8. Квантовая механика I - Ричард Фейнман

а2 -1/4a2 = 0. или а4 =1/4.

Из четырех решений этого уравнения только два приводят к детерминанту стандартной формы. Мы можем принять а=1/Ц2;

тогда

Иными словами, для двух приборов S и T при условии, что Т повернут относительно S на 90° вокруг оси у, преобра­зование имеет вид

Эти уравнения можно, конечно, разрешить относительно С+ и С-; это даст нам преобразование при повороте вокруг оси у на -90°. Переставив еще и штрихи, мы напишем

§ 5. Повороты вокруг оси х

Вы, пожалуй, подумаете: «Это становится смешным. Чему же нас теперь будут учить— поворотам на 47° вокруг оси у, потом на 33° вокруг x? Долго ли это будет продолжаться?» Нет, оказы­вается, я почти все рассказал. Зная только два преобразова­ния — на 90° вокруг оси у и на произвольный угол вокруг оси z (как вы помните, именно с этого мы начали),— мы уже способны производить любые повороты.

Для иллюстрации предположим, что нас интересует пово­рот на угол а вокруг оси х. Мы знаем, как быть с поворотом на угол а вокруг оси z, но нам нужен поворот вокруг оси х. Как его определить? Сперва повернем ось z вниз до оси х, а это есть поворот на +90° вокруг оси у (фиг. 4.8).

Фиг. 4.8. Поворот на угол a вокруг оси х равнозначен повороту на +90° вокруг оси у (а), за которым следует поворот ни а вокруг оси z' (б), вслед за которым про­исходит поворот на -90° вокруг оси. у" (в).

Затем во­круг оси z' повернемся на угол a. А потом повернемся на -90° вокpуг оси у".

Итог этих трех поворотов тот же самый, что при повороте вокруг оси х на угол a. Таково свойство пространства. (Все эти сочетания поворотов их результат очень трудно себе представить. Не правда ли, странно, что, живя в трех измерениях, мы все же с трудом воспринимаем, что произойдет, если сперва повернуться так, а потом еще как-нибудь. Вероятно, если бы мы были птицами или рыбами и если а мы на собственном опыте знали, что бывает, когда все время крутишь разные сальто в пространстве, нам было бы легче воспринимать подобные вещи.) Во всяком случае, давайте выведем преобразование для поворота на угол а вокруг оси х, пользуясь тем, что нам уже известно. При первом повороте на +90° вокруг оси у амплитуды следуют закону (4.32). Если повернутые оси обозначить х', y' и z', то последующий поворот на угол а вокруг оси z переводит нас в систему отсчета х". у", z", для которой

Последний поворот на -90° вокруг оси у" переводит нас в систему х'", у'", z'"; из(4.33) следует

Сочетая эти два последних преобразования, получаем

Подставляя сюда вместо С'+и С'- (4.32), придем к полному преобразованию

А если вспомнить, что

то эти формулы можно записать проще:

Это и есть наше искомое преобразование для поворота вокруг оси х на любой угол a. Оно лишь чуть посложнее остальных,

§ 6. Произвольные повороты

Теперь уже понятно, как быть с произвольным поворотом. Во-первых, заметьте, что любая относительная ориентация двух систем координат может быть описана тремя углами (фиг. 4.9).

Фиг. 4.9. Ориентацию лю­бой системы координат х', у', г' по отношению к другой системе х, у, z можно опре­делить с помощью углов Эйлера a, b, g.

Если есть система осей х', у', z', ориентированных относительно х, у, z как угодно, то соотношение между ними можно описать тремя углами Эйлера a, b и g, определяющими три последовательных поворота, которые переводят систему х, у, z в систему х', у', z' . Отправляясь от x, у, z, мы повора­чиваем нашу систему на угол bets вокруг оси z, перенося ось х на линию х'. Затем мы проводим поворот на угол а вокруг этой временной оси х1, чтобы довести ось z до z'. Наконец, по­ворот вокруг новой оси z (т. е. вокруг z') на угол g переведет ось х1в х', а ось у в у'. Мы знаем преобразования для каж­дого из трех поворотов — они даются формулами (4.19) и (4.34). Комбинируя их в нужном порядке, получаем

Итак, начав просто с некоторых предположений о свойст­вах пространства, мы вывели преобразование амплитуды при любом повороте. Это означает, что если нам известны ампли­туды того, что любое состояние частицы со спином 1/2 перейдет в один из двух пучков прибора Штерна — Герлаха S с осями х, у, z, то мы можем подсчитать, какая часть перейдет в каж­дый пучок в приборе Т с осями х', у' и z'. Иначе говоря, если имеется состояние y частицы со спином 1/2, у которого ам­плитуды пребывания вверху и внизу по отношению к оси z системы координат х, у, z равны С+=<+|y> и С-=<-|y>, то тем самым мы знаем амплитуды С+и C- пребывания вверху и внизу по отношению к оси z' любой другой системы х', у", z' , Четверка коэффициентов в (4.35) — это члены «матрицы преобразования», с помощью которой можно проецировать амплитуды частицы со спином 1/2 в другие системы ко­ординат.

Теперь решим несколько примеров, чтобы посмотреть, как все это работает. Возьмем следующий простой вопрос. Пустим атом со спином 1/2 через прибор Штерна — Герлаха, пропу­скающий только состояние (+z). Какова амплитуда того, что атом окажется в состоянии (+x)? Ось +х — это все равно, что ось +z' системы, повернутой на 90° вокруг оси у. Поэтому в этой задаче проще воспользоваться выражением (4.32), хотя, конечно, можно применить и полное уравнение (4.35). По­скольку С+=1 и С-=0, то получится С'+=1/Ц2. Вероятности -это квадраты модулей этих амплитуд; таким образом, 50% шансов за то, что частица пройдет сквозь прибор, отбирающий состояние (+х). Если бы мы поинтересовались состоянием (-х), то амплитуда оказалась бы -1/Ц2, что опять дало бы вероятность 1/2, чего и следовало ожидать из симметрии про­странства. Итак, если частица находится в состоянии (+z), то ей в равной степени вероятно побывать в состояниях (+x) и (-х). Но фазы противоположны.

Ось у тоже без претензий. Частица в состоянии (+z) имеет равные шансы быть в состоянии (+у) или (-у). Но теперь (согласно формуле для поворота на -90° вокруг оси х) амплитуды суть l/Ц2 и -i/Ц2. В этом случае разница в фа­зах двух амплитуд уже не 180°, как было для (+х)и (-х), а 90°. В этом-то и проявляется различие между х и у.

Вот еще пример. Пусть нам известно, что частица со спином 1/2 находится в состоянии y, поляризованном вверх относи­тельно оси А, определяемой углами q и j (фиг. 4.10).

Фиг. 4.10. Ось А, определяе­мая полярными углами q и j.

Мы хо­тим знать амплитуду <C+|y> того, что частица относительно оси z окажется в состоянии «вверх», и амплитуду <C-|y> того, что она окажется в состоянии «вниз» относительно той же оси z. Эти амплитуды мы можем найти, вообразив, что А есть ось z' системы, у которой ось х' направлена произвольно, ска­жем лежит в плоскости, образованной А и z. Тогда можно перевести систему А в систему х, у, z тремя поворотами. Во-первых, надо сделать поворот на -p/2 вокруг оси A, что пере­ведет ось x в линию В на рисунке. Затем повернуть на — 0 вокруг линии В (вокруг новой оси х системы А), чтобы ось А попала на ось z. И, наконец, повернуть вокруг оси z на угол (p/2-j).

Вспоминая, что вначале было только одно состояние (+) по отношению к А, получаем

Мы хотели бы напоследок подытожить результаты этой главы в форме, которая окажется полезной для нашей даль­нейшей работы. Во-первых, напомним, что наш основной ре­зультат (4.35) может быть записан в других обозначениях. Заметьте, что (4.35)— это то же самое, что и (4.4) Иначе го­воря, в (4.35) коэффициенты при С+=<+S|y> и C'-= <-S|y> суть как раз амплитуды <jT|iS>в (4.4), амплитуды того, что частица в состоянии i по отношению к S окажется в состоя­нии j по отношению к Т (когда ориентация Т по отношению к S дается углами a, b и g). Мы их также называли RTSjiв выра­жении (4.6). (Чего-чего, а обозначений у нас хватало!) Например,— это коэффициент при С+в формуле для С- , а именно isin(a/2)exp[i(b-g)/2]. Поэтому сводку наших ре­зультатов мы можем дать в виде табл. 4.1.