Wednesday, December 10, 2014

全同性原理是微观世界的普遍规律,它导致一种纯量子效应——交换效应。这是一种由于波函数对称化或反称化所造成的可观察的物理效应

全同性原理是微观世界的普遍规律,它导致一种纯量子效应——交换效应。这是一种由于波函数对称化或反称化所造成的可观察的物理效应

[1] 否则违反普遍的定域因果性原理——两件类空间隔(>)事件彼此应当没有因果关联。于是原理主张,相隔为类空间隔的两个测量可以独立进行,互不干扰;有此间隔的两个物理的算符应当对易







微观世界里的全同粒子,一旦它们波包有重叠而又没有守恒的内禀量子数可供鉴别,波动性将肯定使它们失去个性可分辩性,出现交换效应。

    ii 应用举例

关于全同性原理应用的例子,除了全同粒子散射(见§10.4节)外,下面再举一些。

首先,是两个全同的费米子的例子

两个电子,假设原先电子1处于态,简记作,电子2处于态,记作。假定由于某种原因它们彼此关联起来,组成了一个体系。如果它们之间没有相互作用或是相互作用较弱,作为零级近似,体系总波函数可以取作两阶Slater行列式——两个单电子态的反称化的形式,

           (6.35)

右边第二项是依据全同性原理,通过反称化得出来的交换项。交换项的存在将会影响力学量平均值计算和各种概率计算。比如,概率密度的分布将成为
 
 
可以看出,当两个波函数的空间分布不重叠,即函数的定义区域A和函数的定义区域B之间没有交集时,右边取实部的第三项(包括它的积分值)实际上等于零;若交集很小,这项数值也很小。这时实行和不实行反称化,结果是一样的(或基本上一样的)。于是交换效应消失,两个全同电子在原理上便可以(用区域AB)来分辨。对于两个波函数空间分布有重叠的情况,如果两个电子各自自旋取值不同并且在演化中守恒,则由于波函数自旋部分的正交性,这个实部在概率计算中仍不起作用。说明此时在原理上可以根据它们的取向来分辨它们。
推广开来说,如果测量的物理量与是对易的,就是说, 最后观测方案——也就是测量末态是朝向本征态的塌缩,两个电子仍然可以根据的取向来分辨。这时有否反称化实际效果仍然相同。但如果测量的物理量与不对易,相应分解时有关交换项就不会消失,存在交换效应。换句话说,这时两个电子在这种测量中还是不可分辩。所以普遍说来,
 
 
 

这就展宽了它们在行进方向上的波包尺度,增加了空间相干长度,使波包有较好的空间重叠,理论上应当能够让两个中子发生相干叠加。这一思想首先由Rauch教授提出并在中子干涉量度学实验中实现。后来又被潘建伟、BouwmeesterZeilinger等用于光子情况,形成多光子符合技术,完成了著名的Teleportation实验和Swapping实验[1]

全同性原理的物理根源是微观粒子的波粒二象性, 特别是它和微观粒子的波动性有深刻的内在联系。

微观粒子的波动性,反映在单个粒子身上就表现为一对正则共轭量之间的不确定性关系;反映在全同粒子之间的关系上就是全同性原理,就是全同性原理所主张的全对称或全反对称的量子纠缠。

从单因素分析来说,如果波动性越明显,波函数的空间延展越大,来源于交换作用的干涉效应就越显著;而粒子性越明显,波函数的空间延展越小,这种干涉效应就越小。正因为全同性原理深深植根于微观粒子的内禀属性,它对全部量子理论都是正确的。也正因为它和微观



[1] D. Bouwmeester, et. al.,  Nature, Vol. 390, (1997)575;   J.W.Pan, et. al., Nature, 403(2000)515



粒子的内禀属性紧密关联,所以不少人认为全同性原理不能算是一个独立的原理,而只是量子力学基本观念的一个推论。

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