Лекции по "Концепции современного естествознания"

     Квантовомеханические расчеты двухатомных молекул оказываются существенно более трудоемкими, чем расчеты для атомов и за исключением небольшого числа простейших химических соединений пока носят уникальный характер.

     Трехатомные и многоатомные молекулы с точки зрения квантовой механики являются очень сложными системами, практически не поддающимися расчетам с традиционной для атомно-молекулярной физики точностью. Рассмотрениетаких систем обучно носит полу- качественный характер и сводится к анализу свойств их симметрии (теория групп), на основе которого делается выводы о структуре системы энергетических уровней. По-водимому, сложность таких систем делает их объектом изучения естественных наук более высокого уровня: химии и молекулярной биологии. 

                                                                                  Раздел - 4

                        Мир глазами Поля Дирака

26. Объединение идей квантовой механики и релятивизма

       Недостаточность “классической” квантовой механики.  По своему построению квантовая механика является существенно нерелятивистской теорией: используемое в уравнении Шредингера выражение для оператора Гамильтона является обобщением классической формулы для  энергии. Для множества реальных приложений теории (физика кристаллов, химия, биология)  требование малости скоростей не является существенным ограничением: диапозон энергий, с которыми приходится иметь дело в земных условиях недостаточен для разгона объектов до релятивистских скоростей. Однако существует целый ряд разделов естествознания, развитие которых сделало актуальным вопрос о разработке релятивистской квантовой теории. К ним прежде всего следует отнести разделы физики, занимающиеся взаимодействием света с веществом: зародившаяся в результате попыток поняти физическую природу света квантовая механика оказалась неспособной адекватно описать ультрарелятивистскую частицу - фотон. Релятивистская теория микромира необходима физике ядра и элементарных частиц, поскольку изучаемые в ее рамках процессы с участием сильных взаимодействий сопровождаются обменом большими порциями энергии, что неизбежно связано с возникновением высоких скоростей. Космологические теории эволюции Вселенной и Большого Взрыва требуют развития аппарата описания вещества в экстремальных (с нашей точки зрения) состояниях. Наконец, наличие плохо связанных друг с другом релятивистской и квантовой теорий, каждая из которых по-своему “объясняла” классическую концепцию, являющуюся предельным случаем каждой из них, неизбежно ставило вопрос об их объединении. Попытки обобщения квантовой механики и придания ей релятивистски инвариантной формы делались буквально с первых шагов ее создания, но до сих пор еще не привели к созданию законченной и полностью свободной от внутренних противоречий теории.

    S-матрица. Дополнительной сложностью, присущей релятивистской теории является несохранение числа частиц, участвующих в процессе. В частности это означает, что любая рассматриваемая система должная обладать бесконечным числом степеней свободы. Поскольку сама процедура измерения координат частицы в принципе может приводить к рождению новых частиц, она становится принципиально бессмысленной. Релятивистская квантовая теория отказывается не только от описания пространственного положения микрообъектов,  но и от описания процессов с их участием в виде происходящих последовательно (друг за другом) промежуточных событий. Расчеты поддаются лишь амплитуды вероятностей переходов системы из исходного состояния при , в котором все входящие в нее частицы находятся так далеко друг от друга, что взаимодействие между ними пренебрежимо мало в одно из допустимых законами сохранения  конечное состояние при , в котором продукты реакции вновь являются практически свободными объектами. Набор амплитуд таких переходов образует s-матрицу,  вычисление которой и является задачей релятивистской квантовой теории.

      Уравнение Клейна-Гордона было первой удачной попыткой обобщения уравнения Шредингера на случай релятивистского описания электромагнитных взаимодействий микрообъектов. В основе предложенного вывода лежала идея заменить нерелятивистский оператор Гамильтона в уравнении Шредингера

на его релятивистский аналог, вид которого устанавливался на основании сравнения классических (не квантово-механических)  выражений для релятивистской и нерелятивистской функций Гамильтона:

2.          
3.         ,

где учтена возможность взаимодействия зарядов с электрическим и магнитным полями, описываемыми потенциалами и A.

     Основная математическая трудность, возникающая при попытке перевести релятивистскую формулу  (3) на язык квантово-механических операторов состояла в том, что операция извлечения корня из оператора не определена. Предложенный выход состоял в переходе к уравнению второго порядка, возникающего при возведении в квадрат операторного аналога уравнения  (3), где сам оператор Гамильтона согласно (1) заменялся на оператор дифференцирования по времени:

4.   .

     Полученное таким образом уравнение могло быть легко протестировано на хорошо изученном частном случае описания фотона (q=0, m=0).  Подстановка указанных значений приводит к обыкновенному уравнению Д´Аламбера, описывающему распространение света в вакууме.

     Уравнение Клейна-Гордона в настоящее время считается правильным релятивистским обобщением уравнений квантовой механики, не учитывающих наличие спина у микрообъектов. Оно адекватно оисывает поведение частиц с нулевым спином.

27. Уравнение Дирака

      Спин. Спин является важнейшей характеристикой микрообъектов, которая не имеет сколько-нибудь близкого аналога в макроскопическом мире.

     Первыми экспериментами, в которых проявлялось это необычное свойство, были опыты Штерна и Герлаха по взаимодействию обладающих спином объектов с пространственно неоднородным магнитным полем (рис. 27_1). Пучок предварительно никак не ориентированных в пространстве атомов пропускался между полюсами магнита, в результате чего атомы испытывали отклонения в направлении магнитного поля, что было очень похоже на поведении в сходной ситуации небольших макроскопических магнитиков. Наличие внутри атома движущихся зарядов, способных взаимодействовать с магнитным полем, в принципе могло объяснить такое поведение даже на языке классической физики. Несколько странным выглядело лишь то, что исходный пучок не “размывался” в непрерывную полосу (чего следовало ожидать в случае потока произвольно ориентированных относительно поля намагниченных макроскопических частиц), а разделялся на несколько дискретных составляющих, что на классическом языке означало бы наличие дискретного набора разрешенных ориентаций частиц. Нерелятивистская квантовая механика объяснила наблюдаемое явление как результат квантования момента импульса и его проекции на направление магнитного поля. Каждая из возникающих в магнитном поле компонент пучка соответствует определенному значению магнитного квантового числа m, количество которых определяется величиной момента импульса и равно 2l+1. Аналогичное по природе явление наблюдалось в спектрах излучения атомов, помещенных в магнитное поле: спектральные линии расщеплялись на такое же число компонент, соответствующих определенному значению m (эффект Зеемана - снятие вырождения энергий при помещении системы в обладающее весьма низкой симметрией магнитное поле).  Описанные закономерности не выполнялись для атомов с нечетным числом электронов : например, пучки из атомов первой группы в наинизшем s-состоянии расцеплялись на две компоненты, хотя и не обладали вообще никаким  моментом.

     Для разрешение возникшего противоречия была высказана гипотеза о существовании у электрона собственного момента количества движения, названного спином. Очень грубая классическая аналогия позволяет сравнить обладающий спином электрон с планетой, совершающей помимо орбитального движения вокруг звезды, вращение вокруг своей оси. Вращающийся электрически заряженный шарик, в принципе, может участвовать в магнитных взаимодействиях, однако классические оценки показывают, что для количественного объяснения наблюдаемых эффектов скорость движения его поверхности должна превышать скорость света. Т.о. в нерелятивистскую квантовую механику спин был введен как дополнительное свойство бесструктурных частиц, объяснение природы возникновения которого не могло быть получено на основании принципов теории.

     Уравнение Паули. Формальное описание поведения электрона во внешнем магнитном поле, обусловленное наличием у него спина, было достигнуто в рамках модификации нерелятивистского уравнения Шредингера, предложенной Паули. Идея состояла в замене шредингеровской воновой функции двухкомпонентным вектором

(1)     ,

удовлетворяющему несколько видоизмененному уравнению:

(2)       ,

где - оператор спина, действие которого переводит компоненты волновой функции друг в друга, конкретный вид которого был установлен исходя из анализа результатов опытов Штерна - Герлаха и достаточно общих соображений о поведении системы с двумя базисными состояниями при вращениях в пространстве системы координат. Нахождение электрона в одном из возможных спиновых состояний (при обсуждении концепции классической квантовой механики для них использовались обозначения )  отождествляется с описанием его при помощи одной из двух компонент волновой функции.

     Уравнение Паули правильно описывает поведение нерелятивистского электрона во внешнем магнитном поле.

       Уравнение Дирака. Предложенное П.Дираком уравнение является обобщением уравнения Паули на случай движения заряженных частиц со спином 1/2  с  релятивистскими скоростями. К его конкретному виду можно прийти на основе сопоставления уравнений Шредингера, Клайна-Гордона и Паули: 

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*********       Спин не учитывается                                                  Учет наличия спина

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

                                            Нерелятивистская теория   

      (уравнение Шредингера)                                                                        (Уравнение Паули)

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

                                             Релятивистская теория 

   (уравнение Клейна-Гордона)                                                                  (Уравнение Дирака)

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Для сокращения записи уравнения приведены в операторном виде: сами волновые функции отсутствуют (напомним, что содержащие оператор спина уравнения в правом столбце таблицы подразумевают наличие двух компонент у волновых функций).

      С точки зрения математики уравнение Дирака является дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных. Чисто тождественными преобразованиями оно может быть сведено к системе из двух уравнений первого порядка. Последние можно объединить в одно уравнение первого порядка, связывающее четырехкомпонентные волновые функции. Релятивистское обобщение уравнения Паули приводит к необходимости допустить существование четырех  допустимых внутренних состояний электрона вместо двух, постулируемых в классической теории.

      Уравнение Дирака дает правильное количественное описание таких “тонких” эффектов атомно-молекулярной физики, как спин-орбитальное взаимодействие и позволяет верно рассчитывать поправки к энергиям атомных уровней, обусловленные релятивистской зависимостью массы от скорости. Написанные по аналогии с решением задачи для электрона выражения для описания магнитного взаимодействия ядра с электронами (изначально ниоткуда не следует, что тяжелые частицы, составляющие ядро должны подчиняться тем же уравнения, что и электроны) дают правильное описание сверх тонкой структуры спектральных линий. Уравнение Дирака подчиняется принципу соответствия: его разложение в ряд по малому параметру