Кіріспе
Кванттық жүйенің екі немесе одан да көп өлшенетін күйіне сәйкес келетін энергия деңгейі Кванттық механикада энергия деңгейі кванттық жүйенің екі немесе одан да көп өлшенетін күйіне сәйкес келсе, ол дегенеративті болып саналады. Керісінше, кванттық механикалық жүйенің екі немесе одан да көп түрлі күйлері, егер олар өлшеу кезінде энергияның бірдей мәнін берсе, дегенге айналады. Белгілі бір энергия деңгейіне сәйкес келетін әр түрлі күйлердің саны деңгейдің дегенерация дәрежесі (немесе жай дегенерациясы) ретінде белгілі. Ол математикалық түрде бір энергиялық өзіндік мәні бар бірден артық сызықтық тәуелсіз өзіндік күйі бар жүйе үшін гамильтониямен бейнеленеді. Мұндай жағдайда жүйе қандай күйде екенін сипаттау үшін энергияның өзі жеткіліксіз, ал айырмашылық қажет болған кезде нақты күйді сипаттау үшін басқа кванттық сандар қажет. Классикалық механикада бұл бір энергияға сәйкес келетін әр түрлі мүмкін траекториялар тұрғысынан түсінуге болады. Дегенерация кванттық статистикалық механикада негізгі рөл атқарады. Үш өлшемді N бөлшектік жүйе үшін бір энергетикалық деңгей бірнеше түрлі толқын функцияларына немесе энергетикалық күйлерге сәйкес келуі мүмкін. Бір деңгейдегі осы дегенеративті күйлердің барлығы бірдей толығуы мүмкін. Мұндай күйлердің саны белгілі бір энергия деңгейінің дегенерациясын береді.
In quantum mechanics, an energy level is degenerate if it corresponds to two or more different measurable states of a quantum system. Conversely, two or more different states of a quantum mechanical system are said to be degenerate if they give the same value of energy upon measurement. The number of different states corresponding to a particular energy level is known as the degree of degeneracy (or simply the degeneracy) of the level. It is represented mathematically by the Hamiltonian for the system having more than one linearly independent eigenstate with the same energy eigenvalue. When this is the case, energy alone is not enough to characterize what state the system is in, and other quantum numbers are needed to characterize the exact state when distinction is desired. In classical mechanics, this can be understood in terms of different possible trajectories corresponding to the same energy. Degeneracy plays a fundamental role in quantum statistical mechanics. For an N particle system in three dimensions, a single energy level may correspond to several different wave functions or energy states. These degenerate states at the same level all have an equal probability of being filled. The number of such states gives the degeneracy of a particular energy level.
Математика
Кванттық механикалық жүйенің ықтимал күйлері математикалық тұрғыдан ажыратылатын, күрделі Гильберт кеңістігіндегі абстрактіл векторлар ретінде қарастырылуы мүмкін, ал байқалатын заттар оларға әсер ететін сызықтық Гермиттік операторлармен бейнеленуі мүмкін. Тиісті негізді таңдап, осы векторлардың құрамдас бөліктері мен осы негіздегі операторлардың матрица элементтерін анықтау мүмкін. Егер A N × N матрицасы болса, X нөлдік емес вектор болса және λ скаляр болса, онда скаляр λ A-ның өзіндік мәні деп аталады, ал вектор X λ-ге сәйкес келетін өзіндік вектор деп аталады. Нөлдік вектормен бірге λ берілген меншікті мәніне сәйкес келетін барлық меншікті векторлардың жиыны 'C' ^ n) субкеңістігін құрайды, оны λ меншікті кеңістігі деп атайды. Екі немесе одан да көп түрлі сызықтық тәуелсіз өзіндік векторларға сәйкес келетін λ өзіндік мәні дегенгерейді, яғни және , мұндағы және сызықтық тәуелсіз өзіндік векторлар болып табылады. Өзіндік мәнге сәйкес келетін өздік кеңістіктің өлшемін оның бүліну дәрежесі деп атайды, ол шекті немесе шексіз болуы мүмкін. Өздік мән, егер оның өздік кеңістігі бір өлшемді болса, дегенге жатпайды. Кванттық механикадағы физикалық байқалатын элементтерді бейнелейтін матрицалардың өзіндік мәндері осы байқалатын элементтердің өлшенетін мәндерін береді, ал осы өзіндік мәндерге сәйкес келетін өзіндік күйлер өлшеу кезінде жүйе кездесетін мүмкін болатын күйлерді береді. Кванттық жүйенің энергиясының өлшенетін мәндері гамильтондық оператордың өзіндік мәндерімен беріледі, ал оның өзіндік күйлері жүйенің ықтимал энергиялық күйлерін береді. Энергияның мәні, егер оған байланысты кем дегенде екі сызықтық тәуелсіз энергия күйі болса, дегенге айналады. Сонымен қатар, екі немесе одан да көп дегенеративті меншікті күйлердің кез келген сызықтық комбинациясы сонымен қатар сол энергия меншікті мәніне сәйкес келетін Гамильтон операторының меншікті күйі болып табылады. Бұл энергияның өзіндік мәні λ-дің өзіндік кеңістігі субкеңістіктің (гемилтондық минус λ есе сәйкестіктің ядросы) екендігіне байланысты, сондықтан сызықтық комбинациялардың астында жабық.
Энергияны өлшеуде дегенерацияның әсері
Егер кванттық жүйенің энергиясының өлшенген мәні анықталса, онда дегенгерейділік болмаған жағдайда жүйенің тиісті күйі белгілі деп есептеледі, өйткені әр энергияның өзіндік мәніне тек бір өзіндік күй сәйкес келеді. Алайда, егер гамильтониялық gn дәрежесінің дегенеративті өзіндік мәні болса, оған байланысты өзіндік күйлер gn өлшемінің векторлық кіші кеңістігін құрайды. Мұндай жағдайда бірнеше соңғы күйлер бірдей нәтижемен байланысты болуы мүмкін, олардың барлығы gn ортонормальді өздік векторлардың сызықтық комбинациялары. Бұл жағдайда жүйе үшін сол күйде өлшенген энергияның мәні осы базадағы әрбір күйде жүйе табу ықтималдығының қосындысымен беріледі, яғни
In this case, the probability that the energy value measured for a system in the state will yield the value is given by the sum of the probabilities of finding the system in each of the states in this basis, i. e.,
Әр түрлі өлшемдегі дегенерация
Бұл бөлімде әр түрлі өлшемдерде зерттелетін кванттық жүйелерде дегенеративті энергия деңгейлерінің бар екендігі көрсетіледі. Бір және екі өлшемді жүйелерді зерттеу күрделі жүйелерді ұғымдық тұрғыдан түсінуге көмектеседі.
Мысалдар: Кулон және гармоникалық тербеліс потенциалдары
Орталық 1/r потенциалдағы бөлшектер үшін ЛапласРунгеЛенц векторы - айналу инварианты салдарынан бұрыштық импульстің сақталуына қоса, кездейсоқ дегенерациядан туындайтын сақталған шама. Конус ұшында орналасқан 1/r және r^(2) потенциалдардың әсерінен конуста қозғалатын бөлшектер үшін кездейсоқ симметрияға сәйкес келетін сақталған шамалар Рунге-Ленц векторының эквивалентінің екі компоненті болады, бұрыштық импульс векторының бір компонентіне қосымша. Бұл шамалар екі потенциал үшін SU(2) симметриясын тудырады.
Мысал: тұрақты магнит өрісі бар бөлшектер
Тұрақты магнит өрісінің әсерінен қозғалатын, циклотрондық қозғалысқа ұшыраған бөлшектер - кездейсоқ симметрияның тағы бір маңызды мысалы. Бұл жағдайда симметрия мультипликациясы Ландау деңгейлері болып табылады, олар шексіз дегенерацияланған.
Сутек атомы
Атомдық физикада сутек атомындағы электронның байланған күйі бізге дегенерацияның пайдалы мысалдарын көрсетеді. Бұл жағдайда, Гамильтониялық жалпы орбиталық бұрыштық импульспен , z бағыты бойынша оның компонентімен , жалпы спиндік бұрыштық импульспен және z компонентімен ауысады. Бұл операторларға сәйкес келетін кванттық сандар , , (әрқашан электрон үшін 1/2), және сәйкесінше. Сутек атомындағы энергия деңгейлері тек n негізгі кванттық санына байланысты. Берілген n үшін барлық сәйкес келетін күйлер бірдей энергияға ие және дегенеративті болады. Сол сияқты n және , берілген мәндер үшін , күйлері де дегенеративті. Сондықтан энергия деңгейінің дегенерация дәрежесі En, егер спин дегенерациясын қосса, екі есеге көбейеді. Дегенерация кез келген орталық потенциал үшін бар және артықшылықты кеңістіктік бағыттың болмауынан туындайтын маңызды дегенерация. Дегенерация жиі кездейсоқ дегенерация ретінде сипатталады, бірақ оны Шредингер теңдеуінің арнайы симметриялары арқылы түсіндіруге болады, олар тек потенциалдық энергиясы Кулон заңымен берілген сутек атомы үшін ғана жарамды.
Тозығыстылықты қоздырудың физикалық мысалдары
Кванттық жүйенің дегенерациялық энергия деңгейлері сыртқы бұзылыстың қолданылуы арқылы бөлінетін физикалық жағдайлардың кейбір маңызды мысалдары төменде берілген.