位力定理

(1) 经典力学中的位力 ( Virial ) 定理

r={x,y,z}\mathbf r=\{x,y,z\} 是位置矢量, V=V(x,y,z)V=V(x,y,z) 是势函数.

p22μ=12rV\left\langle \frac{p^2}{2\mu}\right\rangle =\frac{1}{2}\langle \mathbf r\cdot\nabla V\rangle

证明:

(rp)t=ddt(ripi)=dridtipi+ridpidt=vp+rF=2pp2μr(V)\begin{align*} \frac{\partial (\mathbf r\cdot\mathbf p)}{\partial t}&=\frac{\rm d}{\rm dt}(r_ip_i)\\ &=\frac{dr_i}{dt_i}p_i+r_i\frac{dp_i}{dt}\\ &=\mathbf v\cdot\mathbf p+\mathbf r\cdot\mathbf F\\ &=2\frac{\mathbf p\cdot\mathbf p }{2\mu}-\mathbf r\cdot(\nabla V) \end{align*}

同时对时间取平均值,

f(t)T10Tf(t)dt\langle f(t)\rangle\equiv T^{-1}\int_0^Tf(t)\mathrm{d}t

d(rp)dt=limT1T0Td(rp)dtdt=0=2p22μrVp22μT=12rV\begin{align*} \left\langle\frac{d(\mathbf r\cdot\mathbf p )}{dt} \right\rangle &= \lim_{T\to\infty}\frac{1}{T}\int_0^T\frac{d(\mathbf r\cdot\mathbf p)}{dt}dt\\ &=0=2\left\langle\frac{p^2}{2\mu}\right\rangle-\langle\mathbf r\cdot\nabla V\rangle \\ \Rightarrow\left\langle\frac{p^2}{2\mu}\right\rangle &\equiv\langle T\rangle =\frac{1}{2}\langle\mathbf r\cdot\nabla V\rangle \end{align*}

如果 V(x,y,z)=a1xα+a2yα+a3zαV(x,y,z)=a_1x^\alpha+a_2y^\alpha+a_3z^\alpha 是关于坐标的 α\alpha 次齐次函数, 则容易算出

rV=αV\mathbf r\cdot\nabla V=\alpha V\\

因此有 rV=αV\langle\mathbf r\cdot\nabla V\rangle=\alpha\langle V\rangle,
T=(α/2)V\langle T\rangle=(\alpha/2)\langle V\rangle. 进一步地, 设 HH 是哈密顿量,

H=T+V=α+22V\begin{align*} \langle H\rangle&=\langle T\rangle+\langle V\rangle\\ &=\frac{\alpha+2}{2}\langle V\rangle \end{align*}

整理一下,

H=α+22VT=α2V\begin{align*} \langle H\rangle &=\frac{\alpha+2}{2}\langle V\rangle \\ \langle T\rangle &=\frac{\alpha}{2}\langle V\rangle \\ \end{align*}

如果已经知道 H\langle H\rangle, 那么

V=2α+2HT=αα+2H\begin{align*} \langle V\rangle &= \frac{2}{\alpha+2}\langle H\rangle \\ \langle T\rangle &= \frac{\alpha}{\alpha+2}\langle H\rangle \\ \end{align*}

这便是位力定理.

比如在一维谐振子中, 已经知道了 V=(1/2)μω2x2V=(1/2)\mu\omega^2x^2 是坐标的二次齐次函数,所以有 V=T=(1/2)H\langle V\rangle=\langle T\rangle=(1/2)\langle H\rangle. 正是常规计算所得出的结果.

(2) 在量子力学中, 定理推导过程一致, 只需要将H,T,VH,T,V 换成相应算符即可.