Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Вакарчук І.О. Квантова механіка

.pdf
Скачиваний:
330
Добавлен:
14.02.2016
Размер:
5.24 Mб
Скачать

 

X

k2e−ikrj

 

 

 

 

X X

(kk)

e−i(k+k)rj

 

2

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

∂ρ

 

 

 

 

 

 

∂ρ

∂ρ

 

k=0

 

N

 

 

 

k=0 k=0

N

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

k

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

або, видiляючи члени з k + k

= 0 окремо, знаходимо

 

 

 

 

 

2

 

 

X

k2

 

 

 

 

 

 

1

X

k2

 

2

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

e−ikrj

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ρk

N k=0

∂ρk∂ρ−k

 

 

 

j

 

k=0 N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X X

(kk)

e−i(k+k)rj

 

 

 

2

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0 k=0

 

N

 

∂ρk∂ρk

 

 

 

 

 

 

 

 

6

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k6=0

Пiдставляючи цей вираз у гамiльтонiан ˆ i беручи до уваги озна-

H

чення величини ρk, маємо:

Hˆ =

X

 

~2k2

ρk

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0 2m

∂ρk

 

∂ρk∂ρ−k

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X X

~2(kk)

 

 

 

 

2

 

 

 

+

 

 

2m

 

ρk+k

 

 

 

 

k=0 k=0

∂ρk∂ρk

 

 

 

N

 

 

 

 

6

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

+

 

N(N − 1)

ν

 

+

N

 

ν

(ρ ρ

−k

1).

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2V

 

 

 

 

 

2V

k6=0

k

k

 

 

Перше, що впадає тут у вiчi, це те, що гамiльтонiан у ρk-

представленнi є неермiтовим перший доданок у перших круглих дужках. Це й не дивно, оскiльки перехiд вiд декартових координат (r1, . . . , rN ) до змiнних ρk не є унiтарним. Це очевидно хоча б з того, що кiлькiсть декартових змiнних дорiвнює DN (D вимiрнiсть простору), а кiлькiсть ρk-змiнних є безмежною, тому що, як ми знаємо, кожна з компонент вектора k (який нумерує величини ρk) перебiгає безмежну кiлькiсть значень, кратних до 2π/L, LD = V . Отже, серед змiнних ρk є зайвi. Вивчимо докладнiше це

питання8.

8Уперше цей метод “зайвих змiнних” застосували до розв’язку рiвняння

Шрединґера М. Боголюбов i Д. Зубарєв у 1955 роцi (ЖЭТФ, 1955, 28, с. 129).

731

Насамперед, як видно з означення, змiннi ρk є комплексними

величинами:

ρk = ρck − iρsk,

 

 

 

 

N

ρkc

1

X

=

 

j=1 cos(krj),

N

 

 

 

 

N

ρks

1

X

=

 

j=0 sin(krj ),

N

причому їхнi дiйснi та уявнi частини змiнюються в межах вiд

 

N) до

 

. Далi, оскiльки маємо умову, що ρ = ρ

 

k, тоб-

(

N

c

c

 

s

s

k

 

то

ρk

= ρ−k,

ρk

= −ρ−k, то змiннi з певним значенням iнде-

ксу k

збiгаються з точнiстю до знака зi змiнними, якi мають iн-

декс (−k). Це означає, що потрiбно враховувати лише величини ρk з iндексами k з пiвпростору їх можливих значень. Але й цих змiнних забагато. Тому перехiд до ρk-представлення повинен вiдбуватись iз деякою ваговою функцiєю J, що залежить вiд величин ρk i ефективно зменшуватиме до потрiбного рiвня роль

“зайвих” змiнних ρ , зокрема зробить рiвними об’єми конфiгура-

Rk R

цiйного простору dr1 . . . drN = V N та ρk-простору:

V N = k=0

 

 

kc

 

 

 

 

Z N

 

Z N ks J,

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

N

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iнтеґрування тут вiдбувається за дiйсними й уявними частинами величин ρk, причому до уваги беремо лише пiвпростiр значень k, що й позначено штрихом над символом добутку за k. Можемо говорити про функцiю J як про якобiан переходу вiд сукупностi декартових координат (r1, . . . , rN ) до сукупностi ρk-змiнних. Хвильовi функцiї нашої системи ψ в ρk-представленнi також нор-

муються з вагою:

k=0

Z N

kc

Z N ks J|ψ|2 = 1.

Y

 

 

 

 

 

6

 

N

 

N

 

 

 

 

 

 

732

Уведемо тепер шрединґерiвськi хвильовi функцiї, якi нормуємо вже без вагової функцiї, тобто “справжнi” хвильовi функцiї

(див. § 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ = ψ J,

k=0

 

 

 

 

 

 

 

Z N kc

 

Z N ks ¯|2 = 1.

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

N

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для цих нових функцiй рiвняння Шрединґера,

HJˆ −1/2ψ¯ = EJ−1/2ψ,¯

пiсля множення злiва на J1/2 є таким:

ˆ ¯ ¯

H ψ = Eψ,

де новий гамiльтонiан

Hˆ = J1/2HJˆ −1/2

вже повинен бути ермiтовим у звичайному сенсi. Принагiдно зауважимо, що таку ж процедуру ермiтизацiї гамiльтонiана частинки у представленнi сферичних координат ми застосували в при-

кладi до §39, де знайдено гамiльтонiан ˆ i попутно обчислено

H

якобiан переходу вiд декартових до сферичних координат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

Беручи до уваги ρk-представлення оператора H, простими пе-

ретвореннями знаходимо явний вигляд гамiльтонiана Hˆ :

Hˆ

 

X

~2k2

 

2

 

1 ∂ ln J 1 ∂2 ln J

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρk

 

 

+

 

 

 

 

k=0 2m

 

∂ρk∂ρ−k

2

∂ρk

2

∂ρk∂ρ−k

 

 

6

 

 

 

 

!

X X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ∂ρk

∂ρ−k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ k=0 k=0 2mNρk+k

 

 

 

1 ∂ ln J ∂ ln J

 

 

 

 

~2(kk )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

733

×

"

2

1 ∂2 ln J

 

 

1 ∂ ln J ∂ ln J

# + Kˆ

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

∂ρkρk

2

∂ρk∂ρk

 

4 ∂ρk ∂ρk

+

 

N(N − 1)

ν

 

+

N

X

ν

(ρ ρ

−k

1),

 

 

 

0

2V k6=0

 

 

 

 

2V

 

 

 

 

 

k

 

 

k

 

 

де неермiтова частина гамiльтонiана, яка породжена оператором кiнетичної енерґiї,

Kˆ

X

~2

"k2

ρk +

∂ ln J

 

1

 

X

(kkk+k

∂ ln J

#

= k=0

 

 

 

 

 

 

.

2m

∂ρ−k

∂ρk

∂ρk

N

k=0

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

Для того, щоб гамiльтонiан Hˆ

був ермiтовим, покладемо

Kˆ =

0 i звiдси знайдемо рiвняння, яке повинна задовольняти вагова функцiя J:

 

∂ ln J

1

X

(kk)

 

∂ ln J

 

ρk +

 

 

 

 

ρk+k

 

= 0.

∂ρ−k

k=0

k2

∂ρk

N

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

k+k6=0

Разом iз виписаною вище умовою рiвностi об’ємiв конфiгурацiйного простору та ρk-простору (умова нормування для J) це рiвняння повнiстю визначає вагову функцiю J.

Знайдене рiвняння для ln J дає змогу значно спростити га-

мiльтонiан ˆ . Справдi, враховуємо в ˆ другий i третiй доданки

H H

у квадратних дужках пiд знаком двох сум за k та kй виконуємо

простi вправи:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X X

~2(kk )

 

 

 

 

1 ∂ ln J ∂ ln J

1 ∂2 ln J

 

2m

 

ρk+k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0 k=0

4

∂ρk

∂ρk

2

∂ρk∂ρk

N

 

6

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

4 ∂ρk

2 ∂ρk

X

 

 

 

 

 

 

 

 

X

2mN

ρk+k∂ρk′

= k=0

k=0

 

 

 

1

 

∂ ln J

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~2(kk )

 

 

ln J

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

734

X

~2k2

 

 

1 ∂ ln J

1 ∂

 

 

∂ ln J

 

= k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρk +

 

 

 

 

 

 

2m

4

∂ρk

2

∂ρk

∂ρ−k

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

~2k2

1 ∂ ln J

 

 

 

 

∂ ln J

 

1

 

1 ∂2 ln J

 

= k=0

 

 

 

 

 

 

ρk +

 

 

 

 

 

.

2m

4 ∂ρk

∂ρ−k

2

2

∂ρkρ−k

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Друга рiвнiсть тут отримана завдяки рiвнянню для ln J. Пiдстав-

ляючи цей вираз у ˆ , бачимо, що багато доданкiв взаємно ско-

H

рочуються i в результатi:

Hˆ =

X

 

~2k2

 

 

2

 

 

 

 

1 ∂ ln J 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρk

 

 

 

 

 

k

 

2m

∂ρk∂ρ−k

4

∂ρk

2

 

X X

~2(kk)

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

+

 

 

2m

 

 

ρk+k

 

 

 

 

 

 

k=0 k=0

 

∂ρk∂ρk

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

6

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

N(N − 1)

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

−k

 

 

 

 

ν

 

+

 

 

 

ν

(ρ ρ

1).

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

2V

 

 

 

 

2V

k6=0

k

 

k

 

 

 

Будемо розв’язувати рiвняння для J методом послiдовних на-

ближень, формально приймаючи, що останнiй член у ньому iз сумою за kє пропорцiйним деякому малому параметровi. В ну-

льовому наближеннi маємо:

∂ ln J

ρk + ∂ρ−k = 0.

Звiдси, iнтеґруючи, одержуємо

1 X

ln J = ln C − 2 q=06 ρqρ−q,

Cстала, яку потрiбно знайти з умови нормування для J.

Унаступному наближеннi пiдставляємо цей вираз ln J в остан-

нiй доданок вихiдного рiвняння i знаходимо

 

∂ ln J

1

X

(kk)

 

ρk +

 

 

+

 

 

 

ρk+kρ−k= 0.

∂ρ

 

 

k2

−k

N

k=0

 

 

 

 

 

 

6

 

 

k+k6=0

735

Нехитрими перетвореннями легко показати, що останнiй доданок:

1

X

(kk)

 

1

X X

 

 

 

ρk+kρ−k= −

 

 

 

ρq1 ρq2 .

 

k2

 

 

N k=0

 

 

=0 q2

 

 

 

2 N q1

=0

 

 

6

 

 

 

 

 

6

6

 

 

k+k=0

 

 

 

 

q1+q2=k

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

Справдi, якщо в ньому зробити замiну змiнної пiдсумовування kна k′′ = −k − ki зауважити, що оскiльки (kk)/k2 = −k(k + k′′)/k2 = −1−(kk′′)/k2, то вiн розпадається на два доданки, з яких

другий знову дорiвнює вихiдному виразу зi знаком мiнус. Звiдси (з перепозначеннями k= −q1, k′′ = −q2) i випливає виписана

рiвнiсть. Цього результату можна досягнути ще й так:

1

 

X

(kk)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρk+k

ρ−k

 

 

 

 

k=0

k2

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

X X

(kq2)

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρq1

ρq2

 

 

 

 

 

 

k2

 

 

N q16=0 q26=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q1+q2=k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

X X

1

 

 

kq

 

kq

ρq1 ρq2 ,

= −

 

 

 

( 1)

 

+

( 2)

q1=0 q2=0 2

k2

k2

N

 

 

 

 

 

6

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q1+q2=k

перша рiвнiсть тут це очевиднi переозначення, а другу отримуємо як пiвсуму симетризованого за q1 та q2 виразу. Оскiльки квадратна дужка дорiвнює одиницi, внаслiдок того, що q1 + q2 = k,

то ми знову отримуємо попередню формулу. Пiдставляючи її в рiвняння для ln J та iнтеґруючи його, маємо:

 

1

X

1

 

X X X

ln J = ln C −

 

ρqρ−q +

 

 

 

 

ρq1 ρq2 ρq3 .

2

 

=0 q2

=0 q3

 

 

 

 

q=0

2 · 3 N q1

=0

 

 

6

 

 

 

6

6

6

 

 

 

 

 

q1+q2

+q3=0

736

Продовжуючи цей iтерацiйний процес iз використанням нашого симетризацiйного трюку, остаточно знаходимо9:

 

X

 

 

 

( )n−1

 

 

 

 

 

 

 

X

X

 

 

 

ln J = ln C +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

2

 

q1

=0

. . .

 

ρq1 . . . ρqn .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

2 n(n − 1)( N)

 

 

 

qn=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q1+...+qn=0

 

 

 

Якщо звiдси ln J пiдставити в останнiй вираз для гамiльтонi-

ана Hˆ , то остаточно знаходимо його явний вигляд:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hˆ = Hˆ0+ Hˆ ,

 

 

 

 

 

 

 

 

де

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hˆ0

=

 

~2k2

 

 

2

 

+

 

1

ρkρ−k

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0 2m

 

∂ρkρ−k

 

4

2

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

N(N − 1)

ν

 

+

 

N

 

ν

(ρ ρ

−k

1),

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2V

 

 

 

 

 

 

2V

k6=0

 

k

k

 

Hˆ

 

X X

 

~2(kk)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

=

 

 

2m

 

 

ρk+k

 

 

 

 

 

 

k=0 k=0

 

∂ρk∂ρk

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

n

 

 

 

 

 

 

(−)

 

 

n

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4n(n − 1)(

 

 

N)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

XX ~2

×k1=06 . . . kn=06 2m (k12 + . . . kn2 k1 . . . ρkn .

k1+...+kn=0

Оператор ˆ є, як ми й очiкували, гамiльтонiаном безмежної су-

H0

купностi незв’язаних мiж собою гармонiчних осциляторiв, якi опи-

сують коливання густини частинок системи. Оператор ˆ пред-

H

ставляє внесок вiд ангармонiчностi цих коливань, причому, якщо

9Цiкаво, що цей ряд неважко формально пiдсумувати (записуючи умову q1 + . . . + qn = 0 iнтеґральним зображенням символу Кронекера) i подати

його компактним виразом. Залишаємо це читачам.

737

другий доданок у ньому звичнi нам “кубiчнi” та вищi ангармонiзми, то перший є своєрiдним ангармонiзмом, оскiльки вiн квадратичний за “iмпульсами” ∂/∂ρk i лiнiйний за “координатами”

ρk.

Надалi зосередимо нашу увагу на обчисленнi власних значень i

власних функцiй гамiльтонiана ˆ , а оператор ангармонiзмiв ˆ

H0 H

не будемо брати до уваги. Внесок ангармонiчних членiв можна

розраховувати методами стандартної теорiї збурень. Розв’язок за-

дачi з гамiльтонiаном ˆ легко знайдемо, користуючись резуль-

H0

татами §§21, 22. Ситуацiя аналогiчна до процедури квантування

вiльного електромагнiтного поля. У зв’язку з цим робимо лише вiдповiднi перепозначення i враховуємо, що актуальними змiна-

ми є величини ρkc та ρks , iндекси яких набувають значень лише з

пiвпростору всiх можливих значень k. Далi, оскiльки

 

 

то

 

 

ρk = ρkc − iρks ,

 

ρ−k = ρkc + iρks ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρkc =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρks =

 

 

i

− ρ−k),

 

 

 

 

 

 

 

k + ρ−k),

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

+ i

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

− i

 

 

∂ρk

2

∂ρkc

∂ρks

 

 

∂ρ−k

2

∂ρkc

∂ρks

i гамiльтонiан

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hˆ

=

 

 

~2k2

 

 

2

+

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

k=0

 

 

4m

∂ρkc2

 

 

 

 

∂ρks2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~2k2

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+

 

 

νk kc2 + ρks2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4m

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N(N

1)

 

 

 

X

 

~2k2

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν0

k=0

 

 

+

 

 

νk ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2V

 

 

 

 

 

4m

2V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

штрих бiля першої суми за k означає, що пiдсумовування за k йде лише в пiвпросторi значень k. Уведемо тепер частоту осцилятора

738

ωk та його масу mk такi, щоб множники бiля квадратiв змiнних

та других похiдних вiдповiдали гармонiчному осциляторовi

 

mkωk2

 

~2k2

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

+

 

νk,

 

 

 

 

 

2

4m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

~2

=

~2k2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2mk

 

4m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Звiдси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mk = 2m/k2, ωk = ~k2

αk,

 

 

u

2N

νk

~2k2 .

αk = v1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

,

 

 

 

 

 

 

 

2m

 

 

 

 

 

 

V

2m

Продовжуючи аналогiю з гармонiчним осцилятором, уведемо знерозмiрену координату

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξk = ρk,s

 

 

 

=

αkρk,

 

 

 

 

 

mkωk

 

через яку й запишемо гамiльтонiан Hˆ0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hˆ

X

~ω

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

X

~ω

 

 

2

 

=

 

 

 

 

 

 

 

+ ξc2 +

 

 

 

 

 

+ ξs2

 

0

k=0

 

k

∂ξkc2

 

 

k

k=0

 

 

k

∂ξks2

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

N

 

1)

 

 

 

~2k2

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

+

N(

 

ν0

k=0

 

+

 

 

νk

 

 

 

 

 

2V

 

4m

 

2V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Маємо гамiльтонiан двох безмежних сукупностей гармонiчних осциляторiв або одну сукупнiсть двовимiрних осциляторiв (це вiдповiдає дiйснiй та уявнiй частинам ρk). Уведемо тепер два “сорти”

операторiв породження i знищення, як це було зроблено в §22,

ˆ+

1

µ

 

d

,

bk,µ

=

 

ξk

 

kµ

2

ˆ

1

µ

 

d

,

bk,µ

=

 

ξk

+

 

kµ

2

739

µ = (c, s) з переставними спiввiдношеннями

ˆ ˆ+

ˆ+ ˆ

bk,µbk,µ

− bk,µbk,µ = 1,

а всi решта можливi комутатори дорiвнюють нулевi. Гамiльтонiан

 

X X

 

 

 

1

 

 

 

Hˆ0=

k=0µ=c,s ~ωk ˆbk+ˆbk,µ +

2

 

 

 

6

 

X

 

 

 

 

 

νk .

 

 

N

1)

~2k2

 

 

N

 

 

ν0 k=0

 

 

+

N( −

 

 

+

 

2V

 

4m

2V

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

Тепер уже легко виписуємо з §22 енерґетичнi рiвнi нашої системи

 

c

s

X

~

 

c

 

1

 

X

~

s

 

1

 

E...,nk,...;...,nk,... = k=0

 

ωk nk

+ 2

 

+ k=0

ωk

nk

+

2

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

N

1)

 

X

 

~2k2

 

N

 

,

 

 

 

 

 

+

N( −

 

ν0

k=0

 

+

 

 

νk

 

 

 

 

 

2V

 

4m

2V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

де квантовi числа nck = 0, 1, 2, . . .; nsk = 0, 1, 2, . . ., а також вiдпо-

вiднi хвильовi функцiї

 

 

 

Y

 

 

 

q

 

 

 

¯

c

s

=

mkωk 1/4 e−ξkc2/2

c

c

ψ...,nk,...;...,nk,...

 

π~

 

 

nc c

Hnk

k)

 

 

 

k6=0

 

 

2

k nk!

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

×

mkωk 1/4 e−ξks2/2

s

s

 

 

 

 

π~

 

 

 

Hnk

k),

 

 

 

k6=0

 

 

2

k nk!

 

 

де Hn(ξ) полiном Ермiта.

Отже, вивчення нашої вихiдної системи багатьох взаємодiючих бозе-частинок квантової рiдини ми звели до вивчення безмежної сукупностi квазiчастинок або елементарних збуджень, якi моделюємо квантовими осциляторами. Цi квазiчастинки також є бозонами. У головному наближеннi вони не взаємодiють

740