§ 2. Квантовая механика поля излучения

Наше рассмотрение мы начнем с квантовой механики поля излучения в пустом пространстве. В условиях вакуума полное действие содержит лишь часть, связанную с полем излучения

,                   (9.34)

которая имеет вид (9.31) и, очевидно, соответствует действию  для совокупности гармонических осцилляторов. В гл. 8 уже рассматривался ряд примеров с выражениями типа (9.31).

Предположим, что к квантовой электродинамике можно перейти, рассмотрев эти осцилляторы как квантовомеханические; справедливость такого допущения тоже обсуждалась нами в гл. 8. Каждому значению  в нашей системе соответствуют две бегущие волны с поляризацией 1 и 2 и частотой . Для каждой из этих волн (например, волны с амплитудой ) возможные энергетические уровни будут равны

,              (9.35)

где  - произвольное положительное целое число или нуль.

Если , то говорят, что имеется один фотон с поляризацией 1 и импульсом . В общем случае мы имеем  таких фотонов, и энергия каждого из них равна .

Задача 9.5. Пусть импульс электромагнитного поля задается в виде . Покажите, что в вакууме (при этом ) последнее выражение равно .

Позднее, при рассмотрении взаимодействия вещества с полем излучения, обнаружится, что вещество излучает или поглощает энергию отдельными фотонами с энергией . Это, очевидно, согласуется с первоначальной гипотезой Планка.

Тот факт, что -е состояние осциллятора можно рассматривать как совокупность  «частиц» или «фотонов», кажется очень поразительным и неожиданным; однако значения энергии в обоих описаниях совпадают. Вместе с тем существует одно обстоятельство, на которое стоит обратить внимание до того, как мы начнем описывать поведение совокупности частиц состояниями осциллятора. Допустим, что из всех чисел  отличны от нуля лишь два (например, , ). Эту ситуацию мы вправе интерпретировать двумя фотонами, один из которых находится в состоянии , а другой - в состоянии . Однако при таком подходе существуют два допустимых описания, отвечающих одной и той же энергии; в самом деле, ничто не мешает нам считать, что первый фотон находится в состоянии , а второй - в состоянии . Чтобы найти выход из этого положения, рассмотрим конкретный пример. Пусть мы имеем две -частицы, координаты которых обозначим соответственно через  и ; состояние частицы  будем описывать функцией , а частицы  - функцией . Тогда волновая функция системы выражалась бы функцией двух переменных:

.                       (9.36)

Обратной ситуации, когда частица  находится в состоянии , а частица  - в состоянии , соответствует другая волновая функция:

,                       (9.37)

которая, вообще говоря, отличается от первой. Но если наши частицы полностью тождественны, как это имеет место в случае -частиц, то эти два состояния неразличимы. Мы уже говорили в гл. 1, что в квантовой механике должно быть правило (не зависящее от уравнения Шредингера), согласно которому амплитуды для двух случаев, различающихся лишь перестановкой -частиц, всегда следует суммировать. При этом система описывается единственной волновой функцией

               (9.38)

(нормированной соответствующим образом: если  и  ортонормальны, то нормировочная константа равна ; если же они равны и нормированы, то эта константа равна 1/2). Вообще  для -частиц и всех других частиц, подчиняющихся статистике Бозе. Система двух таких частиц всегда описывается единственным образом, и при этом не различается, какая именно из них находится в состоянии , а какая в состоянии .

Нетрудно видеть, что все наши выводы согласуются между собой, если мы будем рассматривать набор возбужденных состояний осциллятора как набор фотонов, а сами фотоны считать бозе-частицами. Тогда единичное состояние ,  соответствует ситуации, когда имеются два фотона - один в состоянии , а другой в состоянии . Их перестановка не приводит к новому состоянию.

Для электронов с параллельными спинами или для других тождественных ферми-частиц амплитуды, наоборот, вычитаются:

               (9.39)

Волновая функция системы двух ферми-частиц всегда антисимметрична: . Поэтому такая система не безразлична по отношению к перестановке частиц. В самом деле, если в формуле (9.39) положить , то получим . К фотонам и -частицам это не относится; подобный случай у фотонов соответствует состояниям осциллятора с .

Можно указать один частный случай, когда с помощью некоторой идеализации электромагнитное поле в присутствии вещества удается описать ненамного сложнее, чем поле в вакууме. Это случай полого резонатора (или волновода), стенки которого можно считать идеально проводящими. Как хорошо известно из классической теории, при этом возникает набор мод с более или менее сложным распределением электромагнитных полей. Классическая функция действия и в этом случае сводится к функции действия для совокупности свободных осцилляторов, но переменные здесь представляют собой амплитуды различных мод, а не амплитуды плоских бегущих волн. Далее эти осцилляторы квантуются, и можно говорить о числе фотонов, соответствующем каждой моде.