クライン・ゴルドン方程式(8)
クライン・ゴルドン方程式(Klein-Gordon eq.)の続きです。
外電磁場Aμ(x)があるときの一般的ケースに移ります。
このケースについて,中間子の波動関数φ(x)の満たす
基本方程式を示すため,まず,自由粒子の方程式:
(□+μ2)φ=0 を(∂μ∂μ-μ2)φ=0と書き直し,,
さらに,運動量演算子の微分表示:pμ=i∂μにより,
(p2-μ2)φ=0 と書き直します。p2=pμpμです。
この表現では,極小相互作用変換:pμ → pμ-eAμ
を適用できて,(p2-μ2)φ=0 は電磁場:Aμ(x)がある
ときは,[(pμ-eA)2-μ2]φ=0 と変形されます。
これは,pμをi∂μに戻せば,
[(i∂μ-eAμ)(i∂μ-eAμ)-μ2]φ=0
とも表現できます。
これが,電磁場Aμがあるときのスピンゼロの中間子の波動関数
が満たす基本方程式です。
(※↑これは,既に2016年5/30の過去記事:
「クライン・ゴルドン方程式(3)」において記述していた
ことです。
そして,先に示したように自由中間子が満たすKlein-Gordon
方程式:(□+μ2)φ=(∂μ∂μ-μ2)φ=0 をφ=[θ,χ]T
と2成分縦ベクトル表示して,i(∂φ/∂t)=Hφ,および,
H=(η+ρ){p2/(2μ)}+μη (η,ρは2×2行列)
の形に表わしたときには,
,
p=(H,p),Aμ=(Φ,A)として,
極小相互作用変換:p → p-eA,H→H-eΦにより,
i(∂φ/∂t)=Hφ,
H=(η+ρ){(p-eA)2/(2μ)}+μη+eΦ
を得ます。
これは,[(i∂μ-eAμ)(i∂μ-eAμ)-μ2]φ=0
と同値なSchroedinger型の方程式です。
ここで,Π≡p-eAと置けば,
H=(η+ρ){Π2/(2μ)}+μη+eΦ
と書けます。
そこで,基本方程式を,さらに具体的に書けば,
i(∂φ/∂t)
=[(η+ρ){Π2/(2μ)}+μη+eΦ]φ
となります。
そして,特に,Θ=ρΠ2/(2μ),ε=eΦ+ηΠ2/(2μ)
と置き,Hをodd演算子とeven演算子に分離して,
H=Θ+ε+ημと表現します。
※(注8-1):φ'=exp(iS)φ,
∂φ'/∂t=[exp(iS){H-(i∂/∂t))}exp(-iS)]φ'
=H'φ’です。
参考テキストの第4章:本ブログでは最近の2016年8/10,
8/14の記事;「Dirac方程式の非相対論極限近似(1).(2)」
で述べたように,上記のH'は求めたいオ-ダー:O[1/μ4]
までで次のように展開されます。
H'~ H+i[S,H]-(1/2)[S,[S,H]]
-(i/6)[S,[S,[S,H]]]
+(1/24)[S,[S,[S,[S,ημ]]]]
-Sd-(1/2)[S,Sd]+(1/6)[S,[S,Sd]] です。
特に,1次近似まででは.
H'~(1+iS)(ημ+ε+Θ)(1-iS)
=ημ+ε+Θ+i[S,η]μ+i[S,Θ]+i[S,ε]
です。
ここで,ηΘ=-Θη,η2=1, ηε=εηが成立する
ことに注意します。
このオーダーでρを含むodd項:Θが消えることを要求
します。
Θ=ρΠ2/(2μ)=O(1/μ),ε=eΦ+ηΠ2/(2μ)=O(1)
ですが,S=O(1/μ2)を仮定すると,[S,Θ]=O(1/μ3)
[S,ε] =O(1/μ2)であり,他方,[S,η]μ=O(1/μ)
です。
よって,オーダーが(1/μ2)以下の項を無視すると,
H'~ημ+ε+Θ+i[S,η]μ です。
ηΘ=-Θη,より,[η,Θ]=2ηΘですから,
S=-iηΘ/(2μ)と置けば,i[S,η]μ=-Θと
なって,Θが相殺され,H'~ημ+εが得られます。
より高次の項にも,このSを用いると,
i[S,H]=-Θ+ηΘ2/μ2+[Θ,η]/(2μ)
-(1/2)[S,[S,H]]=-ηΘ2/(2μ)-[Θ,[Θ.ε]]/(8μ2)
-Θ3/(2μ2),
-(i/6)[S,[S,[S,H]]]
=Θ3/(6μ2)-ηΘ4/(6μ2)
-η[Θ,[Θ,[Θ.ε]]]/(48μ2)
(※ただし,この最終項はO(1/μ4)なので無視します。)
さらに,(1/24)[S,[S,[S,[S,ημ]]]]
=ηΘ4/(24μ3)+Θ5/(24μ4) → これは無視
-Sd=iηΘd/(2μ),
-(1/2)[S,Sd]=-i[Θ,Θd]/(8μ2),
+(1/6)[S,[S,Sd]]
=-iη[Θ,[Θ,Θd]]/(48μ2)~O(1/μ6)→ これも無視
結局,H'=η{μ+Θ2/(2μ)-Θ4/(8μ2)}+ε
-[Θ,[Θ.ε]]/(8μ2)-i[Θ,Θd]/(8μ2)+[Θ,η]/(2μ)
-Θ3/(3μ2)=ημ+ε'+Θ',
ただし,ε'= ε+η{Θ2/(2μ)-Θ4/(8μ2)}
-[Θ,[Θ.ε]]/(8μ2)-i[Θ,Θd]/(8μ2),
Θ'= [Θ,η]/(2μ)-Θ3/(3μ2)=O(1/μ2)
です。
そこで,S’=-iηΘ'/(2μ)として,
H"=[exp(iS'){H'-(i∂/∂t))}exp(-iS')
=ημ+ε'+Θ"
=η{μ+Θ2/(2μ)-Θ4/(8μ2)}+ε'+Θ",
Θ”=η[Θ',ε']/(2μ)+iηΘ'd/(2μ)=O(1/μ3)
さらに.S"=-iηΘ"/(2μ)として,
H(3)=[exp(iS”){H"-(i∂/∂t))}exp(-iS")
=ημ+ε(3)+Θ(3)であって,Θ(3)=O(1/μ5)です。
(注8-1終わり)※
結局,特別な静的外電磁場:Aμ=(Φ,A)の存在下では,
オーダー:1/μ4までで,φ'=exp(iS)φ,
i(∂φ'/∂t)=H'φ',
H'=η{μ+Π2/(2μ)-Π4/(8μ2)-Π8/(128μ7)+..}+eΦ
+[Π2,[Π2.eΦ]]/(32μ4)+ηΠ6/(16μ5)
+i[Π2,(Π2)d]/(8μ2)+O(1/μ5) が得られます。
ただし,Π=p-eAです。
上記のH'の右辺第1項:
η{μ+Π2/(2μ)-Π4/(8μ2)-Π8/(128μ7)+..}
は,Dirac理論の場合と同じく,相対論的質量の増加,
つまり(μ2+Π2)1/2の(Π2/μ)による二項展開です。
また,[Π2,[Π2.eΦ]]/(32μ4)は.Darwin項であり,
Dirac理論で.Zitterbewegung(ジグザグ運動)補正と
述べたもののアナロジーであり,古典点電荷の静電
相互作用:eφの補正です。
しかしながら,Dirac理論とは異なり,これは(1/μ4)
のオーダーで初めて出現する小さい項です。
ー
※(注8-2):Dirac理論では,展開Hamiltonianの最終形は,
H(3)=β{m+Θ2/(2m)―Θ4/(8m3)}+ε
-[Θ,[Θ,ε]]/(8m2)
-i[Θ.Θd]/(8m2) (Θ=α(p-eA)=αΠ)
または,H(3)=β{m+(p-eA)2/(2m)-p4/(8m2)}
+eΦ-{eβ(2m)}σB-{ie/(8m2)}σ(∇×E)
-{e/(4m2)}σ(E×p)-{e/(8m2)}∇E
でした。 (注8-2終わり)※
こうして,問題をFoldy-Woutheysen展開が収束するような
物理的状況:そして,これらHamiltonianの展開の最初の数項
で正しい記述となるケースに限定する限り,
中間子の相互作用も非相対論的量子力学の問題として論じる
ことができることが,わかりました。
このH'のこの精度までの表現では,正振動数部分と
負振動数部分の混合は無く,HamiltonianはHermiteで,
通常の非相対論的量子力学の確率解釈が可能です。
例として,この表示での正振動数解を,前記事の自由中間子
の正振動数解:φ(+)(x)=exp(-iωpt)a(+)(x)[1,0]Tを
修正した形で,φn (+)(x)=exp(-iEnt)ψn(+)(x)[1,0]T
と書くと,
[η{μ+Π2/(2μ)-Π4/(8μ2)-Π8/(128μ7)+..}+eΦ
+[Π2,[Π2. eΦ]]/(32μ4)+..]ψn(+)(x)
=Enψn(+)(x) です。
この正エネルギー中間子の存在確率密度は,
P(+)(x)=|φn (+)(x)|2=|ψn(+)(x)|2で与えられ
,
また,エネルギー固有値:Enは,
En=∫ψn(+)+(x)H'(x,e)ψn(+)(x)d3xとなって
H'の期待値に一致します。
ただし,H'(x,e)=η{μ+Π2/(2μ)-Π4/(8μ2)
-Π8/(128μ7)+..}+eΦ+[Π2,[Π2. eΦ]]/(32μ4)+..
であって,これは単にHamiltonian:H'がx,eの関数の演算子
であることを強調して明記しただけです。
同様にこの表示での負振動数解を,前記事の自由中間子の
負振動数解:φ(-)(x)=exp(iωpt)a(-)(x)[0,1]Tを修正
した形で,φn(-)(x)=exp(iEnt)ψn(-)(x)[0,1]Tと書くと,
η[0,1]T=-[0,1]T であり,i∂φn(-)/∂t=-Enφn(-)
ですから,H'(x,-e)*ψn(-)(x)=Enψn(-)(x)
です。
(※ 何故なら,H'(x,-e)*=H'(x,-e)です。)
故にH '(x,-e)ψn(-)*(x)=Enψn(-)*(x) です。
こうして,電荷の符号が正反対の反粒子の正振動波動関数
が,粒子の負振動数解の複素共役で表現できることが
わかります。
そして,この反粒子の存在確率密度は,
P(-)(x)=|φn (-)(x)|2=|ψn(-)(x)|2で与えられ,
また,En=-∫ψn(-)+(x)H’ψn(-)(x)d3xです。
H'(x,e)ψn(+)=EnΨn(+),および,
H'(x,-e)ψn(-)=EnΨn(-)より,正振動数解ψn(+)と
負振動数解ψn(-)は,電荷の符号だけが異なるだけの
Hamiltonianの同じエネルギー固有値Enに属するもの,
と見ることもできるわけです。
そこで,対角成分が1,-1の対角行列ηを挿入して
Foldy-Woutheysen変換表示の確率密度とエネルギー
期待値を再定義してみたい。
という発想に駆られます。
すなわち,確率密度を
Qn(±)(x)=φn(±)*(x)ηφn (±)(x),
エネルギー期待値を
En(±)=∫φn(±)+(x)ηH'φn(±)(x)d3x
(複号同順)と定義してみます。
この再定義は,正振動数解については,何も変えませんが,
負振動数解については,確率密度もエネルギー期待値も
前の定義から,その符号を変えます。
エネルギー固有値については,正負両方の解で正となり
合理的ですが,Qn(±)(x)は,負振動数解では負となるので,
これは確率密度ではなく(粒子の電荷eを掛けて)それぞれ,
粒子と反粒子電荷密度を与えるものと解釈されます。
H'の展開での(1/μ)のベキ級数が収束する近似までで,
標準の非相対論的量子力学と同じ定式化ができる
Foldy-Woutheysen表示は,さらに論議を進めることが
できます。
π中間子で構成される原子のエネルギー準位や遷移率は
例えばSchoroedinger理論への相対論的質量とDaewin項補正
のH'を用いた,i(∂φ'/∂t)=H'φ'から計算できるはず
です。
そしてまた,古典論対応が立証できてEhrenfestの関係が
導出可能です。
すなわち,Oを任意の線型演算子(物理量)として,
d<O>/dt=i<[H',O]>+<∂O/∂t>
の成立を示すことができます。
1粒子の確率解釈は,正,負-振動数解を
Foldy-Woutheysen手法で分離できるようなケース
のみに限定されます。
それは,π+π-ペアの存在を定義しなければならない
ような強く急激に変動する場に関する物理的問題など
ではふさわしくないと考えられます。
しかしながら,Q(x)=φ'*(x)ηφ'(x),
E=∫φ'+(x)ηH'φ'(x)d3xなる内積表現
が,こうした一般のケースにも適用できるであろう
という目算で,
弱変動での近似のFoldy-Woutheysen変換の全てを
帳消しにして,元の
H=(η+ρ){Π2/(2μ)}+μη+eΦと,
φ=exp(-iS)φ'に戻って,これら内積表現の構造
を探求します。
前述したように,U=exp(iS)は,SがHermite(S+=S)
ではないので,一般にUはユニタリ(unitary)ではなく
注意を要します。
自由粒子のH0=(η+ρ){p2/(2μ)}+μηに対する
U=exp(iS)の最初の(iμ)の1次の近似では,
S=ηρθ(p)で,
θ(p)=-(i/2)Tanh-1[{p2/(2μ)}/{μ+p2/(2μ)}]
は純虚数なので,S+=-Sでした。
また,Sηρθ(p)より,ηS=-Sηなので,
運動量がpの自由中間子のエネルギー固有値:ωpに
ついては,H0'=exp(S)H0exp(-iS)に対して,
ωp=∫φp(±)'+(x)ηH0'φp(±)'(x)d3x
=∫φp(±)+(x)ηH0φp(±)(x)d3x
なる式が成立することがわかります。
電荷については,
φ(x)=[θ,χ]T,φ'(x)=exp(iS)φ(x)について,
∫Q(x)d3x=∫φ'+(x)ηφ'(x)d3x
=∫φ+(x)ηφ(x)d3x
=∫d3x{θ*(x)θ(x)-χ*(x)χ(x)}
={i/(2μ)}∫d3x[φ*(x)∂0⇔φ(x)]
と書けます。
同様な結果は,自由粒子でなく,電磁相互作用が存在する
ときにも得られます。
Foldy-Woutheysen変換から,H'=exp(S)Hexp(-iS)
H'=η{μ+Π2/(2μ)-Π4/(8μ2)-Π8/(128μ7)+..}
+eΦ+[Π2,[Π2.eΦ]]/(32μ4)(Π=p-eA)ですが,
やはりηS=-Sηなので,
電荷については,
∫Q(x)d3x=∫φ'+(x)ηφ'(x)d3x
=∫φ+(x)ηφ(x)d3x
={i/(2μ)}∫d3x{*(∂0⇔-2eA0)φ} です。
それ故,ηを挿入して再定義された電荷密度は,この近似
が有効な物理的状況ではプライムのない元の表示でのそれ
と一致し,しかも以前,Klein-Gordon粒子に対して与えた
電荷の表式:Q=∫d3x{φ*(∂0⇔-2eA0)φ}に
一致します。
係数が違うと見えるのは,非相対論の波動関数φ(x)と,
相対論での同じ波動関数:φ(x)=fp(x)の規格化因子
が異なるためです。
同様に,静的外電磁場内の荷電π中間子のエネルギー固有値
についてE=∫φ'+(x)ηH'φ'(x)d3x
=∫φ+(x)ηHφ(x)d3x です。
こうしたプライム系と元の系の2つの表示の期待値の
単純な対応は,一般的な物理量Oの期待値においても
行列ηを挿入すべきことを示唆しています。
すなわち,
<O'>=∫φ'+(x)ηO'φ'(x)d3x
=∫φ+(x)ηOφ(x)d3x=<O> です。
ただし,O'= exp(S)Oexp(-iS)です。
行列ηの存在無しには.こうした2つの表示の間の対応
の単純性を得ることはできません。
定義:<O>=∫φ+(x)ηOφ(x)d3xへのηの導入
の物理的効果は,負振動数状態にある系に対して,
物理的観測量の期待値に(-1)を掛けることです。
これは負振動数解が過去に伝播し,それ故,放出と吸収
の役割が逆になり.物理的観測量を負エネルギー解の
パラメータと(-)で結び付けるという要請に連関して
います。
陽電子の理論では,負エネルギーに対する過去への伝播
の境界条件は空孔理論によって保証されていました。
しかし,Bose粒子に対しては空孔理論のようなものは無く,
これの根拠は伝播関数のFeynmanの解釈という論旨で満足
するか,あるいは,場の量子論に頼らなければなりません。
こうした結論で論題を終了するに当たって,
Foldy-Woutheusen手法が収束するようなBose粒子の物理的
問題に,結局,確率解釈を与えるという所期の目標を達成
できた。ということを思い出します。
特に,自由粒子に対しては正振動数解,負振動数解,または,
粒子解,反粒子解を分離する正確な変換を作ることが
できました。
これは確率振幅としてのS行列の解釈である次の3種の
S行列要素:π+散乱:
Sp’p=limt→∞∫d3xfp’(+)*(x)i∂0⇔φ(x)
=δ3(p'-p)-i∫d4yfp’(+)*(y)V^(y)φ(y),
π+-π-の対消滅:
Sp-p+=-limt→-∞∫d3xfp-(-)*(x)i∂0⇔φ(x)
=-i∫d4yfp-(-)*(y)V^(y)φ(y)
および, π-散乱:
Sp-p-’=δ3(p--p-')
-i∫d4yfp-(-)*(y)V^(y)φ(y),の式の関係
を正当化します。
Bose粒子をその反粒子と区別する電荷(Charge)は,実は
通常の電気的なそれ,である)必要はありません。
例えば,自然界にはK0中間子とK0~中間子という共に
電気的には中性の.しかし,互いに粒子,反粒子の関係
にあるとされる粒子対がありますが,これらを区別する
のは,"奇妙さの量子数(Strangeness-Charge)"の符号の
違いだけです。
そしてまた,粒子がそれの反粒子と一致するケースもあり,
その場合には,それは常に,電気的に中性で,またどんな
他の量子数も持ちません。
そして,例えばπ0中間子はそうした粒子の例です。この場合
は中間子の波動関数は実関数で,電荷密度;Q(x)=0です。
さて.以上で波動関数がKlein-Gordon方程式に従うスピン
がゼロのBose粒子(中間子)が,電荷を持つ場合の電磁相互作用
の量子力学について論じた参考テキストの第9章の記述は
完了しました。
テキストでは,次は最終10章の非電磁相互作用(強い相互作用
弱い相互作用)の初期理論の紹介ですが,これの私的ノートの
ブログ記事化は,前後しましたが,既に終わっています。
今日はここで終わります。
(参考文献):J.D.Bjorken & S.D.Drell
”Relativistic QantumMechanics"(McGrawHill)
PS:糖尿病が長いので.それが原因で体中にかゆみがあり,汗を
かくとかゆいということは真冬以外にはよくありますが,今年
は,特に今頃,夜にひどくかゆくて背中や腕にかきむしった跡
ができて,これはダニのせいじゃないか?と疑っています。
何の役にも立たない,「社会のゴミ,ダニ」のようなジジイ
に本物のダニがついて,共食い状態。。でしょうかね?
しょうがないので.ダニ取りマットならベッドまわりに
置いてありましたが,今度は金が入ったとき,UV付きの
布団掃除機の安いものでも買いますかね。。
取りあえず,かゆくてたまらないときは頻繁にシャワーを
浴びて,これまで使っていた,かゆみ止めを塗っています。
さて,一段落して続きの科学記事は,場理論など他のテーマ
を書くのも時間残っていれればやる予定ですが。。。
ここ数年,目が悪くなって本の小さい字が読めなくなって
きているため,病院入院中なども読書の楽しみが失せて,
頭の中で考えたアイディアをノートに計算してきたもの
などを「遺構」として書いてまとめた記事草稿:
=「ライフワークの最後の残り火」でもそろそろアップ
しようかな。。とも考えています。。
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