交換子

在抽象代数中，一个群的交換子（commutator）或换位子是一个二元運算子。设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 ]。只有当g和h符合交换律（即gh = hg）时他们的交换子才是这个群的单位元。

一个群G的全部交换子生成的子群叫做群G的导群，记作D(G)。

群論

群G中两个元素g和h的交换子为元素

[g, h] = g⁻¹h⁻¹gh

它等于群的幺元当且仅当g和h可交换（即gh = hg）。

環論

环或结合代数上两个元素a和b的交换子定义为：

${\displaystyle [a,b]=ab-ba.}$ 

量子力學

量子力学中，经常用到对易关系（commutation relation），即

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

其中；${\displaystyle {\hat {A}}}$ 、${\displaystyle {\hat {B}}}$ 均为量子力学的算符，${\displaystyle [{\hat {A}},{\hat {B}}]}$ 是其对易算符，也称交换子。

如果上式等于零，则称${\displaystyle {\hat {A}}}$ 、${\displaystyle {\hat {B}}}$ 是对易的，即意味着${\displaystyle {\hat {A}}}$ 和${\displaystyle {\hat {B}}}$ 两个算符的运算顺序可以调换。反之则称非对易的，运算顺序不可以调换。

量子力學中，交換子有以下特性:

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

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

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

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

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

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

量子力学中的各个力学量之间，常用的对易关系有：

以下，${\displaystyle {\hat {x}}}$ 是位置算符、${\displaystyle {\hat {p}}}$ 是动量算符、${\displaystyle {\hat {L}}}$ 是角动量算符（包括轨道角动量、自旋角动量等），而${\displaystyle \delta _{ij}}$ 是克罗内克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三个方向中的任意一个。

对易关系	更具体的形式
${\displaystyle [{\hat {x}}_{i},{\hat {x}}_{j}]=0}$	${\displaystyle [{\hat {x}},{\hat {x}}]=0}$ 、${\displaystyle [{\hat {x}},{\hat {y}}]=0}$
${\displaystyle [{\hat {p}}_{i},{\hat {p}}_{j}]=0}$	${\displaystyle [{\hat {p}}_{x},{\hat {p}}_{x}]=0}$ 、${\displaystyle [{\hat {p}}_{x},{\hat {p}}_{y}]=0}$
${\displaystyle [{\hat {x}}_{i},{\hat {p}}_{j}]=i\hbar \delta _{ij}}$	${\displaystyle [{\hat {x}},{\hat {p}}_{x}]=i\hbar }$ 、${\displaystyle [{\hat {x}},{\hat {p}}_{y}]=0}$ 、${\displaystyle [{\hat {y}},{\hat {p}}_{x}]=0}$ 、${\displaystyle [{\hat {y}},{\hat {p}}_{y}]=i\hbar }$
${\displaystyle [{\hat {L}}_{i},{\hat {L}}_{j}]=i\hbar \epsilon _{ijk}{\hat {L}}_{k}}$	${\displaystyle [{\hat {L}}_{x},{\hat {L}}_{y}]=i\hbar {\hat {L}}_{z}}$ 、${\displaystyle [{\hat {L}}_{y},{\hat {L}}_{z}]=i\hbar {\hat {L}}_{x}}$ 、${\displaystyle [{\hat {L}}_{z},{\hat {L}}_{x}]=i\hbar {\hat {L}}_{y}}$

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，赫尔曼·外尔（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。

延伸阅读

• Fraleigh, John B., 2nd, Reading: Addison-Wesley, 1976 [2020-04-07], ISBN 0-201-01984-1, （原始内容存档于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

• 正則量子化
• 正則變換
• 李導數
• 群
• 李代數
• 泊松括號
• 雅可比恆等式