらでも正確に測定することができる。

 研究者注

 最後の一文に、私は、「本当に?」と、疑問を呈している。

 注終わり

 このとき両者の共通の固有関数が存在し、

{\displaystyle \sqrt{\delta(x-x_0)}\exp\biggl(\frac{i}{\hbar}p_y y\biggr)}   (4.56)

である(デルタ関数 {\delta(x)} の定義については、次章を参照)。



4.7 任意の演算子に対するハイゼンベルグの不確定性関係

 ここでは不確定性関係について、もっと一般的に調べてみる.2つの物理量を考えよう.それらに対応するエルミート演算子{\displaystyle \hat{A}}{\displaystyle \hat{B}} とする(たとえば、位置演算子 {\displaystyle \hat{A}=\hat{x}} と運動量演算子 {\displaystyle \hat{B}=\hat{p_x}=-i \hbar \frac{\partial}{\partial x}} を考える)。この2つの演算子の交換子を

{\displaystyle [\hat{A},\hat{B}] =\hat{A}\hat{B}-\hat{B}\hat{A}=i\hat{C}}  (4.57)

の形に書くことにする。


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私「途中だが、もう22時52分だ。寝なきゃ」

麻友「後どれくらいやってあったの?」

私「後、テキストで、6行」

若菜「お父さんが、少しでも分かるよう、支えてくれたのは、分かります」

結弦「この本は、何回生くらいを、ターゲットにしているの?」

私「主に3回生だ」

麻友「じゃ、分からなくて、当然ね」

私「今日は、ここまで。おやすみ」

若菜・結弦「おやすみなさーい」

麻友「おやすみ」

 現在2022年7月6日23時03分である。おしまい。