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  • 1 # 物理思維

    所謂算符就是一個操作(operation),操作就是動作,它一定要有個作用的物件。

    我們可以考慮是一本書,我們拿起書來可以圍繞z軸轉動(如圖),也可以圍繞x軸轉動,……,轉動就是操作,轉動完之後書在三維空間裡的方位是不同的。

    書(剛體)在三維空間中的轉動。

    現在我們用Rz表示圍繞z軸轉動,Rz(π/2)表示書圍繞z軸按“右手螺旋”方向轉動π/2(或說90°),我們發現有這樣的性質:

    1.如果都是圍繞相同的轉軸轉動,比如都圍繞z軸轉動,我們發現聯合操作的後果,與操作實施的次序無關,寫成數學符號就是:

    Rz(α)Rz(β)=Rz(β)Rz(α)

    等式左側,表示先圍繞z軸轉β角度,再圍繞z軸轉α角度,這樣操作的後果和先圍繞z軸轉α角度,再圍繞z軸轉β角度是一樣的。

    這個性質在數學上叫可交換,這裡兩個操作按順序一個一個從右向左實施,叫算符的乘法,即AB表示先實施B操作,然後再實施A操作,如果AB=BA,我們就說兩個算符是對易的(或是可交換的)。

    可對易的算符對我們來說沒有什麼可以驚訝的,因為在算術裡,數字的乘法也滿足交換律。

    2.我們發現某些操作是與操作的次序有關的,換句話說有些算符的乘法是不符合交換律的,還以“轉動一本書”為例,我們發現“先圍繞z軸轉動π/2,再圍繞x軸轉動π/2”與“先圍繞x軸轉動π/2,再圍繞z軸轉動π/2”的後果是不一樣的(如上圖)。

    寫成數學式子就是:

    這裡Rx(π/2)和Rz(π/2)就是兩個不能互相交換次序的操作(在生活裡有很多與操作次序有關的例子,比如在做菜的時候,先放醋還是先放醬油也是有講究的)。在數學裡我們管AB不等於BA的兩個算符稱為不可對易的算符。

    比如在量子力學裡,位置算符和動量算符就是兩個不可對易的算符,這是為什麼會有海森堡不確定關係的原因。

    最後再多說一句:我們一般用矩陣來表示Rz,Rx等,用向量表示矩陣作用的物件。

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