位力定理
(1) 经典力学中的位力 ( Virial ) 定理
令 r={x,y,z} 是位置矢量, V=V(x,y,z) 是势函数.
⟨2μp2⟩=21⟨r⋅∇V⟩
证明:
∂t∂(r⋅p)=dtd(ripi)=dtidripi+ridtdpi=v⋅p+r⋅F=22μp⋅p−r⋅(∇V)
同时对时间取平均值,
⟨f(t)⟩≡T−1∫0Tf(t)dt
⟨dtd(r⋅p)⟩⇒⟨2μp2⟩=T→∞limT1∫0Tdtd(r⋅p)dt=0=2⟨2μp2⟩−⟨r⋅∇V⟩≡⟨T⟩=21⟨r⋅∇V⟩
如果 V(x,y,z)=a1xα+a2yα+a3zα 是关于坐标的 α 次齐次函数, 则容易算出
r⋅∇V=αV
因此有 ⟨r⋅∇V⟩=α⟨V⟩,
即 ⟨T⟩=(α/2)⟨V⟩. 进一步地, 设 H 是哈密顿量,
⟨H⟩=⟨T⟩+⟨V⟩=2α+2⟨V⟩
整理一下,
⟨H⟩⟨T⟩=2α+2⟨V⟩=2α⟨V⟩
如果已经知道 ⟨H⟩, 那么
⟨V⟩⟨T⟩=α+22⟨H⟩=α+2α⟨H⟩
这便是位力定理.
比如在一维谐振子中, 已经知道了 V=(1/2)μω2x2 是坐标的二次齐次函数,所以有 ⟨V⟩=⟨T⟩=(1/2)⟨H⟩. 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,V 换成相应算符即可.