東京大学 新領域創成科学研究科 物質系専攻 2019年8月実施 第3問
Author
Miyake
Description
Kai
(1)
A†A∴ H=2ℏmω(x−mωip)(x+mωip)=2ℏmω(x2+m2ω2p2+mωi[x,p])=2ℏmω(x2+m2ω2p2−mωℏ)=ℏω1(2mp2+21mω2x2)−21=ℏω1H−21=ℏω(A†A+21)
(2)
Hφ0∴ E0=ℏω(A†A+21)φ0=21ℏωφ0=21ℏω
(3)
[A,A†]Hφ1∴ E1=2ℏmω[x+mωip,x−mωip]=2ℏmωmωi{−[x,p]+[p,x]}=2ℏi⋅(−2iℏ)=1=ℏω(A†A+21)A†φ0=ℏω(A†(A†A+1)+21A†)φ0=23ℏωA†φ0=23ℏωφ1=23ℏω
(4)
⟨φ0∣A∣φ0⟩=0 で、かつ、
⟨φn+1∣A∣φn+1⟩=n+11⟨φn∣AAA†∣φn⟩=n+11⟨φn∣A(A†A+1)∣φn⟩=n+11⟨φn∣A(ℏωH−21+1)∣φn⟩=n+11(ℏωEn+21)⟨φn∣A∣φn⟩
であるから、数学的帰納法により、 n=0,1,2,⋯ に対して、
⟨φn∣A∣φn⟩=0
が成り立つ。
同様にして、
⟨φn∣A†∣φn⟩=0
も成り立つ。
さらに、
x=2mωℏ(A+A†)
であるから、
⟨φn∣x∣φn⟩=0
が n=0,1,2,⋯ について成り立つ。
(5)
まず、
⟨φ1∣V∣φ0⟩=F⟨φ0∣Ax∣φ0⟩=F2mωℏ⟨φ0∣A(A+A†)∣φ0⟩=F2mωℏ⟨φ0∣AA†∣φ0⟩=F2mωℏ⟨φ0∣(A†A+1)∣φ0⟩=F2mωℏ
であるから、
c1(t)=iℏF2mωℏ∫0teiωt′dt′=iℏF2mωℏ[iωeiωt′]0t=−ℏωF2mωℏ(eiωt−1)=2ℏω3mF(1−eiωt)
を得る。
さらに、
e−iℏE0t2c1(t)e−iℏE1t2=1=2ℏω3mF2(1−eiωt)(1−e−iωt)=ℏω3mF2(1−cosωt)
であるから、時刻 t において状態 φ1 に見いだされる確率は、
1+ℏω3mF2(1−cosωt)ℏω3mF2(1−cosωt)
である。
(6)
(3), (5) より
⟨φ0∣x∣φ0⟩⟨φ0∣x∣φ1⟩=⟨φ1∣x∣φ1⟩=0=⟨φ1∣x∣φ0⟩=2mωℏ
であるから、
⟨ψ∣x∣ψ⟩=c1∗(t)e−iℏE0−E1t⟨φ1∣x∣φ0⟩+c1(t)e−iℏE1−E0t⟨φ0∣x∣φ1⟩=2ℏω3mF(1−e−iωt)eiωt2mωℏ+2ℏω3mF(1−eiωt)e−iωt2mωℏ=2mω2F{(eiωt−1)+(e−iωt−1)}=mω2F(cosωt−1)
を得る。