week 15

最后提到了一些特别的东西: 哈密顿量的本征值只依赖于 nn , 不依赖于 ll 这是奇怪的 即当电子具有不同的空间构型居然具有相同的能量, 这源于动力学对称性

动力学对称性

当我们看到一些能量的简并的情形, 我们期待看到一些对称性应该存在, 他们可以把一个简并态变到另一个简并态而不改变哈密顿的本征值

在这里面的一种对称性是空间旋转对称性 SO(3)SO(3) 这使得本征值不依赖于 mm 而我们在这里看到了更大的对称性, 这种对称性在经典情形我们也看到过

开普勒定律告诉我们平方反比力下的粒子的轨道是封闭的椭圆, 但是椭圆需要的参数比圆多, 这在空间中选出了一个特殊的方向 在这种情形我们知道有一个向量是守恒量, 从焦点指向近日点

R=e2ε\vec{\mathcal{R}}=e^2\varepsilon

这个矢量是守恒量源于更大的对称性, 在经典系统的表达为

R=p×Lμe2rr\vec{\mathcal{R}}=\frac{\vec{p}\times\vec{L}}{\mu}-e^2\frac{\vec{r}}{r}

为了做把他变成量子系统的算符, 我们需要做量子化, 直接的方法是正则量子化

R^=p^×L^L^×p^2μe2r^r^\hat{\mathcal{R}}=\frac{\hat{p}\times\hat{L}-\hat{L}\times \hat{p}}{2\mu}-e^2\frac{\hat{r}}{|\hat{r}|}

在这里需要提前做对称化, 因为这两个算符是不对易的, 因为 p\vec{p} 是矢量, 自然有对易关系

[Li,pj]=iϵijkpk[L_i,p_j]=i\epsilon_{ijk}p_k

为了让量子化后的结果是 Hermite 算符, 则需要做对称化

大家自行完成计算验证 有一些对易关系是不言自明的

[Li,Rj]=iϵijkRk[H,Ri]=0[L_i,\mathcal{R}_j]=i\epsilon_{ijk}\mathcal{R}_k\quad [H,\mathcal{R}_i]=0

但是哈密顿与 Ri\mathcal{R}_i 的对易括号是 0 , 这个结果是神奇的 (check) 这告诉我们存在一个新的对称性 (3个) 首先它和 LL 不对易, 则当算符作用在 LL 的本征态上时, 会得到其他 LL 的本征态, 这会把不同 LL 的本征态联系在一起 但是当它作用在哈密顿的本征态上时, 它又不会改变哈密顿的本征态, 即不会改变 nn 即由于这个算符的存在, 会使得不同 ll 的状态具有相同的 nn 并且, 当给定 nn 时, 对一个 ll 态作用 R\mathcal{R} , 可以得到所有的 ll

如果我们进一步去问, 这个对称性对应什么群 我们知道: 当我们写下对易括号后, 就基本确定了这个群的局部性质 这又是一个练习: 对这个线性组合

A±=12(L±μ2HR)\vec{A}_{\pm}=\frac{1}{2}(\vec{L}\pm \sqrt{\frac{\mu}{-2H}}\vec{\mathcal{R}})

这个矢量的对易关系十分简单

[A±i,A±j]=iϵijkA±k[A+i,Aj]=0[{A_{\pm}}_{i},{A_{\pm}}_{j}]=i\epsilon_{ijk}{A_{\pm}}_{k}\quad [{A_{+}}_i,{A_{-}}_{j}]=0

这构成了一个 SO(3)SO(3)

即氢原子的对称性为

SO(3)SO(3)SO(3)\otimes SO(3)

生成元为 A±\vec{A}_{\pm}

这个对称性和我们如何选取相互作用的势能密切相关, 这必须是 1/r1/r 同样, 如果我们加入相对论修正, 这个动力学对称性也会被破坏, 这会破坏牛顿势的形式 精细结构就包含这一部分 水星进动和精细结构差不多是一回事

在一个完全相对论性的系统里, 如果我们想对系统的所有对称性分类, 有一个非常简单的结果

Coleman - Mandula 定理

在一些非常简单的假设下: 系统是相对论协变的, 这是一个非平庸的系统 可以证明: 相对论协变性允许的所有对称性分为两类

  1. 时空对称性:
    1. 平移
    2. 旋转
    3. boost
  2. 内部对称性 internal symmetry
    1. 电荷守恒
    2. 重子数守恒, 轻子数守恒

区分的标准是: 如果把内部对称性的生成元叫 QQQQ 必须和 H,P,JH,P,J 都对易, 意味着相对论所允许的所有对称性应该是一个直积 直积的时空部分是 poincare 群, 另一个部分是内部对称性的群

当然, 上面的动力学对称性的结果是 Coleman - Mandula 定理的 “反例”, 当然这不是一个相对论性的系统 在一个相对论性的系统不存在势能这个东西, 如果有势能意味着相对论协变性必须被破坏掉

有一个简单的推论 这些内部对称性的生成元不能携带时空指标, 携带空间指标就不能和 LL 对易了 所以这是电荷是 Lorentz 标量的一个解释

宇称

在氢原子系统里看宇称的后果: 一个方便的定义是 rr\vec{r}\to-\vec{r} 则问前面找到的本征态如何变化, 只需要看波函数就好了

Fnl(r)Ylm(r^)F_{nl}(|r|)Y_{lm}(\hat{r})

故宇称性质完全由球谐函数决定

xl,m\braket{\vec{x}|l,m}

则在宇称变换下

Ylm(1)lYlmY_{lm}\to (-1)^l Y_{lm}

这告诉我们宇称变换的性质通常与一些选择定则联系

选择定则 Selection Rule

只举一个例子: 在宇称变换下, 电磁相互作用控制的偶极跃迁必须满足

(1)l1l2=1(-1)^{l_1-l_2}=-1

偶极跃迁的意思是辐射的最低阶, 因为光子携带一个单位的角动量 考虑跃迁

l1l2l_1\to l_2

这个过程的概率幅为

nlmrnlm\braket{n'l'm'|\vec{r}|nlm}

在坐标表象下容易检查: 这个积分不等于 00 当且仅当这个积分相差一个奇偶性, 而 r\vec{r} 是奇的, 则必须这两个波函数相差一个奇偶性

为什么这个振幅形式是这样的? 实际上是振幅

nlmeiHtnlmnlm1iHΔtnlm\braket{n'l'm'|e^{-iHt}|nlm}\sim\braket{n'l'm'|1-iH\Delta t|nlm}

这个哈密顿量必须含有电磁场的真空涨落, 这意味着哈密顿里面存在一个偶极项, 就会出来一个位置矢量

元素周期表

首先提几点 在氢原子中的电子的典型速度 v/cα1/137v/c\sim \alpha\sim1/137 所以我们的计算精度不会超过 α\alpha

对于原子序数为 ZZ 的元素, 速度为 ZαZ\alpha , 则当 Z100Z\sim 100 时, 电子的相对论修正变得非常重要

相对论性的修正: “动质量”

mγmm\to\gamma m

则 bohr 半径会减小

2me21v2/c22me2\frac{\hbar^2}{me^2}\to \sqrt{1-v^2/c^2}\frac{\hbar^2}{me^2}

这个结果可以解释为什么水银是液态的(?)

和 Hg 同一列的元素: Zn , Cd , Hg

为什么 Hg 的熔点很低, 这是一个典型的相对论效应: 为什么金属能形成晶体, 实际上来自于金属中的金属键 容易液化意味着金属中的金属键不够强 诚实地讲有两个原因, 不过其中一个原因是 Hg 的最外层电子的 Bhor 半径由于相对论效应会变得更小, 更不容易电离, 从而使得金属键更弱 第二个原因叫 镧系收缩: Hg 中的一些电子对中心核的屏蔽作用很差, 导致电子的能级进一步下降

同样, 这列元素左边的元素: Cu, Ag , Au 他们的颜色也是相对论效应

另外元素周期表是有长度的, 实际上当周期表足够长, 就应该考虑完整的相对论效应了 这时候发生的事叫 Schwinger 效应, 比如对原子序数为 137 的元素, 在核内电场的大小已经足以产生 Schwinger 效应了 则至此以上的元素不可能稳定存在 现在已知原子序数最大为 118 实际上另外一点是: 这些重元素都是放射性的, 都有有限长的半衰期 也许你会反驳, 超过 137 的元素只是半衰期短一些 但是这里的本质差别在于控制衰变的相互作用: 对前面的衰变由 α\alpha 衰变控制, 来自于隧穿, 是指数慢的 但是 Schwinger 效应是电磁相互作用, 所以他的半衰期会显著快于前一种

Chapter 20 算符

实际上这章的内容已经被之前覆盖了 现在给之前用到的算符给一个良好定义

位置算符: 去用经典的概率分布去刻画粒子的位置 P(x)\mathcal{P}(x) , 结果是

x=dxP(x)x\braket{x}=\int \mathrm{d}x \mathcal{P}(x)x

在量子力学里, 知道

P(x)=ψ(x)2\mathcal{P}(x)=|\psi(x)|^2

则立即知道

x=dxψxψ\braket{x}=\int \mathrm{d}x\braket{\psi|x|\psi}

这告诉我们算符在态上的期望值

x^=ψx^ψ\braket{\hat{x}}=\braket{\psi|\hat{x}|\psi}

即算符的定义为

x^ψ=xψ\hat{x}\ket{\psi}=x\ket{\psi}

即在位置基础态下对角的一个算符, 则

yx^x=xδ(yx)\braket{y|\hat{x}|x}=x\delta(y-x)

这是一个不平庸的结果: x\ket{x} 实际上不是态空间里的态 即这个算符不是一个在量子力学下定义好的算符

如果去问这里到底有什么问题: 就去把时空离散化为格子

对动量也有相同的结果, 这样就可以计算动量和位置的对易括号

[x^,p^]=i[\hat{x},\hat{p}]=i\hbar

最后一节课讲一些别的东西:

Chapter 21 为什么两个铁球同时落地

一次特殊的报告会

为什么引力质量和惯性质量是成正比的? 这件事已经被牛顿讨论过了

为什么等效原理是对的? Einstein 从等效原理出发得到的广义相对论

如果做一些简单的基础假设, 可以证明等效原理是可以被导出的事实

引力子: m=0,s=2m=0 ,s=2 我们并没有观测到过引力子, 但是如果波粒二象性是对的, 那么就应该有引力子 并且长程性表明为零质量, 而引力波的极化结果表明引力子有两个螺旋度

散射振幅: 需要相对论协变性的量子力学 而散射振幅应该是 Lorentz 不变的

大概路径

  1. Green 函数方法
  2. 双缝干涉 —> Feynman 图
  3. 能动量守恒和质壳条件
  4. 引力子的极化
  5. Weinberg soft theorem (1964)

Green 函数方法 (经典)

Maxwell 方程

Aμ=0    (2t2+2)Aμ\Box A_{\mu}=0\implies (-\frac{\partial^2}{\partial t^2}+\nabla^2)A_\mu

先忽略极化, 即考虑标量场, 给场加一个源 f(t,x)f(t,\vec{x})

ϕ=f(t,x)\Box \phi =f(t,\vec{x})

知道 ϕ\phi 的分布的方法就是去解这个方程

Grenn 函数方法的基本想法是先去解点源

δ(3)(x)\delta^{(3)}(\vec{x})

取点源的场方程的解叫 Green 函数

xG(x,y)=δ(xy)\Box_xG(x,y)=\delta(x-y)

这任意点源的解可以用 Green 函数叠加得到

ϕ=dyG(x,y)f(y)\phi=\int \mathrm{d}y G(x,y)f(y)

如何解, 意思是取算符的逆

G(x,y)=1xδ(xy)G(x,y) =\frac{1}{\Box_x}\delta(x-y)

得到逆的方法是进入算符的对角基, 所以先用 Fourier 变换

G(x,y)G(kμ)δ(x,y)1xkμkμ=E2k2G(x,y)\to G(k^\mu)\quad\delta(x,y)\to1\quad\Box_x\to-k_\mu k^\mu=E^2-\vec{k}^2

则 Green 函数为

G(kμ)=1E2k2G(k^\mu)=\frac{1}{E^2-\vec{k}^2}

实际上如果满足质壳条件, Green 函数已经炸了 当然, 一些正确的处理是在分母加上别的东西

G(kμ)=1E2k2±iϵG(k^\mu)=\frac{1}{E^2-\vec{k}^2\pm i\epsilon}

实际上这就是取了某种边界条件 确定物理意义的办法是去看不含时的解, 即

G2G=δ(3)(0)\Box G\to\nabla^2 G=\delta^{(3)}(0)

解是简单的

G1/rG\propto 1/r

推广到有质量场 m0m\neq 0

(+m2)ϕ=0(\Box +m^2)\phi=0

同样, Green 函数也是质壳条件

G(kμ)=1E2m2k2G(k^\mu)=\frac{1}{E^2-m^2-\vec{k}^2}

双缝干涉

这个课一开始就是从双缝干涉得到量子力学的基本原理 双缝干涉的例子告诉了我们如何构造概率幅:

  1. 对所有可能的路径求和
  2. 每条路径的幅为传播幅 ×\times 相互作用振幅, 比如 S1a1A\braket{S|1}a\braket{1|A} 这实际上就是 Feynman 图

比如说两个电子通过光子发生了散射, 由于相互作用的时间极短, 可以想象四个粒子都有相同的能量

week 15 fig 01

两个过程为 1 粒子发生光子 或者 2 粒子发射光子

可以想象在每次相互作用时, 在相互作用的顶点上能量, 动量是不是守恒的 如果能动量守恒, 有

Eγ=E1E3pγ=p1p3E_{\gamma} = E_1-E_3\quad \vec{p}_{\gamma} =\vec{p}_1-\vec{p}_3

质壳条件

E12=p12+m12E22=p22+m22E_1^2=p_1^2+m_1^2\quad E_2^2=p_2^2+m_2^2

现在来检查光子的质壳条件

(E1E3)2=(p1p3)2=p12+p322p1p3cosθ(E_1-E_3)^2=(\vec{p_1}-\vec{p_3})^2=|p_1|^2+|p_3|^2-2p_1p_3\cos\theta

如果 θ\theta 是可以连续调节的, 那么光子的质壳条件经常是不满足的 但是这并不奇怪, 我们知道散射过程的时间极短, 所以能量具有不确定度, 那么在质壳条件的范围内表明动量也有不确定度 这可以解释这一点

于是我们有两种选择

  1. 放弃能动量守恒, 但保证在壳条件. 这就是量子力学的微扰论
  2. 放弃在壳条件, 坚持顶点上的能动量守恒

Feynman 选择第二条路: 如果将两种路径相加, 可以得到一个 Lorentz 不变的表达式

A1+A21Eγ2kγ2A_1+A_2\propto\frac{1}{E_{\gamma}^2-|\vec{k}_\gamma|^2}

只要两个点的距离是类空的, 讨论哪个过程谁先谁后就是有歧义的, 应该做的是把两个过程加在一起 并且这个结果正比于光子的 Green 函数, 正比的原因是我们忽略了发射和吸收的幅, 只有传播幅 即 Green 函数的另一个物理意义是刻画了场所对应的粒子的传播

完整的写法是

A1+A2=Q1Q2Eγ2kγ2A_1+A_2=\frac{Q_1Q_2}{E_\gamma^2-|k_{\gamma}|^2}

对这个结果做 Fourier 变换就得到了所熟知的 Coulomb 力

Feynman 的洞见是, 这个振幅中的传播幅恰好是 Green 函数, 并且这三部分幅都是 Lorentz 不变的 我们有一个自始至终都协变的理论

为什么发射, 吸收的幅的强度正比于电荷? 这是我们对电荷的定义

这就是 Feynman 规则

即这种方式的构造可以给我们不在壳的粒子, 如果在壳, 振幅是发散的

这个发散是有明确的物理意义的, 如果有在壳条件, 计算散射的结果应该是所有过程做时间的积分, 如果是一个有限长的时间, 光子是可以不在壳的, 而如果光子在壳, 则表明光子可以传播非常长的时间, 这个积分往往是发散的 并且这个发散的留数是两种情况振幅的乘积, 这叫在壳因子化 ?

你能看到的光子都不可能是在壳的, 这个世界不存在在壳的光子 你看到的光子总是传播了有限长的时间, 在壳只是一种理论近似 世界上最在壳的光子是 CMB 光子

引力子的极化

不再仔细提光子的极化 光子的极化矢量

ϵi+=(1i0)ϵi=(1i0)\epsilon^{+}_i =\begin{pmatrix}1\\i\\0\end{pmatrix}\quad \epsilon^{-}_i =\begin{pmatrix}1\\-i\\0\end{pmatrix}

前面已经提到过, 如果想去构造一种 Lorentz 不变的极化四矢量, 这是不可能的

ϵμΛμνϵν+αpμ\epsilon_{\mu}\to \Lambda_{\mu}^\nu\epsilon_\nu +\alpha p_{\mu}

引力子的极化是类似的 ϵμν(p)\epsilon_{\mu\nu}(p) 则在 Lorentz 变换下, 会出现多余的成分

ξμpν+ξνpμ\xi_{\mu}p_\nu+\xi_{\nu}p_{\mu}

极化矢量的指标是对称的, 自旋 2 是两个自旋 1 的全对称化

我们可以推广, 比如自旋 3 的无质量粒子: ϵμνρ\epsilon_{\mu\nu\rho} 则在 Lorentz 变换下

ξμνpρ+全对称项\xi_{\mu\nu}p_{\rho} +\text{全对称项}

对于光子的情形, 一个简单的回答是: 光子的极化矢量总是和动量垂直

Weinberg (1964) 任意散射过程 (NNN\to N')

week 15 fig 02

即粒子在散射过程中发射一个光子

这个过程在光子动量 q0q\to 0 下是简单的, 即软极限

如果让光子的动量趋于 0 , 则发射过程线上的光子是在壳的 则可以想象

limq0M(q)1q\underset{q\to 0}{\lim} \mathcal{M}(q)\to\frac{1}{q}

我们应该把每种过程的幅加在一起 有三种可能

  1. 光子从初态发射
  2. 光子从末态发射
  3. 光子从中间态发射

那么前两种的振幅在 q0q\to 0 下行为与 1/q1/q 相同, 但中间的过程不是这样, 因为中间过程的光子不是在壳的 则中间过程的幅在 q0q\to0 时 表现为 O(q0)\mathcal{O}(q^0) 故可以忽略这种情况

q0q\to 0

第一种情况: 第 ii 个粒子发射光子 幅正比于中间过程的 Green函数 乘上发射光子的幅

Qiϵμ(pi)μ(piq)2mi2Qiϵμ(pi)μ2piq\frac{Q_i\epsilon^\mu(p_i)_{\mu}}{(p_i-q)^2-m_i^2}\to\frac{Q_i\epsilon^\mu(p_i)_\mu}{-2p_i\cdot q}

收缩光子极化矢量的指标只能是 pip_i

第二种情况是类似的, 在 q0q\to 0 时得到

Qj(ϵpj)2pjq\to \frac{Q_j(\epsilon p_j)}{2p_j\cdot q}

总的幅为

limq0M=M0{i入射Qi(piϵ)2piq+j出射Qj(pjϵ)2pjq}\underset{q\to 0}{\lim}\mathcal{M}=\mathcal{M}_0\left\{\sum_{i\in\text{入射}}\frac{-Q_i (p_i\cdot\epsilon)}{2p_i\cdot q}+\sum_{j\in\text{出射}}\frac{Q_j(p_j\cdot\epsilon)}{2 p_j\cdot q}\right\}

问题是 pϵp\cdot \epsilon 不是一个 Lorentz 标量 唯一的要求是要求多变出来的量为 0 , 我们知道多变出来的量是动量 那么 Lorentz 不变性要求

i入射Qi+j出射Qj=0\sum_{i\in\text{入射}}-Q_{i} +\sum_{j\in\text{出射}}Q_j=0

这就是电荷守恒

现在再来看一个通过引力子的散射过程, 做完全相同的分析 同样, 对结果做 Lorentz 变换, 仍然应该得到一个等式 如果每个粒子参与引力相互作用的强度为 κi\kappa_i

同样的结果为

i入射κipi+j出射κjpj=0\sum_{i\in\text{入射}}-\kappa_i p_i+\sum_{j\in\text{出射}}\kappa_jp_j=0

不同的在于需要动量去做一个指标收缩 而动量守恒要求

i入射pi+j出射pj=0\sum_{i\in\text{入射}} p_i+\sum_{j\in\text{出射}}p_j=0

这几乎就要求所有的 κ\kappa 都相同, 这就是等效原理 我们可以做同样的事情到零质量的自旋 3 粒子,那么就再需要一个动量指标做收缩, 这和动量守恒的结果不相容 即: 长程相互作用不能由自旋 3 及以上的无质量粒子传递

为什么 κ\kappa 是相互作用粒子的质量?

week 15 fig 03