§ 5. Гамильтонова матрица

Идея, стало быть, заключается в том, что для квантово-механического описания мира нужно выбрать совокупность базисных состояний  и написать физические законы, задавая матрицу коэффициентов . Тогда у нас будет все, что нужно, — мы сможем отвечать на любой вопрос о том, что случится. Нам остается выучить правила, по которым находят  в соответствии с данной физической обстановкой: какое  отвечает магнитному полю, какое электрическому и т. д. Это самая трудная часть дела. К примеру, для новых странных частиц мы совершенно не представляем, какие  употреблять. Иными словами, никто не знает полного  для всего мира. (Частично трудность заключается в том, что едва ли можно надеяться на открытие , раз никому не известно, каковы базисные состояния!) Мы действительно владеем превосходными приближениями для нерелятивистских явлений и некоторых других особых случаев. В частности, мы знаем вид , требуемый для движений электронов в атомах — для описания химии. Но мы не знаем полного, истинного  для всей Вселенной.

Коэффициенты  называют гамилътоновой матрицей, или, короче, просто гамильтонианом. (Как получилось, что Гамильтон, работавший в 30-х годах прошлого века, дал свое имя квантономеханической матрице, — история длинная.) Много лучше было бы называть ее энергетической матрицей по причинам, которые станут ясны, когда мы поработаем с ней. Итак, все сошлось на гамильтониане. Как узнать гамильтониан — вот в чем вопрос!

У гамильтониана есть одно свойство, которое выводится сразу же:

                                            (6.40)

Это следует из того, что полная вероятность пребывания системы хоть в каком-то состоянии не должна меняться. Если вначале у вас была частица (или любой объект, или весь мир), то с течением времени она пропасть не может. Полная вероятность ее где-то найти равна

что пе должно меняться со временем. Если это обязано выполняться для любого начального условия , то уравнение (6.40) тоже должно соблюдаться.

В качестве первого примера возьмем случай, когда физические условия не меняются со временем; мы имеем в виду внешние физические условия, так что  не зависит от времени, никаких магнитов никто не включает и не выключает. Выберем также систему, для описания которой хватает одного базисного состояния; такое приближение годится для покоящегося атома водорода и сходных систем. Уравнение (6.39) тогда утверждает, что

                                                            (6.41)

Только одно уравнение — и все! Если  постоянно, это дифференциальное уравнение легко решается, давая

                                     (6.42)

Так зависит от времени состояние с определенной энергией . Вы видите, почему - следовало бы называть энергетической матрицей: она обобщает понятие энергии на более сложные случаи.

Вслед за этим, чтобы еще лучше разобраться в смысле уравнений, рассмотрим систему с двумя базисными состояниями.

Тогда (6.39) читается так:

                          (6.43)

Если все  опять не зависят от времени, то эти уравнения легко решить. Для интереса займитесь этим сами, а мы позже еще вернемся к ним. Вот вы уже и можете вести расчеты по квантовой механике, зная об  только то, что оно не зависят от времени!