導(dǎo)出躍遷矩陣元計算公式的一個新方法

于熙齡

(遼寧大學(xué) 物理學(xué)院,遼寧 沈陽 110036)

導(dǎo)出躍遷矩陣元計算公式的一個新方法

于熙齡

(遼寧大學(xué) 物理學(xué)院,遼寧 沈陽 110036)

從量子場論的量子化思想和基本的理論結(jié)果出發(fā),導(dǎo)出一個改進(jìn)的躍遷矩陣元的計算公式,使它更加符合躍遷這一物理過程發(fā)生、發(fā)展的機(jī)理,可以在更廣泛的范圍內(nèi)應(yīng)用.

量子場;躍遷因子;躍遷矩陣元

0 引言

計算躍遷矩陣元是把量子場的基本理論應(yīng)用于解決許多實際問題的重要途徑.但是我們發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的有關(guān)文獻(xiàn)中,在處理這個問題時沒有把場的量子化思想和基本的理論結(jié)果貫徹其中,反而把物理量和量子態(tài)都看作是時間的當(dāng)然的連續(xù)函數(shù),使得給出的躍遷矩陣元計算公式中有許多不盡人意之處.我們在此無意討論這些問題,現(xiàn)在讓我們從另一個思路出發(fā),即從量子化思想和基本的理論結(jié)果出發(fā),導(dǎo)出一個具有普遍意義的躍遷矩陣元的計算公式,使它更加符合躍遷這一物理過程發(fā)生、發(fā)展的機(jī)理.

1 哈密頓算符及其作用時間

在相互作用表象中,量子系統(tǒng)的相互作用哈密頓算符與時間有關(guān),這一點也體現(xiàn)在各量子場平面波展開式中的湮滅算符和產(chǎn)生算符身上,它們起作用的時間是與包含它們的場量展開式中的時間t綁定的.它們在起作用的時間點上將湮滅和(或)產(chǎn)生一些粒子,使量子態(tài)發(fā)生不連續(xù)的突變.我們曾在本文參考文獻(xiàn)[1]的(12)式中把來自場量展開式的湮滅算符和產(chǎn)生算符起作用的時間用下角標(biāo)來表示.現(xiàn)在,我們將下角標(biāo)移到表達(dá)式內(nèi),把湮滅算符和產(chǎn)生算符改寫成如下形式

(1)

(2)

(3)

任意兩個相鄰的時間節(jié)點之間的差可記為

(4)

(5)

在其它時間節(jié)點處有類似情況.電磁相互作用哈密頓算符HI與此類似.

2 量子態(tài)的演化和躍遷矩陣元

(6)

在以下的推導(dǎo)中,為書寫簡單,暫時將變量tk的下角標(biāo)去掉,在最后的結(jié)果中再恢復(fù).為貫徹場量的量子化思想及其基本的理論結(jié)果,我們將上式離散化,改寫成差分形式,有

|t+Δt〉-|t〉=-iHI(t)|t〉Δt

上式的右邊部分可改寫成積分形式,有

或

恢復(fù)下角標(biāo),有

=[1+W(k+1,k)]|k〉

(7)

(7)式給出了相鄰的兩個量子態(tài)之間的遞推關(guān)系.式中

(8)

當(dāng)m=1時,已如(7)式所示.

當(dāng)m=2時,有

|k+2〉=[1+W(k+2,k+1)]|k+1〉

(9)

把(7)式代入(9)式,有

|k+2〉=[1+W(k+2,k+1)][1+W(k+1,k)]|k〉

(10)

當(dāng)m=3時,同理有

|k+3〉=[1+W(k+3,k+2)][1+W(k+2,k+1)][1+W(k+1,k)]|k〉

…………,

原則上,k可從任意值起,k=(1,2,3,…),遞推到任意的第(k+m)態(tài):

|k+m〉=[1+W(k+m,k+m-1)]……[1+W(k+2,k+1)][1+W(k+1,k]|k〉

(11)

(11)式是利用遞推的方法得到的量子態(tài)演化方程的一般解.現(xiàn)在如果我們把k=1的態(tài)|1〉作為量子反應(yīng)過程開始的初態(tài),(11)式可簡單地寫成

|m+1〉=[1+W(m+1,m)]……[1+W(3,2)][1+W(2,1)]|1〉

(12)

考慮到由(12)式給出的量子態(tài)的躍變只是粒子的種類和數(shù)量的改變,不涉及其它的物理條件,得到的|m+1〉態(tài)是個通解,是各個可能的特解的線性疊加.如果我們假定第1態(tài)是個物理條件確定的初態(tài),記為|1〉i,而需要求解的是一個符合題設(shè)物理條件的特解.這時可用量子態(tài)的完備性條件

(13)

把(12)式表示成各個特解的線性疊加,

(14)

再從中把感興趣的那一個特解,例如(14)式中下角標(biāo)為某個f的那一個,抽取出來,就有

(15)

用符號Sf,i表示此式中的矩陣元,有

(16)

它就是從確定的態(tài)|1〉i經(jīng)過m步到達(dá)我們感興趣的態(tài)|m+1〉f的躍遷矩陣元(或躍遷振幅).

3 躍遷矩陣元的簡化

將(16)式中的連乘積展開,會得到一個很復(fù)雜多項式,但是在此多項式中不是每一項都對躍遷矩陣元有貢獻(xiàn),有的項能夠使量子反應(yīng)過程從初態(tài)到達(dá)末態(tài),稱這樣的項為有效項;相反,有的項對躍遷矩陣元沒有貢獻(xiàn),稱為無效項,因此可將它們事先剔除.為剔除那些無效項,既簡單又明確的辦法是在(16)式中相乘的各因子之間插入類似于(13)式的完備性條件,求出每一步躍遷的矩陣元.例如當(dāng)m=2時,可將(16)式寫成

Sf,i=f〈3|[1+W(3,2][1+W(2,1]|1〉i

={f〈3|[1 +W(3,2]|2〉f1}{f1〈2|[1+W(2,1]|1〉i}

={f〈3|[W(3,2]2〉f1}{f1〈2|[W(2,1]|1〉i}

=Sf,f1Sf1,i

(17)

即從確定的第1態(tài)|1〉i到確定的第3態(tài)|3〉f的躍遷矩陣元等于從第1態(tài)到第2態(tài)的躍遷矩陣元和從第2態(tài)到第3態(tài)的躍遷矩陣元的乘積,而且對每一步的躍遷矩陣元有貢獻(xiàn)的僅僅是由(8)式給出的躍遷因子W(k+1,k),而與躍遷因子相加的數(shù)字1沒有貢獻(xiàn).顯然,這種做法可用于其它類似的地方,這樣(16)式可改寫成

Sf,i=Sf,fmSfm,m-1,……Sf2,f1Sf1,,i

(18)

此式就是我們給出的計算躍遷矩陣元的公式.其中的任何一步都可利用(8)式算出.為使(8)式中的積分呈四維的時空形式,我們可將哈密頓算符寫成哈密頓密度算符的體積分.例如,在電磁相互作用下,利用(5)式,可寫成

(19)

上述的(16)式是態(tài)的運動方程(6)在離散的情況下,通過遞推關(guān)系得到的,其間沒做任何其他近似,得到的解(11)或(12)是態(tài)方程的嚴(yán)格解,因而這個解中的躍遷矩陣元(18)式也就當(dāng)然是這個過程中躍遷機(jī)理的嚴(yán)格表述.

為描述一個完整的量子反應(yīng)過程,需要多少個時間節(jié)點呢？是需要無窮多個才‘精確’嗎？不是的！現(xiàn)在我們感興趣的絕大多數(shù)問題都是只要幾個節(jié)點就夠了.這是因為哈密頓算符中包含的湮滅算符和產(chǎn)生算符的總數(shù)有限,在每個節(jié)點處,哈密頓算符的不同僅在于湮滅算符和產(chǎn)生算符各自的數(shù)目不同,它們的總數(shù)是固定的.因此它們的不同的編排方式也是有限的,每種編排方式都會很快地重復(fù)出現(xiàn).一個量子過程從初態(tài)開始,一經(jīng)達(dá)到終態(tài),過程就停止了,完成了.這期間需要多少個節(jié)點,可根據(jù)哈密頓算符的結(jié)構(gòu)和已有的物理知識作出判斷.例如,由(5)式給出的哈密頓密度算符,其中包含三個場量,每個場量中有一個湮滅算符和一個產(chǎn)生算符,總共六個.如果問題不涉及正電子,將正電子的湮滅算符和產(chǎn)生算符排除,就只剩下光子的湮滅算符(a)和產(chǎn)生算符(a+),電子的湮滅算符(c)和電子的產(chǎn)生算符(c+),這四個算符了.由(5)式可知,把這四個算符分成每三個一組的正規(guī)乘積組合,每組內(nèi)必須有一個電子的湮滅算符,一個電子的產(chǎn)生算符和一個光子算符(湮滅算符或產(chǎn)生算符),這就只有兩種組合了:(c+ca)和(c+a+c).對于我們感興趣的量子反應(yīng)過程,通常是始末狀態(tài)的粒子都是那些處于自由狀態(tài)時是穩(wěn)定的粒子.如果過程是從(c+ca)開始到(c+a+c)結(jié)束,則符合要求的粒子反應(yīng)只需兩個節(jié)點的躍遷就可以精確描述了.這時由(4)式表達(dá)的兩節(jié)點之間的寬度只有一個,因此,這個時間寬度既是漲落子q的壽命也是這個反應(yīng)過程的特征時間了.這其中的詳細(xì)情況可參閱本文參考文獻(xiàn)[1].

4 結(jié)語

綜上所述,由于(18)式給出的躍遷矩陣元表達(dá)式是個精確解,它清楚地反映了躍遷過程的步驟和機(jī)理.它不是按某個小量的展開,即它不是‘微擾’展開,因而不屬于‘微擾論’的范疇.對任何一個粒子反應(yīng)過程,只要確定了節(jié)點的個數(shù),不論是強(qiáng)相互作用還是弱相互作用,不論給出的結(jié)果在數(shù)值上有多么大或多么小,都是有限的精確結(jié)果！

[1] 于熙齡.對傳播函數(shù)的一個質(zhì)疑和量子場的漲落[J].遼寧大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2017(1)：18-24.

[2] 朱洪元.量子場論[M].北京：科學(xué)出版社,1960.

[3] 辛忠政,宮學(xué)惠.量子場論簡明教程[M].沈陽：遼寧大學(xué)出版社,1992.

[4] 殷鵬程.量子場論綱要[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1986.

[5] 程國均,楊守智.量子場論引論[M].成都：四川大學(xué)出版社,1980.

[6] 何寶鵬,熊鈺慶.量子場論導(dǎo)論[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社,1990.

[7] Bjorken J D,Drell S D.Relativistic Quantum Fields.McGraw-Hill Book-Company,1965.(中譯本:相對論量子場,科學(xué)出版社,1984).

[8] 陳亞孚.量子電動力學(xué)導(dǎo)論——光子學(xué)導(dǎo)引[M].北京：兵器工業(yè)出版社,1992.

[9] Itzykson C,Zuber J B.Quantum Field Theory[M].McGraw-Hill Inc,1980.

(責(zé)任編輯鄭綏乾)

更正聲明

遼寧大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2017第1期《對傳播函數(shù)的一個質(zhì)疑和量子場的漲落》中的(14)(17)(24)(25)式書寫有誤,它們分別應(yīng)為:

(14)

(17)

(24)

(25)

特此更正.

ANewMethodforDerivingtheFormulaofTransitionMatrixElement

YU Xi-ling

(CollegeofPhysics,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)

The paper is based on quantization of quantum field theory and basic theoretical results,an improved formula for calculating the transition matrix element is derived,which to be make more in line with the mechanism of the occurrence and development of the physical process of transition,which can be used in a wider range of applications.

quantum field;transition factor；transition matrix element

2017-05-14

于熙齡(1937-)，男，沈陽人，滿族，教授，從事理論物理研究.

O 413.2

A

1000-5846(2017)03-0229-05