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QM.2 · Weak perturbations and degenerate subspaces

GRE Subject Test · GRE Physics · 주제 37

37.1

약한 섭동 및 준위 중첩 하위 공간

일차 에너지 이동이 0인 경우가 상태의 변화와 비영장 고차 이동과 공존할 수 있습니다.

선행 지식: 5, 24.

  • 비중첩 일차 에너지 이동을 정규화 기대값으로 계산합니다.
  • 대칭성과 행렬 요소를 사용하여 약한 결합 한계를 평가합니다.
  • 정확히 중첩된 하위 공간 내에서 섭동을 대각화합니다.
37.2

확률로 섭동을 가중합니다

English

Let H=H₀+λW, where λ is a small dimensionless parameter and the eigenstates of H₀ are known and normalised. For a nondegenerate level n, the first-order energy correction is λ⟨n|W|n⟩. In position space this is λ∫ψ_n*(x)W(x)ψ_n(x)dx for a multiplicative potential, with integration over the allowed domain. A potential value at one point is not an expectation value; the state’s probability density weights the whole domain. For an infinite well 0<x<L, ψ_n=√(2/L)sin(nπx/L). Reflection about its centre makes ⟨x⟩=L/2, so a weak added potential γx has shift γL/2 for every nondegenerate well level at first order. γ has units of energy per length.

37.3

대칭성을 신중하게 사용하십시오

English

For a perturbation odd about the centre, such as γ(x−L/2), the probability density of an unperturbed well eigenstate is even, so its diagonal expectation vanishes. A centred quadratic perturbation η(x−L/2)² instead gives shift ηL²[1/12−1/(2π²n²)], which is positive for η>0 and depends on n. Parity makes the first-order integral zero only for the specified state and operator symmetry. Off-diagonal matrix elements can still change the wavefunction. Do not turn a symmetry cancellation into a claim that every energy correction vanishes or that the original state remains exact.

37.4

결합과 준위 간격을 비교하십시오

English

For a nondegenerate state, the leading admixture of another unperturbed state m is proportional to λW_mn/(E_n⁰−E_m⁰). The useful smallness condition therefore compares coupling matrix elements with the relevant level separations, not just with an arbitrary absolute energy zero. To second order, the energy correction contains Σ_(m≠n)|λW_mn|²/(E_n⁰−E_m⁰). For the lowest nondegenerate state, all these denominators are negative, so the second-order correction is nonpositive in this model. Near a degeneracy, a small denominator defeats the nondegenerate expansion; use a coupled subspace instead of dividing by zero.

37.5

중첩된 하위 공간을 해결하십시오

English

If a level of H₀ is exactly degenerate, choose an orthonormal basis within that subspace and form the Hermitian matrix of the perturbation there. Its eigenvalues are the first-order energy shifts, and its eigenvectors specify the combinations that diagonalise the leading splitting. For a two-state subspace with perturbation ε[[2,1],[1,2]], the normalised symmetric and antisymmetric combinations have shifts 3ε and ε. Reading only the two diagonal entries would incorrectly predict two shifts of 2ε. A common scalar multiple of the identity shifts both states equally and does not split their degeneracy; off-subspace couplings can matter at higher order.

English 한국어
first-order energy shift/fɜːst ˈɔːdə ˈenədʒi ʃɪft/ 1차 에너지 보정
degenerate perturbation theory/dɪˈdʒenəreɪt pətəˈbeɪʃn ˈθɪəri/ 축퇴 Perturbation theory: 축퇴 perturbation theory
degenerate subspace/dɪˈdʒenəreɪt ˈsʌbspeɪs/ 퇴화 하위 공간
37.6

풀이 방법

중첩된 하위 공간은 일차 이동 전에 행렬 대각화가 필요합니다. 두 상태에 제한된 섭동이 $\epsilon\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}$라고 가정하자.

$$\det(W-wI)=(2\epsilon-w)^2-\epsilon^2=0.$$
영향은 epsilon과 3 epsilon이다. 정규화된 상태는 $(1,-1)/\sqrt2$과 $(1,1)/\sqrt2$이다. 대각 성분만 읽으면 분열을 놓치게 된다. 다른 준위와의 결합 에너지 간격에 비해 약하게 남아야 한다.

왼쪽: 무한 퍼트림 내 n = 1 및 n = 2에 대한 확률밀도로, 모두 평균 위치 L/2를 가진다. 오른쪽: 행 (2, 1)와 (1, 2)를 가진 행렬에 대한 perturbation ε에 의해简并된 준위가 +3ε와 +ε로 쪼개진 모습
전체 이중화 block을 대각화하라: 고윳값은 1차 이동량을 준다
37.7

조건 및 용어 확인

정규화된 상태 가중치를 사용하고, perturbation 단위를 유지하며, 중첩 블록을 대각화하라. 1차 소거와 정확히 불변임은 서로 다른 주장이다.

1차 에너지 영향: 비섭동 상태의 기댓값에 의해 주어지는 선형 근사 보정항.

비분리 섭동 이론: 비분리 비분리 하위 공간 내에서 섭동을 대각화하는 방법.

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