디랙 표기법 (Dirac Notation)
1. 켓과 브라
디랙(P.A.M. Dirac)이 도입한 브라-켓 표기법은 양자역학의 형식론을 간결하고 우아하게 표현하는 도구이다.
정의3.7켓과 브라
- 켓(ket) ∣α⟩: 힐베르트 공간 H의 벡터 (양자 상태)
- 브라(bra) ⟨α∣: 이중 공간 H∗의 벡터 (∣α⟩에 대응하는 선형 범함수)
- 브라-켓(bracket) ⟨β∣α⟩: 내적 (스칼라, ∈C)
- 켓-브라(ket-bra) ∣α⟩⟨β∣: 연산자 (H→H)
대응 관계:
∣α⟩=c1∣1⟩+c2∣2⟩⟷⟨α∣=c1∗⟨1∣+c2∗⟨2∣
2. 내적과 노름
내적의 기본 성질:
⟨β∣α⟩=⟨α∣β⟩∗
⟨α∣α⟩≥0,⟨α∣α⟩=0⟺∣α⟩=0
노름: ∥∣α⟩∥=⟨α∣α⟩
규격화 조건: ⟨α∣α⟩=1
3. 연산자의 디랙 표기
정의3.8연산자의 행렬 원소
연산자 A^의 기저 {∣n⟩}에 대한 행렬 원소(matrix element):
Amn=⟨m∣A^∣n⟩에르미트 연산자의 스펙트럼 분해(spectral decomposition):
A^=n∑an∣an⟩⟨an∣여기서 an은 고유값, ∣an⟩은 대응하는 고유벡터이다.
4. 완전성 관계의 활용
완전성 관계 ∑n∣n⟩⟨n∣=I^는 디랙 표기법의 가장 강력한 도구이다.
참고완전성 관계를 이용한 표현 변환
이산 기저에서:
∣α⟩=I^∣α⟩=n∑∣n⟩⟨n∣α⟩=n∑cn∣n⟩위치 기저로의 전개:
∣α⟩=∫∣x⟩⟨x∣α⟩dx⟹⟨x∣α⟩=Ψα(x)(파동함수)기저 변환: 두 기저 {∣n⟩}과 {∣n′⟩} 사이:
⟨n′∣α⟩=n∑⟨n′∣n⟩⟨n∣α⟩여기서 ⟨n′∣n⟩은 기저 변환 행렬의 원소이다.
5. 위치 표현과 운동량 표현
위치 기저 ∣x⟩과 운동량 기저 ∣p⟩의 관계:
⟨x∣p⟩=2πℏ1eipx/ℏ
이로부터:
Ψ(x)=⟨x∣Ψ⟩=∫⟨x∣p⟩⟨p∣Ψ⟩dp=2πℏ1∫Φ(p)eipx/ℏdp
이는 푸리에 변환에 다름 아니다.
6. 사영 연산자
정의3.9사영 연산자
사영 연산자(projection operator) P^n=∣n⟩⟨n∣은 다음 성질을 만족한다:
P^n2=P^n,P^n†=P^n,P^mP^n=δmnP^n상태 ∣Ψ⟩에 P^n을 작용하면:
P^n∣Ψ⟩=cn∣n⟩이것이 측정에 의한 파동함수 붕괴의 수학적 표현이다. 관측량 A^를 측정하여 고유값 an을 얻으면, 측정 직후의 상태는 P^n∣Ψ⟩/∥Pn∣Ψ⟩∥=∣an⟩이다.