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dirac粒子的哈密顿量子群
自由空间和中心力场中的自拉c颗粒的本征解是处理物理问题的基础。坐标空间、自由空间、反粒子空间的动态自由度及其相应的数量是这些基本单位的先决条件。自由空间、螺旋算子和反粒子算子是描述直颗粒数量子的相关算子。本文有助于澄清古典算子和经典素养理论中的一些基本物理问题。
(A) 自由粒子的哈密顿量为
?Η=cp?α+mc2β,(1)H?=cp?α+mc2β,(1)
引进粒子-反粒子空间的算符τi:
τ1=(0110),τ2=(0-ii0),τ3=(100-1).(2)
α和β矩阵(或γμ矩阵)可分解为自旋空间算子σi和正-反粒子空间的算子τi的直积,
α=σ?τ1,β=Ι?τ3,(3)
约定自旋空间的算子(σi,Iσ)应作为矩阵元插入正-反粒子空间的算子(τi,Iτ); 这16个算子与γ空间的非线性的Clifford代数等价, 而后者是描述相互作用的需要.
哈密顿量可改写为
?Η=cp?σ?τ1+mc2Ι?τ3,(4)
Dirac粒子具有SUσ(2)?SUτ(2) 动力学对称性和三类自由度(DoF): 坐标空间r、 自旋空间σi和正-反粒子空间τi的自由度. 与此同时, Dirac粒子有5个守恒的物理量和相应的5个量子数: (1) 3个守恒的动量分量算子(?pi), (2) 螺旋性算子σ?p=p?σ/p,(3)正-反粒子空间算子?τ3
?τ3=μcpτ1+mc2τ3E=1E(mc2μcpμcp-mc2).(5)
Dirac粒子的本征波函数是三类守恒算子的本征波函数的乘积
?ψpμν(r,s,τ)=1(2π?)3/2eip?r/??Uμ(s)?Vν(τ).(6)
在
σp=(100-1)
的本征表象中, 其本征解为
U+1(s)=(10),U-1(s)=(01),(7)
?τ3的本征解为
?V+1(τ)=√E+mc22E(1μcpE+mc2),?V-1(τ)=√E+mc22E(-μcpE+mc21),(8)
能量E=√m2c4+p2c4,ν=+1对应粒子态, ν=-1 对应反粒子态. σp的4×4矩阵形式为
?Σp=Ιτ?σp=(σp00σp),?Σp?ψpμν=μ?ψpμν,(9)
?τ3的4×4矩阵形式
?Τ3=1E(mc2cpσpcpσp-mc2),?Τ3?ψpμν=ν?ψpμν.(10)
哈密顿量可表示为
?Η=E?Τ3,?Η?ψpμν=νE?ψpμν.(11)
反粒子态能量为负来自反粒子量子数ν=-1. 粒子-反粒子变换为
?C=(0iΙσ-iΙσ0)=?C+=?C-1,?C?ψpμν=?ψpμ-ν,(12)
哈密顿量对粒子-反粒子变换是反对称的(而非对称的):
{?C,?Η}=?C?Η+?Η←→C=0,?C?Η?C-1=-?Η,(13)
通过幺正变换,
?u=Ιτ?√11+?pz(1?pr1+?p?pl1+?pz-1),(14a)?pz=pzp,?pr=px-ipyp,?pr=px-ipyp,(14b)
回到通常的γ-矩阵表象,Dirac方程的本征解变为
ψpμν=?u?ψpμ-ν,(15)
ψp++(r,s,τ)=Ν(1?pl1+pzcpE+mc2?pl1+?pzcpE+mc2)eip?r/?,ψp-+(r,s,τ)=Ν(?pr1+?pz-1-?pr1+?pzcpE+mc2cpE+mc2)eip?r/?,ψp+-(r,s,τ)=Ν(-cpE+mc2?pl1+?pzcpE+mc21?pl1+?pz)eip?r/?,ψp--(r,s,τ)=Ν(?pr1+?pzcpE+mc2-cpE+mc2?pr1+?pz-1)eip?r/?,Ν=1(2π?)3/2√(E+mc2)(1+?pz)4E.(16)
螺旋性算子Σp和粒子-反粒子算子T3变为
Σp=Ιτ?(?pz?pr?pl-?pz),Σpψpμν=μψpμν,(17)Τ3=1E(mc2Ισcp(?pz?pr?pl-?p)cp(?pz?pr?pl-?pz)-mc2Ισ),Τ3ψpμν=νψpμν,(18)
哈密顿量和粒子-反粒子变换可表为
?Η=EΤ3,?Ηψpμν=νEψpμν,(19)C=?u?C?u-1=Ισ?τ2,Cψpμν=ψpμ-ν.(20)
B 在中心力场, Dirac粒子的哈密顿量
?Η=((mc2+Vs)+Vv,c?prσr-ic?rσr?κc?prσr+ic?rσr?κ,-(mc2+Vs)+Vv),(21)σr=σ?rr,?pr=-i?(ddr+1r),(22)
?κ代表其本征值±(j±1/2),?κ的物理意义是直角坐标系中的螺旋性算子Σp在球坐标系中的类比;?Η2=m2c4-(c?)2?2在直角坐标系中线性化, 导致螺旋性算子Σp代表自旋沿动量的投影;(?Η-Vs)2=m2c4-(c?)2?2在球坐标系中线性化, 导致?κ算子代
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