~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Arc.Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Номер скриншота №:
✰ 63B113D7E6974A4D1CC1A58529014420__1716296520 ✰
Заголовок документа оригинал.:
✰ Relativistic wave equations - Wikipedia ✰
Заголовок документа перевод.:
✰ Релятивистские волновые уравнения — Википедия ✰
Снимок документа находящегося по адресу (URL):
✰ https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_field_equations ✰
Адрес хранения снимка оригинал (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/63/20/63b113d7e6974a4d1cc1a58529014420.html ✰
Адрес хранения снимка перевод (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/63/20/63b113d7e6974a4d1cc1a58529014420__translat.html ✰
Дата и время сохранения документа:
✰ 15.06.2024 16:34:29 (GMT+3, MSK) ✰
Дата и время изменения документа (по данным источника):
✰ 21 May 2024, at 16:02 (UTC). ✰ 

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Сервисы Ask3.ru: 
 Архив документов (Снимки документов, в формате HTML, PDF, PNG - подписанные ЭЦП, доказывающие существование документа в момент подписи. Перевод сохраненных документов на русский язык.)https://arc.ask3.ruОтветы на вопросы (Сервис ответов на вопросы, в основном, научной направленности)https://ask3.ru/answer2questionТоварный сопоставитель (Сервис сравнения и выбора товаров) ✰✰
✰ https://ask3.ru/product2collationПартнерыhttps://comrades.ask3.ru


Совет. Чтобы искать на странице, нажмите Ctrl+F или ⌘-F (для MacOS) и введите запрос в поле поиска.
Arc.Ask3.ru: далее начало оригинального документа

Релятивистские волновые уравнения — Википедия Jump to content

Релятивистские волновые уравнения

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В физике , особенно в релятивистской квантовой механике (РКМ) и ее приложениях к физике элементарных частиц , релятивистские волновые уравнения предсказывают поведение частиц при высоких энергиях и скоростях , сравнимых со скоростью света . В контексте квантовой теории поля (КТП) уравнения определяют динамику квантовых полей . Решения уравнений, обычно обозначаемые как ψ или Ψ ( греческий psi ), называются « волновыми функциями » в контексте RQM и « полями » в контексте QFT. Сами уравнения называются «волновыми уравнениями» или «уравнениями поля», потому что они имеют математическую форму волнового уравнения или генерируются из лагранжевой плотности и теоретико-полевых уравнений Эйлера – Лагранжа ( см. в классической теории поля предысторию ).

В картине Шредингера волновая функция или поле является решением уравнения Шрёдингера ;

один из постулатов квантовой механики . Все релятивистские волновые уравнения можно построить, задав различные формы гамильтонова оператора Ĥ, описывающего квантовую систему . Альтернативно, использует Фейнмана формулировка интеграла по траекториям лагранжиан, а не гамильтонов оператор.

В более общем плане – современный формализм, лежащий в основе релятивистских волновых уравнений, – это теория групп Лоренца , в которой спин частицы соответствует представлениям группы Лоренца . [1]

История [ править ]

: классическая и квантовая механика годов Начало 1920- х

Неудача классической механики применительно к молекулярным , атомным , ядерным системам и более мелким системам вызвала необходимость в новой механике: квантовой механике . Математическая формулировка была разработана Де Бройлем , Бором , Шрёдингером , Паули , Гейзенбергом и другими примерно в середине 1920-х годов и в то время была аналогична формулировке классической механики. Уравнение Шредингера и картина Гейзенберга напоминают классические уравнения движения в пределе больших квантовых чисел , а поскольку приведенная постоянная Планка ħ , квант действия , стремится к нулю. Это принцип соответствия . На тот момент специальная теория относительности не была полностью объединена с квантовой механикой, поэтому формулировки Шредингера и Гейзенберга в том виде, в котором они первоначально предлагались, не могли использоваться в ситуациях, когда частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света , или когда число частиц каждого типа изменения (это происходит при реальных взаимодействиях частиц ; многочисленные формы распада частиц , аннигиляции , создания материи , рождения пар , и так далее).

Конец 1920-х годов: релятивистская квантовая механика спина 0 и спина 1 / 2 частицы [ править ]

Описание квантово-механических систем, которые могли бы объяснить релятивистские эффекты, искали многие физики-теоретики с конца 1920-х до середины 1940-х годов. [2] Первая основа релятивистской квантовой механики , то есть специальной теории относительности, применяемой вместе с квантовой механикой, была найдена всеми теми, кто открыл то, что часто называют уравнением Клейна-Гордона :

( 1 )

вставив оператор энергии и оператор импульса в релятивистское соотношение энергия-импульс :

( 2 )

Решениями ( 1 ) являются скалярные поля . Уравнение КГ нежелательно из-за того, что оно предсказывает отрицательные энергии и вероятности в результате квадратичного характера ( 2 ) – неизбежного в релятивистской теории. Первоначально это уравнение было предложено Шредингером, и он отказался от него по таким причинам только для того, чтобы через несколько месяцев осознать, что его нерелятивистский предел (то, что сейчас называется уравнением Шредингера ) все еще имеет значение. Тем не менее ( 1 ) применимо к бозонам со спином 0 . [3]

Ни нерелятивистские, ни релятивистские уравнения, найденные Шрёдингером, не могли предсказать тонкую структуру спектрального ряда водорода . Загадочным основным свойством было вращение . Первые двумерные спиновые матрицы (более известные как матрицы Паули ) были введены Паули в уравнение Паули ; уравнение Шредингера с нерелятивистским гамильтонианом, включающим дополнительный член для частиц в магнитных полях , но это было феноменологически . Вейль нашел релятивистское уравнение в терминах матриц Паули; уравнение Вейля для безмассового спин- 1/2 фермиона . Проблема была решена Дираком в конце 1920-х годов, когда он добился дальнейшего применения уравнения ( 2 ) к электрону – путем различных манипуляций он факторизовал уравнение к виду:

( )

и одним из этих факторов является уравнение Дирака (см. ниже) после добавления операторов энергии и импульса. Впервые это ввело новые четырехмерные спиновые матрицы α и β в релятивистское волновое уравнение и объяснило тонкую структуру водорода. Решениями ( ) являются многокомпонентные спинорные поля , и каждая компонента удовлетворяет ( 1 ). Замечательным результатом спинорных решений является то, что половина компонентов описывает частицу, а другая половина — античастицу ; в данном случае электрон и позитрон . Теперь известно, что уравнение Дирака применимо ко всем массивным спиновым 1/2 фермиона . В нерелятивистском пределе уравнение Паули восстанавливается, тогда как в безмассовом случае получается уравнение Вейля.

Хотя уравнение Дирака является вехой в квантовой теории, оно справедливо только для спин- 1/2 фермионов, и до сих пор предсказывает решения с отрицательной энергией, что вызвало в то время споры (в частности , не всех физиков устраивало « море Дирака » состояний с отрицательной энергией).

1930–1960-е годы: релятивистская квантовая механика частиц с спином высоким более

Стала ясна естественная задача: обобщить уравнение Дирака на частицы любого спина ; как фермионы, так и бозоны, и в тех же уравнениях их античастицы (возможно, благодаря спинорному формализму, введенному Дираком в его уравнение, а также недавним на тот момент разработкам Ван дер Вардена в спинорном исчислении в 1929 году), и в идеале с решениями с положительной энергией. [2]

Эта проблема была введена и решена Майораной в 1932 году путем отклонения от Дирака. Майорана считал один «корень» ( ):

( )

где ψ — теперь спинорное поле с бесконечным числом компонент, несводимое к конечному числу тензоров или спиноров, чтобы устранить неопределенность в знаке. Матрицы преобразованиями α и β являются бесконечномерными матрицами, связанными с бесконечно малыми Лоренца . Он не требовал, чтобы каждый компонент 3B удовлетворял уравнению ( 2 ); вместо этого он восстановил уравнение, используя лоренц-инвариантное действие , принцип наименьшего действия и применение теории групп Лоренца . [4] [5]

Майорана сделал и другие важные работы, которые не были опубликованы, включая волновые уравнения различных размерностей (5, 6 и 16). Позднее они были предвосхищены (более сложным образом) де Бройлем (1934), а Даффином, Кеммером и Петио (около 1938–1939) (см. « Алгебра Даффина – Кеммера – Петио») . Формализм Дирака-Фирца-Паули был более сложным, чем формализм Майораны, поскольку спиноры были новыми математическими инструментами в начале двадцатого века, хотя статью Майораны 1932 года было трудно полностью понять; Паули и Вигнеру потребовалось некоторое время, чтобы понять это, примерно в 1940 году. [2]

Дирак в 1936 году, а также Фирц и Паули в 1939 году построили уравнения из неприводимых спиноров A и B , симметричных по всем индексам, для массивной частицы со спином n + 1 2 для целого числа n ( обозначениях Ван дер Вардена значение пунктирных индексов см. в ):

( )
( )

где p — импульс как ковариантный спинорный оператор. При n = 0 уравнения сводятся к связанным уравнениям Дирака, а A и B вместе преобразуются в исходный спинор Дирака . Исключение A или B показывает, что A и B удовлетворяют ( 1 ). [2] Прямой вывод уравнений Дирака-Паули-Фирца с использованием операторов Баргмана-Вигнера приведен в . [6]

В 1941 году Рарита и Швингер сосредоточились на спиннинге. 3 2 частиц и вывел уравнение Рариты-Швингера , включая лагранжиан для его генерации, а позже обобщил уравнения, аналогичные спину n + 1 2 для целого числа n . статью Майораны 1932 года В 1945 году Паули предложил Бхабхе , который вернулся к общим идеям, введенным Майораной в 1932 году. Бхабха и Любански предложили совершенно общую систему уравнений, заменив массовые члены в ( 3A ) и ( 3B ) произвольной константой. , при соблюдении ряда условий, которым должны подчиняться волновые функции. [7]

Наконец, в 1948 году (в том же году, когда была сформулирована формулировка Фейнмана для интеграла по траекториям ) Баргманн и Вигнер сформулировали общее уравнение для массивных частиц, которые могли иметь любой спин, рассмотрев уравнение Дирака с полностью симметричным спинором с конечными компонентами. и используя теорию групп Лоренца (как это сделал Майорана): уравнения Баргмана-Вигнера . [2] [8] была сделана переформулировка уравнений Баргмана-Вигнера В начале 1960-х годов Х. Йосом и Стивеном Вайнбергом уравнение Йоса-Вайнберга . Различные теоретики в это время проводили дальнейшие исследования релятивистских гамильтонианов для частиц с более высоким спином. [1] [9] [10]

1960-е – настоящее время [ править ]

Релятивистское описание спиновых частиц было сложной проблемой в квантовой теории. Это все еще остается областью современных исследований, поскольку проблема решена лишь частично; включение взаимодействий в уравнения проблематично, и парадоксальные предсказания (даже из уравнения Дирака) все еще присутствуют. [5]

Линейные уравнения [ править ]

Следующие уравнения имеют решения, которые удовлетворяют принципу суперпозиции , то есть волновые функции аддитивны .

Повсюду используются стандартные соглашения о нотации тензорного индекса и косой чертой Фейнмана , включая греческие индексы, которые принимают значения 1, 2, 3 для пространственных компонентов и 0 для времениподобной компоненты индексированных величин. Волновые функции обозначаются ψ , а µ — компоненты четырехградиентного оператора.

В матричных уравнениях матрицы Паули обозначаются σ м в котором µ = 0, 1, 2, 3 , где σ 0 2 × 2 единичная матрица размера :

а остальные матрицы имеют свои обычные представления. Выражение
размера 2 × 2 матричный оператор , действующий на 2-компонентные спинорные поля .

Гамма -матрицы обозначаются γ м , в котором снова µ = 0, 1, 2, 3 и есть несколько представлений для выбора. Матрица γ 0 является не обязательно 4 × 4 единичной матрицей . Выражение

размера 4 × 4 матричный оператор , действующий на 4-компонентные спинорные поля .

Обратите внимание, что такие термины, как скаляр « mc » , умножают единичную матрицу соответствующего размера , распространенные размеры — 2 × 2 или 4 × 4 , и обычно для простоты их не пишут.

частицы Квантовое число спина s Имя Уравнение Типичные частицы, которые описывает уравнение
0 Уравнение Клейна – Гордона Безмассовая или массивная частица со спином 0 (например, бозон Хиггса ).
1/2 Уравнение Вейля Безмассовые частицы со спином 1/2.
Уравнение Дирака Массивные частицы со спином 1/2 (например, электроны ).
Уравнения Дирака двух тел

Массивные частицы со спином 1/2 (например, электроны ).
Уравнение Майораны Массивные майорановские частицы .
Широкое уравнение Две массивные частицы со спином 1/2 (такие как электроны ), взаимодействующие электромагнитно в первом порядке теории возмущений.
1 Уравнения Максвелла КЭД с использованием калибровки Лоренца ) Фотоны , безмассовые частицы со спином 1.
Уравнение Прока Массивная частица со спином 1 (например, W- и Z-бозоны ).
3/2 Уравнение Рариты – Швингера Массивные частицы со спином 3/2.
с Уравнения Баргмана – Вигнера.

где ψ ранга 2 4-компонентный спинор .

Свободные частицы произвольного спина (бозоны и фермионы). [9] [11]
Уравнение Йооса – Вайнберга Свободные частицы произвольного спина (бозоны и фермионы).

Поля линейных датчиков [ править ]

Уравнение Даффина -Кеммера-Петио представляет собой альтернативное уравнение для частиц со спином 0 и спином 1:

Построение RWE [ править ]

энергия- импульс соотношения Использование 4-векторов и

Начните со стандартной специальной теории относительности 4-векторной (СТО).

  • 4-позиционный
  • 4-скоростной
  • 4-импульс
  • 4-волновой вектор
  • 4-градиент

Обратите внимание, что каждый 4-вектор связан с другим скаляром Лоренца :

Теперь просто примените стандартное правило скалярного произведения Лоренца к каждому из них:

Последнее уравнение представляет собой фундаментальное квантовое соотношение.

Применительно к скалярному полю Лоренца , получаем уравнение Клейна-Гордона, самое основное из квантовых релятивистских волновых уравнений.

  • : в 4-векторном формате
  • : в тензорном формате
  • : в факторизованном тензорном формате

Уравнение Шрёдингера малых скоростей — это предельный случай ( v c ) уравнения Клейна–Гордона .

Когда соотношение применяется к четырехвекторному полю вместо скалярного поля Лоренца , то получаем уравнение Прока калибровке Лоренца ):

Если член массы покоя равен нулю (светоподобные частицы), то это дает свободное уравнение Максвелла калибровке Лоренца )

Представления группы Лоренца [ править ]

При правильном ортохронном преобразовании Лоренца x → Λ x в пространстве Минковского все одночастичные квантовые состояния ψ дж σ спина j с z-компонентой спина σ локально преобразуется при некотором представлении D группы Лоренца : [12] [13]

где D (Λ) — некоторое конечномерное представление, т. е. матрица. Здесь ψ рассматривается как вектор-столбец , содержащий компоненты с разрешенными значениями σ . Квантовые числа j и σ , а также другие метки, непрерывные или дискретные, представляющие другие квантовые числа, подавляются. Одно значение σ может встречаться более одного раза в зависимости от представления. представления с несколькими возможными значениями j Ниже рассматриваются .

Неприводимые представления помечены парой полуцелых или целых чисел ( A , B ) . Из них все остальные представления могут быть построены с использованием различных стандартных методов, таких как взятие тензорных произведений и прямых сумм . В частности, пространство-время само представляет собой 4-векторное представление ( 1 / 2 , 1/2 , ) так что Λ ∈ D (1/2, 1/2) . Чтобы поместить это в контекст; Спиноры Дирака преобразуются под действием ( 1 / 2 , 0) ⊕ (0, 1/2 ) . представительство В общем, ( A , B ) пространство представления имеет подпространства , которые под подгруппой пространственных вращений преобразуются неприводимо , SO(3) как объекты спина j , где каждое допустимое значение:

происходит ровно один раз. [14] В общем, тензорные произведения неприводимых представлений приводимы; они разлагаются как прямые суммы неприводимых представлений.

Представления D ( Дж , 0) и Д (0, Дж ) может каждая по отдельности представлять частицы спина j . Состояние или квантовое поле в таком представлении не будет удовлетворять никакому уравнению поля, кроме уравнения Клейна – Гордона.

Нелинейные уравнения [ править ]

Существуют уравнения, решения которых не удовлетворяют принципу суперпозиции.

Нелинейные измерительные поля [ править ]

Вращение 2 [ править ]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б Т. Ярошевич; П. С. Курзепа (1992). «Геометрия пространственно-временного распространения вращающихся частиц». Анналы физики . 216 (2): 226–267. Бибкод : 1992AnPhy.216..226J . дои : 10.1016/0003-4916(92)90176-М .
  2. ^ Перейти обратно: а б с д Это С. Эспозито (2011). «В поисках уравнения: Дирак, Майорана и другие». Анналы физики . 327 (6): 1617–1644. arXiv : 1110.6878 . Бибкод : 2012AnPhy.327.1617E . дои : 10.1016/j.aop.2012.02.016 . S2CID   119147261 .
  3. ^ Б. Р. Мартин, Г. Шоу (2008). Физика частиц . Манчестерская серия по физике (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 3 . ISBN  978-0-470-03294-7 .
  4. ^ Р. Казальбуони (2006). «Майорана и волновые уравнения с бесконечными компонентами». Пос Эмс . 2006 : 004. arXiv : hep-th/0610252 . Бибкод : 2006hep.th...10252C .
  5. ^ Перейти обратно: а б Х. Бекарт; г-н Траубенберг; М. Валенсуэла (2009). «Бесконечный супермультиплет массивных полей с более высоким спином». Журнал физики высоких энергий . 2009 (5): 118. arXiv : 0904.2533 . Бибкод : 2009JHEP...05..118B . дои : 10.1088/1126-6708/2009/05/118 . S2CID   16285006 .
  6. ^ А.П. Исаев; М.А. Подойницын (2018). «Двухспинорное описание массивных частиц и релятивистские операторы проекции спина» . Ядерная физика Б . 929 : 452–484. arXiv : 1712.00833 . Бибкод : 2018НуФБ.929..452И . doi : 10.1016/j.nuclphysb.2018.02.013 . S2CID   59582838 .
  7. ^ Р.К. Лойде; И. Отс; Р. Саар (1997). «Релятивистские волновые уравнения Бхабхи». Журнал физики A: Математический и общий . 30 (11): 4005–4017. Бибкод : 1997JPhA...30.4005L . дои : 10.1088/0305-4470/30/11/027 .
  8. ^ Баргманн, В.; Вигнер, EP (1948). «Групповое теоретическое обсуждение релятивистских волновых уравнений» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 34 (5): 211–23. Бибкод : 1948PNAS...34..211B . дои : 10.1073/pnas.34.5.211 . ПМК   1079095 . ПМИД   16578292 .
  9. ^ Перейти обратно: а б Э.А. Джеффри (1978). «Минимизация компонентов волновой функции Баргмана – Вигнера» . Австралийский физический журнал . 31 (2): 137–149. Бибкод : 1978AuJPh..31..137J . дои : 10.1071/ph780137 .
  10. ^ РФ Гертен (1974). «Релятивистские гамильтоновы уравнения для любого спина». Анналы физики . 88 (2): 504–553. Бибкод : 1974АнФиз..88..504Г . дои : 10.1016/0003-4916(74)90180-8 .
  11. ^ Р. Кларксон, DGC McKeon (2003). «Квантовая теория поля» (PDF) . стр. 61–69. Архивировано из оригинала (PDF) 30 мая 2009 г.
  12. ^ Вайнберг, С. (1964). «Правила Фейнмана для любого вращения» (PDF) . Физ. Преподобный . 133 (5Б): Б1318–Б1332. Бибкод : 1964PhRv..133.1318W . дои : 10.1103/PhysRev.133.B1318 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 марта 2022 г. Проверено 29 декабря 2016 г. ; Вайнберг, С. (1964). «Правила Фейнмана для любого спина. II. Безмассовые частицы» (PDF) . Физ. Преподобный . 134 (4Б): Б882–Б896. Бибкод : 1964PhRv..134..882W . дои : 10.1103/PhysRev.134.B882 . Архивировано из оригинала (PDF) 9 марта 2022 г. Проверено 29 декабря 2016 г. ; Вайнберг, С. (1969). «Правила Фейнмана для любого вращения. III» (PDF) . Физ. Преподобный . 181 (5): 1893–1899. Бибкод : 1969PhRv..181.1893W . дои : 10.1103/PhysRev.181.1893 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 марта 2022 г. Проверено 29 декабря 2016 г.
  13. ^ К. Масакацу (2012). «Проблема сверхизлучения бозонов и фермионов для вращающихся черных дыр в формулировке Баргмана – Вигнера». arXiv : 1208.0644 [ gr-qc ].
  14. ^ Вайнберг, С. (2002), «5» , Квантовая теория полей, том I , стр. [1] , ISBN  0-521-55001-7

Дальнейшее чтение [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец оригинального документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 63B113D7E6974A4D1CC1A58529014420__1716296520
URL1:https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_field_equations
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Relativistic wave equations - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть, любые претензии не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, денежную единицу можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)