交換子

在抽象代數中，一個群的交換子（commutator）或換位子是一個二元運算子。設g及h 是 群G中的元素，他們的交換子是g ⁻¹ h ⁻¹ gh，常記為[ g, h ]。只有當g和h符合交換律（即gh = hg）時他們的交換子才是這個群的單位元。

一個群G的全部交換子生成的子群叫做群G的導群，記作D(G)。

群論

群G中兩個元素g和h的交換子為元素

[g, h] = g⁻¹h⁻¹gh

它等於群的幺元當且僅當g和h可交換（即gh = hg）。

環論

環或結合代數上兩個元素a和b的交換子定義為：

${\displaystyle [a,b]=ab-ba.}$

量子力學

量子力學中，經常用到對易關係（commutation relation），即

${\displaystyle [{\hat {A}},{\hat {B}}]={\hat {A}}{\hat {B}}-{\hat {B}}{\hat {A}}}$；

其中；${\displaystyle {\hat {A}}}$、${\displaystyle {\hat {B}}}$均為量子力學的算符，${\displaystyle [{\hat {A}},{\hat {B}}]}$是其對易算符，也稱交換子。

如果上式等於零，則稱${\displaystyle {\hat {A}}}$、${\displaystyle {\hat {B}}}$是對易的，即意味着${\displaystyle {\hat {A}}}$和${\displaystyle {\hat {B}}}$兩個算符的運算順序可以調換。反之則稱非對易的，運算順序不可以調換。

量子力學中，交換子有以下特性:

${\displaystyle [{\hat {A}},{\hat {B}}]=-[{\hat {B}},{\hat {A}}]}$

${\displaystyle [{\hat {A}},{\hat {B}}+{\hat {C}}]=[{\hat {A}},{\hat {B}}]+[{\hat {A}},{\hat {C}}],\quad [{\hat {A}}+{\hat {B}},{\hat {C}}]=[{\hat {A}},{\hat {C}}]+[{\hat {B}},{\hat {C}}]}$

${\displaystyle [{\hat {A}},{\hat {B}}{\hat {C}}]=[{\hat {A}},{\hat {B}}]{\hat {C}}+{\hat {B}}[{\hat {A}},{\hat {C}}],\quad [{\hat {A}}{\hat {B}},{\hat {C}}]=[{\hat {A}},{\hat {C}}]{\hat {B}}+{\hat {A}}[{\hat {B}},{\hat {C}}]}$

${\displaystyle [{\hat {A}},{\hat {A}}^{n}]=0,\quad n=1,2,3...}$

${\displaystyle [k{\hat {A}},{\hat {B}}]=[{\hat {A}},k{\hat {B}}]=k[{\hat {A}},{\hat {B}}]}$

${\displaystyle [{\hat {A}},[{\hat {B}},{\hat {C}}]]+[{\hat {C}},[{\hat {A}},{\hat {B}}]]+[{\hat {B}},[{\hat {C}},{\hat {A}}]]=0}$

量子力學中的各個力學量之間，常用的對易關係有：

以下，${\displaystyle {\hat {x}}}$是位置算符、${\displaystyle {\hat {p}}}$是動量算符、${\displaystyle {\hat {L}}}$是角動量算符（包括軌道角動量、自旋角動量等），而${\displaystyle \delta _{ij}}$是克羅內克δ、${\displaystyle \epsilon _{ijk}}$是列維-奇維塔符號。其中i、j、k均可以指代x、y、z三個方向中的任意一個。

對易關係	更具體的形式
${\displaystyle [{\hat {x}}_{i},{\hat {x}}_{j}]=0}$	${\displaystyle [{\hat {x}},{\hat {x}}]=0}$、${\displaystyle [{\hat {x}},{\hat {y}}]=0}$
${\displaystyle [{\hat {p}}_{i},{\hat {p}}_{j}]=0}$	${\displaystyle [{\hat {p}}_{x},{\hat {p}}_{x}]=0}$、${\displaystyle [{\hat {p}}_{x},{\hat {p}}_{y}]=0}$
${\displaystyle [{\hat {x}}_{i},{\hat {p}}_{j}]=i\hbar \delta _{ij}}$	${\displaystyle [{\hat {x}},{\hat {p}}_{x}]=i\hbar }$、${\displaystyle [{\hat {x}},{\hat {p}}_{y}]=0}$、${\displaystyle [{\hat {y}},{\hat {p}}_{x}]=0}$、${\displaystyle [{\hat {y}},{\hat {p}}_{y}]=i\hbar }$
${\displaystyle [{\hat {L}}_{i},{\hat {L}}_{j}]=i\hbar \epsilon _{ijk}{\hat {L}}_{k}}$	${\displaystyle [{\hat {L}}_{x},{\hat {L}}_{y}]=i\hbar {\hat {L}}_{z}}$、${\displaystyle [{\hat {L}}_{y},{\hat {L}}_{z}]=i\hbar {\hat {L}}_{x}}$、${\displaystyle [{\hat {L}}_{z},{\hat {L}}_{x}]=i\hbar {\hat {L}}_{y}}$

正則對易關係

物理學中，正則對易關係是正則共軛的量之間的關係，這樣的量從定義可以發現：一個量是其共軛量的傅立葉變換的結果。舉例來說：

${\displaystyle [x,p]=i\hbar }$

上面的x與p分別為一維空間中的一點粒子的位置與動量，而${\displaystyle [x,p]=xp-px}$為所謂${\displaystyle x}$與${\displaystyle p}$的交換算符，${\displaystyle i}$是虛數單位，${\displaystyle \hbar }$為約化普朗克常數，等於${\displaystyle h/2\pi }$。此一關係常歸功於馬克斯·玻恩，並且此式子暗示了以海森堡為名的不確定性原理。

與古典力學的關係

相對於量子力學，古典物理中所有可觀測量都可對易（交換），而交換算符會是零；然而仍然有類似的關係存在：需將交換子換成泊松括號，且常數${\displaystyle i\hbar }$換成${\displaystyle 1}$：

${\displaystyle \{x,p\}=1\,\!}$

這樣的觀察導致了保羅·狄拉克提出假設：一般來說，古典的觀測量${\displaystyle f,g}$其量子對應項${\displaystyle {\hat {f}},{\hat {g}}}$應滿足

${\displaystyle [{\hat {f}},{\hat {g}}]=i\hbar {\widehat {\{f,g\}}}\,}$。

於1927年，赫爾曼·外爾（Hermann Weyl）指出了量子算符與相空間中古典分布之間的對應關係並不成立。不過他倒是提出了一個機制，稱作魏爾量子化（Weyl quantization），為了一種稱作形變量子化（deformation quantization）的量子化方法提供了數學途徑。

延伸閱讀

• Fraleigh, John B., A First Course In Abstract Algebra 2nd, Reading: Addison-Wesley, 1976 [2020-04-07], ISBN 0-201-01984-1, （原始內容存檔於2021-07-09）
• Griffiths, David J., Introduction to Quantum Mechanics 2nd, Prentice Hall, 2004, ISBN 0-13-805326-X 含有內容需登入查看的頁面 (link)
• Herstein, I. N., Topics In Algebra 2nd, John Wiley & Sons, 1975
• Liboff, Richard L., Introductory Quantum Mechanics 4th, Addison-Wesley, 2003, ISBN 0-8053-8714-5
• McKay, Susan, Finite p-groups, Queen Mary Maths Notes 18, University of London, 2000, ISBN 978-0-902480-17-9, MR 1802994
• McMahon, D., Quantum Field Theory, USA: McGraw Hill, 2008, ISBN 978-0-07-154382-8

相關條目

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• 李導數
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