多体物理读书会：自旋二分之一的升降算符对易关系

问题

对于自旋$\frac{1}{2}$，有如下对易关系

\begin{equation} \label{eq:1} [S^{\mp},S^{\pm}] = \mp2 \hbar S ^{z} \end{equation}

\begin{equation} \label{eq:2} [S^{\pm},S^{z}] = \mp \hbar S^{\pm} \end{equation}

数学证明

这是trival的，懒得证明啦！

物理理解

对于(\(\ref{eq:1}\))

首先，升降算符乘在一起是\(\mid S^{z}=\pm \frac{1}{2}\rangle\) 的本征态

\begin{align*} S^{+}\mid -\frac{1}{2}\rangle =& \hbar \sqrt{\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\right)\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{2}+1\right)}\mid -\frac{1}{2} \rangle = \hbar \mid \frac{1}{2}\rangle \\ S^{+}\mid \frac{1}{2}\rangle =& 0\\ S^{-}S^{+}\mid - \frac{1}{2}\rangle =& \hbar^{2} \mid -\frac{1}{2}\rangle\\ S^{-}S^{+}\mid \frac{1}{2} \rangle=&0 \end{align*}

所以

\begin{align*} [S^{-},S^{+}] = S^{-}S^{+} - S^{+}S^{-} \end{align*}

右边的两项中，对于\(\mid \frac{1}{2}\rangle\) 只有第二项不为零，作用结果是\(-\hbar^{2}\) 。对于\(\mid- \frac{1}{2}\rangle\) 只有第1项不为零，作用结果是\(\hbar^{2}\) 。综合看来结果就是\(-\hbar^{2}\cdot \frac{2}{\hbar} S^{z}= -2\hbar S^{z}\)

对于(\(\ref{eq:2}\))

\begin{align*} [S^{+},S^{z}] = S^{+}S^{z} - S^{z}S^{+} \end{align*}

只对\(\mid -\frac{1}{2}\rangle\) 作用不为零，而且最算符最后的作用是升了一下，所以\(S^{+}\) 不变。升完之后的\(S^{z}\) 要比没升的大\(\hbar\) ，所以总的结果是\( -\hbar S^{+}\)