Lehký úvod do kvantové teorie

Podobné dokumenty
6 PŘEDNÁŠKA 6: Stav kvantového systému, úplná množina pozorovatelných. Operátor momentu hybnosti a kvadrátu momentu hybnosti.

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Operátory obecně (viz QMCA s. 88) je matematický předpis který, pokud je aplikován na funkci, převádí ji na

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

19 Hilbertovy prostory

Dnešní látka Variačně formulované okrajové úlohy zúplnění prostoru funkcí. Lineární zobrazení.

Základy matematiky pro FEK

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

Obsah PŘEDMLUVA...9 ÚVOD TEORETICKÁ MECHANIKA...15

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

Necht L je lineární prostor nad R. Operaci : L L R nazýváme

Úvod do lineární algebry

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

VEKTORY. Obrázek 1: Jediný vektor. Souřadnice vektoru jsou jeho průměty do souřadných os x a y u dvojrozměrného vektoru, AB = B A

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

15 Maticový a vektorový počet II

Lehký úvod do kvantové teorie II

Vlastní číslo, vektor

Kvantová mechanika ve 40 minutách

Příklad 1: Komutační relace [d/dx, x] Příklad 2: Operátor B = i d/dx

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Základní pojmy teorie množin Vektorové prostory

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vlastní čísla a vlastní hodnoty. študenti MFF 15. augusta 2008

6. Vektorový počet Studijní text. 6. Vektorový počet

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

i=1 Přímka a úsečka. Body, které leží na přímce procházející body a a b můžeme zapsat pomocí parametrické rovnice

Definice : Definice :

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Eukleidovský prostor a KSS Eukleidovský prostor je bodový prostor, ve kterém je definována vzdálenost dvou bodů (metrika)

Úvod do kvantového počítání

Báze a dimenze vektorových prostorů

6.1 Vektorový prostor

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Všechno, co jste kdy chtěli vědět o maticích, ale báli jste se zeptat

6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

Vlastní (charakteristická) čísla a vlastní (charakteristické) Pro zadanou čtvercovou matici A budeme řešit maticovou

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Lineární algebra - I. část (vektory, matice a jejich využití)

0.1 Úvod do lineární algebry

Matice. Je dána matice A R m,n, pak máme zobrazení A : R n R m.

Matematika B101MA1, B101MA2

8 Matice a determinanty

PROSTORY SE SKALÁRNÍM SOUČINEM. Definice Nechť L je lineární vektorový prostor nad R. Zobrazení L L R splňující vlastnosti

0.1 Úvod do lineární algebry

5. Lokální, vázané a globální extrémy

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Úlohy nejmenších čtverců

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

Symetrické a kvadratické formy

7. Lineární vektorové prostory

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

Slovo ALGEBRA pochází z arabského al-jabr, což znamená nahrazení. Toto slovo se objevilo v názvu knihy

1 Připomenutí vybraných pojmů

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

METRICKÉ A NORMOVANÉ PROSTORY

Občas se používá značení f x (x 0, y 0 ), resp. f y (x 0, y 0 ). Parciální derivace f. rovnoběžného s osou y a z:

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

2. Schurova věta. Petr Tichý. 3. října 2012

[1] Motivace. p = {t u ; t R}, A(p) = {A(t u ); t R} = {t A( u ); t R}

6.2.8 Vlnová funkce. ψ nemá (zatím?) žádný fyzikální smysl, fyzikální smysl má funkce. Předpoklady:

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Úvodní informace. 17. února 2018

Afinní transformace Stručnější verze

transformace je posunutí plus lineární transformace má svou matici vzhledem k homogenním souřadnicím [1]

Nástin formální stavby kvantové mechaniky

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Funkce a základní pojmy popisující jejich chování

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Soustavy lineárních rovnic

Vlastní čísla a vlastní vektory

Aplikovaná numerická matematika

Skalární součin dovoluje zavedení metriky v afinním bodovém prostoru, tj. umožňuje nám určovat vzdálenosti, odchylky, obsahy a objemy.

LEKCE10-RAD Otázky

Vlastní čísla a vlastní vektory

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

Projekty - Úvod do funkcionální analýzy

Hisab al-džebr val-muqabala ( Věda o redukci a vzájemném rušení ) Muhammada ibn Músá al-chvárizmího (790? - 850?, Chiva, Bagdád),

Derivace funkce Otázky

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Matematické metody kvantové mechaniky

Transkript:

1 Lehký úvod do kvantové teorie 1 Unitární prostory (prostory se skalárním součinem) Ve Fyzice 1 jsme rozšířili pojem vektoru na obecnější objekty,než jsou uspořádané trojice a zavedli lineární vektorový prostor Pozorně si znovu tuto pasáž přečtěte! Nyní analogicky rozšíříme pojem skalárního součinu pro různé lineární vektorové prostory Budeme důsledně používat Diracovu symboliku, kterou zavedl Paul Adrien Maurice Dirac pro kvantovou teorii Prvky lineárních vektorových prostorů jsou značeny symboly f, x, a a skalární součiny f g, x y, a b atd Prostor reálných trojic R 3 Prvky vektorového prostoru budeme označovat f ( f1, f2, f3); g ( g1, g2, g3) a jejich skalární součin je zaveden standardním způsobem: f1g1 f2g2 f3g3 fkgk Norma vektoru (velikost) se definuje vztahem f g (1) 3 pro R 2 2 2 1 2 3 f f f f f f (2) Pro reálné trojice znázorněné jako úsečky opatřené šipkami je norma vektoru rovna délce úsečky a platí f g f g cos, kde je úhel sevřený oběma vektory Z tohoto vztahu plyne okamžitě Schwartzovo lemma: f g f g (3) Výsledkem operace skalárního součinu je číslo, v případě lineárního vektorového prostoru R 3 reálné číslo, v obecném případě bude výhodné uvažovat i o čísle komplexním Norma vektoru (velikost) musí ale vždy být nezáporné reálné číslo Prostor reálných N tic R N Prvky tohoto prostoru jsou nyní reálné N-tice f ( f1,, fn), g ( g1,, gn); fl, gl R, definici skalárního součinu rozšíříme přirozeným způsobem:

f g N f1g1 fngn fkgk fkgk (4) k 1 V platnosti zůstává definice normy i Schwartzovo lemma Prostor komplexních N tic C N Prvky tohoto prostoru jsou nyní komplexní N-tice f ( f1,, fn), g ( g1,, gn); fl, gl C Skalární součin definujeme v jednom z argumentů komplexně sdružený (v této učebnici bude komplexně sdružený levý argument): f g f1 g1 fngn fk gk fk gk (5) k 1 Pro komplexní číslo z = a + i b je velikost (norma) čísla dána vztahem z z z Právě proto, aby pro komplexní čísla zůstalo v platnosti, že norma vektoru je odmocnina skalárního součinu vektoru se sebou samým, je v definici skalárního součinu komplexní sdružení v jednom z argumentů Při výše uvedené definici skalárního součinu bude výsledkem sice komplexní číslo, ale norma vektoru zůstane reálná nezáporná: 2 2 f f f f1 f1 fn fn f1 fn 0 Opět platí Schwartzovo lemma Prostor komplexních posloupností (N tice s N ) l 2 Nyní již nepůjde o N-tice, ale o celé posloupnosti komplexních čísel: f { f1,, fn, } { fl} l1, g { gl} l1; fl, gl C Pokusme se skalární součin definovat obdobně, jako v předchozích příkladech: f1 g1 fngn fk gk fk gk k 1 f g (6) Takto definovaný skalární součin má smysl jen pro konvergentní posloupnosti Do prostoru l 2 můžeme zahrnout jen takové prvky f, pro které je f, tj požadujeme Potom je 2 2 fk fk fk pro l k1 k1 f (7)

3 f g fk gk f g 2 pro f, g l, k 1 tj Schwartzovo lemma platí i v případě nekonečných posloupností Prostor komplexních funkcí reálné proměnné L 2 () Při dalším zobecnění prostoru l 2 si můžeme index k představit spojitý Místo k budeme psát x: f x Výraz f x není ale nic jiného než komplexní funkce reálné proměnné (spojitého indexu), kterou je zvykem zapisovat ve tvaru f (x ), tj prvky našeho prostoru budou f fx f( x), g gx g( x); xr, f, gc Součet ve skalárním součinu se stane integrálem: f ( x) g( x)d x f g (8) Analogicky jako v l 2 je třeba do prostoru L 2 zahrnout jen prvky s f, tj požadujeme, aby Potom je 2 2 f ( x) f( x)d x f( x) dx pro f( x) L (9) f g f ( x) g( x)d x f g 2 pro f, g L a skalární součin má smysl Schwartzovo lemma platí i pro integrály L2 se někdy nazývá prostor funkcí integrovatelných s kvadrátem Lze ho definovat i pro jiný definiční obor než celou reálnou osu ( ), potom píšeme L2 (M), kde M je definiční obor funkcí f (x) L2 (M) Nyní můžeme přistoupit k obecné definici prostorů se skalárním součinem Unitární prostor Unitárním prostorem (neboli prostorem se skalárním součinem) nazveme lineární vektorový prostor V (s operací + : V V V a operací : C V V ), na kterém je definována další operace (tzv skalární součin) s vlastnostmi : V V C

1) f gh f g f h, 2) f g f g, 3) ( ), g f f g f g f g 4) f f 0 ; f f 0 f 0 Poznámka 1 První dvě operace v definici znamenají linearitu v pravém argumentu Z třetí operace plyne antilinearita v levém argumentu (aditivnost + vytknutí komplexně sdružené konstanty) Poznámka 3: Symbolika zápisu pochází od P A M Diraca Nazývá se také braketová symbolika nebo brakety (z anglického bracket = závorka) < > braket ; < bra (lze přesně definovat, naznačená operace skalárního součinu); > ket (vektor z V ) Poznámka 4: Pro komplexní N-tice lze interpretovat f jako sloupcovou matici, f jako transponovanou komplexně sdruženou matici: Potom je skalární součin f1 f ; f f1 fn f N g1 f g f1 fn fk gk g N definován za pomoci maticového násobení Pro jiné prostory než N-tice není pro naše účely třeba jednotlivé části skalárního součinu f g nějak interpretovat Poznámka 5: Pro L 2 lze chápat f ( x) dx f jako naznačenou operaci skalárního součinu Je jen třeba doplnit patřičnou funkci, na kterou operace působí Podobná situace je u derivování, napíšeme-li jen d/dx Poznámka 6: Diracova symbolika mimořádně zjednodušila většinu zápisů v kvantové teorii Matematikové k ní z počátku byli nedůvěřiví, nicméně ji po určité době akceptovali Dnes si nedokážeme zápis dějů probíhajících v mikrosvětě bez této symboliky představit Zejména zápisy projekčních operátorů, věty o úplnosti nebo věty o spektrálním rozvoji by bez této symboliky byly mimořádně nepřehledné a kostrbaté

5 Paprsek Nechť V je unitární prostor a f jeho nenulový prvek Paprskem nataženým na f nazveme množinu prvků { g ; g f ; C \{0}, f, g V } Obr E1: Paprsek Hilbertův prostor Hilbertův prostor je úplný unitární prostor (hranice prostoru je jeho součástí) Operátorem rozumíme zobrazení 2 Operátory A ˆ : V V, které prvku f prostoru V přiřazuje prvek g tohoto prostoru: A ˆ f g V platnosti zůstává běžné názvosloví používané pro zobrazení (vzor, obraz, definiční obor, obor hodnot ) Příklad 1: prostor R 3 Operátorem na R3 může být libovolná matice 33, například 1 0 0 1 ˆ A 0 0 1 ; f 2 0 1 1 1 1 0 0 1 1 ˆ A f 0 0 1 2 1 g, obecně 0 1 1 1 3 1 0 0 f1 f1 ˆ A f 0 0 1 f2 f3 0 1 1 f 3 f2 f 3

Příklad 2: prostor L 2 () Za typický operátor na prostoru funkcí můžeme považovat derivaci funkce Vždy musíme ale vybírat funkce integrovatelné s kvadrátem a zkontrolovat, zda si i po derivování tuto vlastnost ponechaly: ˆ d x D ; f xe dx ˆ d e x (1 )e x D f x x g dx Jednotkový operátor Jednotkový operátor je definován předpisem 1 ˆ f f (10) Pro N-tice je jednotkovým operátorem diagonální matice s jednotkami na diagonále (jednotková matice) ověřte! Kvadrát operátoru Druhou mocninu operátoru můžeme definovat, je-li obor funkčních hodnot operátoru podmnožinou jeho definičního oboru, potom lze psát ˆ 2 ˆ ˆ A f A A f (11) Příklad 3: druhá mocnina derivace Druhá mocnina derivace je podle předchozí definice druhou derivací dané funkce: 2 ˆ d x D ; f e dx 2 2 2 ˆ 2 d d x d x 2 x D f e 2xe ( 2 4 x )e dx dx dx Inverzní operátor Inverzním operátorem k  nazveme takový operátor ˆ 1 A, že pro něho platí ˆ ˆ 1 ˆ 1 ˆ ˆ A A A A 1 (12) K danému operátoru  může být nalezení inverzního operátoru značně obtížné, někdy inverzní operátor neexistuje vůbec Sdružený operátor Sdruženým operátorem k  nazveme takový operátor Â, že pro něho platí f Aˆ g A ˆ f g (13)

Působení původního operátoru v pravé straně skalárního součinu dopadne stejně jako působení k němu sdruženého operátoru v levé části skalárního součinu Sdružený operátor nemusí vždy existovat Poznámka: Nalézt sdružený operátor pro matice je velmi snadné, původní matici stačí komplexně sdružit a poté transponovat (překlopit kolem diagonály), tj ˆ ˆ A ( A ) T 7 Komutativita operátorů Pro operátory je obecně AB ˆ ˆ BA ˆ ˆ Říkáme, že operátory nekomutují Míru nekomutativnosti můžeme posoudit za pomoci tzv komutátoru [ Aˆ, Bˆ ] AB ˆ ˆ BA ˆ ˆ (14) Je-li komutátor operátorů Â, ˆB nulový, operátory komutují, je-li různý od nuly nekomutují Výsledkem komutátoru je opět operátor Všechny dosud uvedené operátory byly lineární V kvantové teorii se setkáme především se dvěma druhy lineárních operátorů operátory unitárními a operátory Hermitovými Uveďme nyní definice těchto operátorů Hermitovy operátory Definice: Hermitův operátor působí v obou částech skalárního součinu stejně, tj Aˆ f g f A ˆ g (15) Věta: Pro Hermitův operátor je sdružený operátor roven původnímu, je samosdružený: ˆ ˆ Důkaz: Plyne okamžitě z definice sdruženého operátoru A A (16) Poznámka: V přesné matematice se definice samosdruženého a Hermitova operátoru nepatrně liší požadavky na definiční obor, pro naše účely nebudeme samosdružené a Hermitovy operátory rozlišovat Vzhledem k tomu, že Hermitův operátor působí v obou částech skalárního součinu stejně, často se píše Aˆ f g f Aˆ g f A ˆ g Centrální pozice  naznačuje, že podle vlastního uvážení můžeme operátorem zapůsobit vlevo či vpravo Tato struktura se někdy nazývá Diracův sendvič

3 Spektrální teorie V teorii operátorů patří k základním úlohám nalézt směry, ve kterých se působení daného operátoru projevuje jako komplexní natahování: A ˆ f f ; C (17) Vektor f > se nazývá vlastním vektorem (charakteristickým vektorem) operátoru  a koeficient natahování vlastním číslem (charakteristickým číslem) Například u tenzoru setrvačnosti leží vlastní vektory ve směru os, ve kterých těleso při rotaci nehází U lineárních operátorů je i každý násobek vlastního vektoru vlastním vektorem se stejným vlastním číslem Jde tedy o celý paprsek v Hilbertově prostoru, neboli vlastní směr Takových vlastních směrů a čísel může existovat u lineárních operátorů celá řada, jejich maximální počet je roven dimenzi prostoru (počtu prvků báze) U separabilních prostorů můžeme tedy úlohu nalezení vlastních čísel a vektorů formulovat rovnicemi: Aˆ f f ; k 1,2, ; C (18) k k k k Množina všech vlastních čísel {λ 1,, λ n, } se nazývá spektrum operátoru  Nalezneme-li spektrum operátoru a jeho vlastní vektory, můžeme relativně snadno řešit rovnice obsahující tento operátor Pomocí vlastních čísel a vektorů lze například řešit soustavy obyčejných lineárních diferenciálních rovnic (viz kapitola 15) Vlastní čísla a vektory hermitovského operátoru Věta: Hermitovský operátor má reálná vlastní čísla a vlastní vektory dvou různých vlastních čísel jsou navzájem kolmé Důkaz: Při výpočtu skalárního součinu využijeme hermitovosti a působíme operátorem v pravé i v levé části skalárního součinu Výsledek musí být stejný: fk k fk k fk fk ˆ fk A fk ˆ k k k R A f f f f k k k k k Vlastní čísla jsou tedy reálná V druhé části budeme postupovat obdobně Pro vlastní číslo z levé části skalárního součinu využijeme první části důkazu: ˆ fk l fl l fk fl fk A fl ˆ A fk fl k fk fl k fk fl

9 f f f f, l k l k k l ( ) f f 0, l k k l f f 0pro k l k l Poznámka 1: Reálné vlastní hodnoty hermitovských operátorů budou v kvantové teorii využity jako možné výsledky měření dynamické proměnné, které odpovídá operátor  Ani kolmost vlastních vektorů není bez užitku Vhodný hermitovský operátor nám může v podobě svých vlastních vektorů porodit výhodnou ortonormální bázi v Hilbertově prostoru 4 Základní axiomy a definice I Redefinice stavu V klasické mechanice je stav částice určen polohou a hybností Vzhledem k tomu, že v mikrosvětě nelze současně tyto veličiny měřit a měření jedné ovlivní měření druhé, je nutné pojem stavu definovat novým způsobem Fázové trajektorie již nelze v mikrosvětě popsat křivkami Vnímáme je s přesností danou relacemi neurčitosti ΔxΔp ħ/2 Můžeme si představit, že fázovou trajektorii vidíme rozmazanou čáru s rozlišením daným čtverečkem o ploše ħ/2 (sledujeme-li jednu souřadnici a jí odpovídající hybnost) Zaveďme si nejprve některé pojmy Kompatibilita: Řekneme, že dvě dynamické proměnné jsou kompatibilní, jestliže měření jedné veličiny neovlivní měření veličiny druhé Příkladem kompatibilních proměnných jsou souřadnice (x, y), příkladem nekompatibilních proměnných jsou souřadnice a jí odpovídající hybnost (x, p x ) Kompatibilita je symetrická vlastnost: (A komp B) (B komp A) (19) Stav systému: Řekneme, že známe stav systému, známe-li výsledek měření některé úplné množiny pozorovatelných Stavem tedy nazveme jen to, co lze ve skutečnosti současně změřit Základním rysem nové teorie musí být nekomutující objekty operátory Místo dynamických proměnných z klasické mechaniky (souřadnice, hybnost, energie, moment hybnosti, ) budeme používat operátory (operátor souřadnice, hybnosti, ) Nekomutativnost těchto operátorů bude vyjadřovat nekomutativnost aktu měření dynamických proměnných v mikrosvětě Veličiny naměřené přístrojem v mikrosvětě jsou reálná čísla, někdy spojitá (poloha částice), někdy diskrétní (například jednotlivé hladiny energie elektronu vázaného v atomu) Jak získat z operátoru dynamické proměnné sadu reálných čísel spojitého nebo diskrétního charakteru? Takovou sadou je právě spektrum hermitovských operátorů Dynamickým proměnným budeme tedy přiřazovat hermitovské operátory Každý operátor působí na prvky nějakého Hilbertova prostoru H Musíme se tedy ptát, jaký význam bude v naší teorii mít sám Hilbertův prostor a také prvky, na které

operátory působí Později uvidíme, že příliš nezáleží na volbě Hilbertova prostoru Podstatné jsou spíše vztahy mezi dynamickými proměnnými, nyní operátory Kvantová mechanika založená na prostoru L 2 funkcí integrovatelných s kvadrátem je známá Schrödingerova vlnová mechanika vedoucí na Schrödingerovu rovnici a vlnové funkce Kvantová teorie založená na prostoru l 2 posloupností sčitatelných s kvadrátem je Heisenbergova maticová mechanika Obě teorie se na první pohled zdají naprosto odlišné Přesto vlastní čísla operátorů v obou teoriích jsou stejná a obě teorie tak dávají stejné předpovědi Hilbertův prostor se všemi svými prvky a s operátory, které na prvky působí, koresponduje s vlastnostmi celého systému z klasické mechaniky Místo systému budeme proto v kvantové teorii hovořit o Hilbertově prostoru daného systému (například Hilbertův prostor elektronu) Zbývá rozluštit poslední hádanku k čemu jsou prvky Hilbertova prostoru? Již v úvodu jsme si řekli, že v mikrosvětě sám akt měření ovlivní stav systému Před měřením je systém v jiném stavu než po měření Akt měření dynamické proměnné zastupuje v kvantové teorii hermitovský operátor této proměnné Působením tohoto operátoru na prvek prostoru dostáváme jiný prvek tohoto prostoru A to je přesně to, co hledáme Prvky (vektory) prostoru tedy představují stav systému Akt měření koresponduje s působením příslušného operátoru na stav (prvek prostoru) a nový stav je prvek, který vznikl působením operátoru Vlastní číslo operátoru prezentuje naměřenou hodnotu a vypovídá tak o stavu systému Víme už, že násobky každého vlastního vektoru jsou opět vlastním vektorem V H tedy existuje k danému vlastnímu číslu celý vlastní směr (paprsek) Stavu systému proto musí odpovídat celý paprsek v H, nikoli jen jeden jediný vektor Přicházíme tak ke třem základním axiomům kvantové teorie, které říkají, jak spolu korespondují klasické a kvantové pojmy: systém Hilbertův prostor H stav systému paprsek natažený na dynamická proměnná A hermitovský operátor  Nejjednodušší přiřazení operátorů Vyjdeme z duality vlna částice Ec / / c (20) p k Tedy E, (21) p k Pokud si vzpomeneme na pravidla pro Fourierovu reänsformaci i, t i k (22)

Můžeme kombinací posledních dvou výrazů získat přirozené operátory pro kvantovou teorii budovanou na prostoru L 2 : ˆ E E i, t p pˆ i Hamiltonově funkci potom bude příslušet operátor 2 2 H p ( ) ˆ ( ) 2 V H x m 2m V x Rovnice pro vlastní čísla Hamiltonova operátoru je 2 V( x) E 2m 11 (23) (24), (25) což je známá Schrödingerova rovnice pro vlastní čísla operátoru energie Její řešení existuje pro každou energii, ale my musíme vybrat pouze řešení integrovatelná s kvadrátem, jen taková řešení zajistí existenci velikosti stavu, tj prvku Hilbertova prostoru Řešení této rovnice se liší pro různé průběhy potenciální energie Energetické spektrum má význam hodnot, které můžeme na systému naměřit Samotná vlnová funkce má význam amplitudy pravděpodobnosti nalézt systém v daném stavu, samotná pravděpodobnost je kvadrátem amplitudy: w (26)