Фейнмановские лекции по физике. 9. Квантовая механика II

Фейнман Ричард Филлипс

Как же нам найти матрицу поворота для поворота частицы со спином j на угол q вокруг оси у? Опираясь на основные за­коны (и на то, что уже было), это сделать нелегко. Мы так посту­пали со спином ¹/₂: вывели все, что нужно, пользуясь довольно сложными соображениями симметрии. Для спина 1 мы это про­делали уже иначе: рассмотрели частный случай, когда система со спином 1 складывается из двух систем со спином ¹/₂. Если вы последуете за нами и признаете правильным тот факт, что в общем случае ответы зависят только от спина j, а не от того, как скреплены между собой разные части системы со спином j, то мы сможем обобщить рассуждения для спина 1 на произвольный спин. Мы сможем, например, соорудить искусственную систему со спином ³/₂

из трех объектов со спином ¹/₂. Мы сможем даже избежать всяких усложнений, вообразив, что все они суть различные частицы — скажем, протон, электрон и мюон. Преобразуя каждый объект со спином ¹/₂, мы увидим, что происходит со всей системой — надо только вспомнить, что для комбинированного состояния все амплитуды перемножаются. Давайте посмотрим, как все это проходит.

Допустим, мы расположили все три объекта со спином ¹/₂ спинами вверх; обозначим такое состояние |+++>. Если мы взглянем на него из системы координат, повернутой относительно оси z на угол j, то каждый плюс останется плюсом, но умно­жится на е^ij/2. Таких множителей у нас тройка, так что

Ясно, что состояние |+++> — это как раз то, что мы назы­ваем состоянием m=+³/₂, или состоянием |³/₂, + ³/₂>.

Если мы затем повернем эту систему вокруг оси у, то у каж­дого из объектов со спином ¹/₂ появится некоторая амплиту­да стать плюсом или стать минусом, так что вся система станет теперь смесью восьми возможных комбинаций |+++>,

|++->, |+-+>, |-++>, |+-->, |-+->,

|--+> или |--->. Ясно, однако, что их можно раз­бить на четыре группы, чтобы каждая соответствовала своему значению m. Прежде всего мы имеем |+++>, для которого m=³/₂. Затем имеется тройка состояний |++->, |+-+> и |-++> — каждое с двумя плюсами и одним минусом. Поскольку каждый из объектов со спином ¹/₂ имеет равные шансы стать после поворота минусом, то каждая из этих трех комбинаций должна войти на равных паях. Поэто­му возьмем комбинацию

где множитель 1/Ц3 поставлен для нормировки. Если мы по­вернем это состояние вокруг оси z, то получим множитель e^ij/2 для каждого плюса и e^{– if/2}для каждого минуса. Каждое слагаемое в (16.27) умножится на e^ij/2, и общий множитель е^ij/2 мы вынесем за скобки. Такое состояние соответствует нашему представлению о состоянии с m=+¹/₂; мы приходим к выводу, что

Точно так же можно написать

что соответствует состоянию с m=-¹/₂. Заметьте, что мы берем только симметричные сочетания, у нас нет комбинаций, куда входят слагаемые

со знаком минус. Они отвечали бы со­стояниям с таким же т, но с иным j. Это аналогично случаю спина 1, где (1/Ц2){|+->+|-+>} было состоянием | 1,0>, а (1/Ц2){|+->-|-+>} было состоянием | 0,0>. Наконец, мы имеем

Эта четверка состояний сведена в табл. 16.1.

Таблица 16.1 · СВОДКА СОСТОЯНИЙ

Все, что нам теперь нужно сделать, это взять каждое состоя­ние, повернуть его вокруг оси у и посмотреть, сколько новых состояний оно создаст — пользуясь известной нам матрицей поворота для частицы спина ¹/₂. Можно поступать так же, как мы это делали в случае спина 1 [см. гл. 10, § 6 (вып. 8)]. (Только алгебры будет побольше.) Мы будем строго следовать идеям гл. 10 (вып. 8), так что подробных объяснений давать не будем. Состояния в системе S будут обозначаться

и т. д.; T– системой будет считаться система, повернутая вокруг оси у системы S на угол q. Состояния в T– системе будут обозна­чаться |³/₂, + ³/₂, Т>, |³/₂, + ¹/₂, Т>и т. д. Ясно, что | ³/₂, + ³/₂, Т>это то же самое, что | +' + ' + ' > (штрихи всегда относятся к T– системе). Точно так же |³/₂, +¹/₂, Т>будет равняться

и т. д. Каждое |+'>-состояние в T– системе получается как из |+>-, так и из |->-состояний в системе S с помощью матрич­ных элементов из табл. 10.4 (вып. 8, стр. 267).

Если мы имеем тройку частиц со спином ¹/₂, то (10.47) надо заменить на

Пользуясь обозначениями табл. 10.4, получим вместо (10.48) уравнение

Это уже дает нам некоторые из наших матричных элементов <jT| iS>. Чтобы получить выражение для ³/₂, +¹/₂, S> мы дол­жны исходить из преобразования состояния с двумя плюсами и одним минусом. К примеру,

Добавляя два сходных выражения для + — +> и | — + +> и деля на ]/3, найдем

Продолжая этот процесс, мы найдем все элементы <jТ|iS> матрицы преобразования. Они приведены в табл. 16.2. Первый столбец получается из (16.32), второй — из (16.34). Последние два столбца были вычислены таким же способом. Теперь допустим, что T– система была повернута относительно S– системы на угол q вокруг ее оси у. Тогда а, b, с и d равны [см. (10.54), вып. 8]: а=d=cosq/2, с=-b=sinq/2. Под­ставляя это в табл. 16.2, получаем формулы, похожие на вторую половину табл. 15.2, но на этот раз для системы со спином ³/₂.