Релятивистские волновые уравнения
Часть серии статей о |
Квантовая механика |
---|
Квантовая теория поля |
---|
![]() |
История |
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 ;
В более общем смысле – современный формализм, лежащий в основе релятивистских волновых уравнений, – это теория групп Лоренца , в которой спин частицы соответствует представлениям группы Лоренца . [1]
История [ править ]
-х: Классическая и квантовая механика Начало 1920
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. и Уравнение Шрёдингера 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, как первоначально предлагалось, 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, которое могло 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 его предсказания отрицательных энергий и вероятностей 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 понять, 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 Шредингером, 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:
( 3А ) |
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 ( 3А ) 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 важной 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).
-е годы: релятивистская квантовая механика частиц с более спином высоким 1930–1960
Стала ясна естественная задача: обобщить уравнение Дирака на частицы любого спина ; как фермионы, так и бозоны, и в тех же уравнениях их античастицы (возможно, из-за спинорного формализма, введенного Дираком в его уравнение, а также недавних на тот момент разработок спинорного исчисления Ван дер Вардена 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» ( 3А ):
( 3Б ) |
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 ( Ван дер Вардена значение пунктирных индексов см. в обозначениях ):
( 4А ) |
( 4Б ) |
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 обозначения тензорных индексов и косой черты Фейнмана , включая греческие индексы, которые принимают значения 1, 2, 3 для пространственных компонентов и 0 для времениподобных компонентов 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 — размера 2 × 2 единичная матрица :
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
Обратите внимание, что такие термины, как скаляр « mc », умножают единичную матрицу соответствующего измерения , общие 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 (в 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 Использование 4-векторов и соотношения - импульс
Начните со стандартной 4-векторной специальной теории относительности (СТО).
Обратите внимание, что каждый 4-вектор связан с другим скаляром Лоренца :
- , где самое подходящее время
- , где это масса покоя
- , который представляет собой 4-векторную версию соотношения Планка–Эйнштейна и де Бройля . материи волнового соотношения
- , который представляет собой 4-градиентную версию комплексных плоских волн
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 (в калибровке Лоренца ):
Если член массы покоя равен нулю (светоподобные частицы), то это дает свободное уравнение Максвелла (в 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]
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 что Λ ) так, ∈ D (1/2, 1/2) . Чтобы поместить это в контекст; Спиноры Дирака преобразуются под действием ( 1 / 2 , 0) ⊕ (0, 1/2 представительство ) . В общем, пространство представления ( A , B ) имеет подпространства которые под подгруппой пространственных вращений , SO(3) преобразуются неприводимо, как объекты спина j , где каждое допустимое значение:
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 ]
- Уравнение Янга – Миллса : описывает неабелевое калибровочное поле.
- Уравнения Янга – Миллса – Хиггса : описывают неабелевое калибровочное поле, связанное с массивной частицей со спином 0.
Вращение 2 [ править ]
- Уравнения поля Эйнштейна : описывают взаимодействие материи с гравитационным полем (безмассовое поле со спином 2): Решением является метрическое тензорное поле , а не волновая функция.
См. также [ править ]
- Список уравнений ядерной физики и физики элементарных частиц
- Список уравнений квантовой механики
- Преобразование Лоренца
- Математические описания электромагнитного поля
- Минимальная связь
- Скалярная теория поля
- Статус специальной теории относительности
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и 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 .
- ^ Б. Р. Мартин, Г. Шоу (2008). Физика элементарных частиц . Манчестерская серия по физике (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 3 . ISBN 978-0-470-03294-7 .
- ^ Р. Казальбуони (2006). «Майорана и волновые уравнения с бесконечными компонентами». Пос Эмс . 2006 : 004. arXiv : hep-th/0610252 . Бибкод : 2006hep.th...10252C .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ 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 .
- ^ Р. Кларксон, DGC McKeon (2003). «Квантовая теория поля» (PDF) . стр. 61–69. Архивировано из оригинала (PDF) 30 мая 2009 г.
- ^ 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.
- ^ К. Масакацу (2012). «Проблема сверхизлучения бозонов и фермионов для вращающихся черных дыр в формулировке Баргмана – Вигнера». arXiv : 1208.0644 [ gr-qc ].
- ^ Вайнберг, С. (2002), «5» , Квантовая теория полей, том I , стр. [1] , ISBN 0-521-55001-7
Дальнейшее чтение [ править ]
- Р. Г. Лернер ; Г.Л. Тригг (1991). Энциклопедия физики (2-е изд.). Издатели ВХК. ISBN 0-89573-752-3 .
- CB Паркер (1994). Энциклопедия физики МакГроу Хилла (2-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-051400-3 .
- Г. Воан, Издательство Кембриджского университета (2010). Кембриджский справочник физических формул . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57507-2 .
- Д. МакМахон (2006). Демистифицированная теория относительности . МакГроу Хилл (США). ISBN 0-07-145545-0 .
- Дж. А. Уилер; К. Миснер; К. С. Торн (1973). Гравитация . У. Х. Фриман. ISBN 0-7167-0344-0 .
- Б. Р. Мартин; Г. Шоу (2008). Физика элементарных частиц (Манчестерская серия) (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-03294-7 .
- П. Лабелль, Демистификация (2010). Суперсимметрия . МакГроу-Хилл (США). ISBN 978-0-07-163641-4 .
- Б. Х. Брансден; Си Джей Хоахейн (1983). Физика атомов и молекул . Лонгман. ISBN 0-582-44401-2 .
- Э. Аберс (2004). Квантовая механика . Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-13-146100-0 .
- Д. МакМахон (2008). Квантовая теория поля . МакГроу Хилл (США). ISBN 978-0-07-154382-8 .
- М. Пиллин (1994). «q-деформированные релятивистские волновые уравнения». Журнал математической физики . 35 (6): 2804–2817. arXiv : hep-th/9310097 . Бибкод : 1994JMP....35.2804P . дои : 10.1063/1.530487 . S2CID 5919588 .