Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Глава 2. УРАВНЕНИЕ ДИРАКАПриступая к построению полностью релятивистской механики, мы будем следовать исторически сложившемуся пути и начнем с построения одночастичной теории. Мы введем уравнения Клейна—Гордона и Дирака и укажем область их применимости. В качестве приложений рассмотрим электромагнитное взаимодействие, релятивистский спектр атома водорода и кулоновское рассеяние. Дырочная интерпретация состояний с отрицательной энергией в терминах античастиц требует новой формулировки, так называемого вторичного квантования, представляющего собой теорию многих частиц. 2.1. РЕЛЯТИВИСТСКОЕ ВОЛНОВОЕ УРАВНЕНИЕ2.1.1, Квантовая механика и релятивизмНаша первая цель — это попытаться совместить принципы квантовой механики и релятивистской инвариантности, а именно построить лоренц-ковариантное волновое уравнение. На этом пути мы встретим все увеличивающиеся трудности и противоречия, которые в конечном счете заставят нас полностью пересмотреть наши физические представления. В квантовой механике состояния системы представляются нормированными векторами
или что эквивалентно, уравнением
где Н — самосопряженный оператор,
Часто встречаются случаи, когда система инвариантна относительно определенных преобразований симметрий, например преобразований внешних сил. Теорема Вигнера гласит, что такие преобразования представляются унитарными (или антиунитарными) операторами, которые отображают гильбертово пространство на себя, сохраняют модуль скалярного произведения и коммутируют с Н. С другой стороны, специальная теория относительности утверждает, что законы природы не зависят от выбора системы отсчета, если только последняя принадлежит к классу «галилеевых систем», получаемых одна из другой с помощью преобразований группы Пуанкаре. Эта группа содержит пространственные и временные трансляции, обычные пространственные вращения и лоренцевы вращения (или бусты), которые связывают системы, движущиеся с постоянной относительной скоростью (см. гл. 1). Скорость света с является абсолютной верхней границей для скорости любого сигнала. Сигнал, исходящий из пространственно-временной точки
Это — релятивистское условие причинности. Для скоростей же, много меньших скорости с, надежным приближением остается галилеева механика. При построении релятивистского и квантового описания точечной частицы можно ожидать некоторых осложнений. Действительно, релятивизм сопоставляет частице с массой точностью, потребуется энергия (импульс) того же порядка, что и масса покоя Тем самым допускается рождение новых частиц. Мы с неизбежностью приходим к понятию античастицы. Тем не менее для некоторой промежуточной области релятивистская квантовая механика вполне правомерна, что подтверждается ее последующим развитием. Чтобы согласовать условие релятивистской инвариантности с квантовой механикой, обратимся к принципу соответствия. В обычном конфигурационном представлении квантовой механики мы связываем операторы
Если не будет специальных оговорок, мы будем использовать систему единиц, в которой Тем же способом, каким принцип соответствия преобразует соотношение (2.2а) в уравнение Шредингера для волновой функции
в релятивистском случае этот принцип преобразует соотношение (2.26) в уравнение Клейна—Гордона:
Хотя это уравнение отличается от уравнения Шредингера, (2.1), его можно написать в аналогичном виде, если ввести матричные обозначения. Определим следующие величины:
тогда вектор
для соответствующего набора эрмитовых матриц размерностью Если интерпретировать непрерывности
в котором четыре-вектор
Интегральная форма уравнения (2.4) записывается в виде
откуда следует, что изменение полного «заряда» внутри объема V соответствует потоку плотности j через поверхность Еще одна проблема возникает, когда мы обнаруживаем существование решений с отрицательной энергией. Любая функция, имеющая вид плоской волны
удовлетворяет уравнению (2.3) при условии, что Эти доводы казались в свое время такими непреодолимыми, что заставили Дирака ввести другое уравнение. Хотя новому уравнению отвечает положительная норма, мы здесь с необходимостью столкнемся с той же самой проблемой физической интерпретации состояний с отрицательной энергией. На этом этапе мы вернемся к уравнению Клейна—Гордона и переформулируем нашу релятивистскую квантовую механику как теорию многих тел, в которой состояния с отрицательной энергией могут быть интерпретированы как античастицы.
|
1 |
Оглавление
|