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四、量子旋进论运动方程的四维形式 旋进量子的均匀排列,成为旋进真空——量子旋进场。旋进量子的非均匀排列,成为非真空的物质——实物以及电磁场和引力场。实物是含有ш0 = 0 υ 0 υ 或m 0 = υ 0 υ 0 的旋进物质,场是未含有ш0或m 0子的旋进物质。我们把宇宙物质的任一有限部分称为客体,从而客体总是由有限数目的各种旋进量子所组成。只含有υ 0 或0 υ 的客体叫旋进物。只含有L 0 = 0 υ υ 0 或 Γ 0= 0 υ υ 0 的客体叫光子场——量子电磁场。只含有ш0或m 0的客体叫自旋为零的中性粒子。还含 ℮ 0 = υ 0 0 υ 或 Ə 0 = 0 υ υ 0 的客体叫自旋为零的荷电粒子。客体中除含有ш0或m 0之外还含有0 υ 或 υ 0 的叫自旋不为零的中性粒子,再含有 Ə 或 ℮ 叫自旋不为零的荷电粒子。为了描述客体的运动可用广义坐标五维矢量q = ρ,对于随客体运动的坐标系q = ζ,位置矢量 ρ 的原点选在客体上则: ζ = ρ =(i c t , r, ρ),P =(i E / c, P, µ c), 由运动方程(1)有: ρ • ρ = ∑ρ α2 = − (c t) 2 + (r) 2 + ρ 2 = 0, {α = 0, 1, 2, 3, 4} P • P = ∑P α2 = − (E /c) 2 + (P) 2 +( µ c ) 2 = 0, {α = 0, 1, 2, 3, 4} 和 P α ρ β = k δ α β , { α、β = 0, 1, 2, 3, 4}或 P 0 ρ 0 = ( i E / c) ( i c t) = k, ( E t = − k = − i ћ), P i ρ i = k = − i ћ { i、j = 1, 2, 3, 4} (23) 为了将五维运动方程(1)与熟知的已有方程比较,有必要将它写成四维形式。为此考虑方程(1)的缩阶 ρ • ρ= − (c t) 2 + (d x) 2+ (d y) 2 + (d z) 2 + ρ 2 = 0, 取其坐标变分 δ ρ (当 δ t = 0),则有: (δ x) 2 + (δ y) 2 + (δ z) 2 + (δ ρ) 2 = 0或 (δ ρ) 2 = − [(δ x) 2+ (δ y) 2+ (δ z) 2] = − (δr) 2 = ( i δ r) 2, δ ρ = ± i δ r对任一五维坐标函数 ψ ( t, r, ρ ) 的偏微分为: ∂ψ /∂ρ =∂ψ / δ ρ =∂ψ / ± i δ r = − ± i∂ψ / δr = − ± i (∂/ δr) ψ = − ± i∇ψ 由于函数ψ的任意性,有: ∂/∂ρ 1= − ± i∇= − ± i (∂/∂x, ∂/∂y, ∂/∂z) = − ± i∂/ δ r (24) 式(24)反映了旋间坐标 ρ 与空间坐标 r 的不可分割性。再做如下的变分: δ(P α ρ α) = δ k = 0,或P α δ ρ α + ρ α δ P α = 0,{α = 0, 1, 2, 3, 4} , 再乘以P α / δ ρ α 成为: P α 2 +P α ρ α δ P α / δ ρ α =(P α + k δ / δ ρ α) P α =(Pα + k∂/∂ρ α) P α =0,{α=0, 1, 2, 3, 4} 由于客体内在波-粒二重性矛盾的斗争,粒子性强度P α 经常在变化,而不管P α 取什么值,上式均成立,故: P α = − k∂/∂ρ α (25) α = 0,式(25)成为i E / c= − k∂/∂( i c t ) = i (k /c)∂/∂t或 E = k∂/∂t = i ћ∂/∂t α = 1,2,3,式(25)成为 P x= − i ћ∂/∂x, P y = − i ћ∂/∂y, P z = − i ћ∂/∂z,即P = − i ћ∇ α = 4,式(25)成为 µ c = − i ћ∂/∂ρ, 当时间不变由式(24)有: µ c = −i ћ (− ± i∇) = − ± ћ∇ (26) 在此,我们得出了力学量E,P,µ c可分别用算符i ћ∂/∂t,− i ћ∇,− ± ћ∇表示。依据的仅是反映波粒二重性对立统一律的关系式(1)。 对于四维的空间-旋间矢量(动量-旋量), P = (P x, P y, Pz , µ c ) = − i ћ (∂/∂x,∂/∂y,∂/∂z,∂/∂ρ) = −i ћ∂/∂S 四维矢量P和S有左旋进、右旋进、左旋退、右旋退四种形式,对应于有四个P~S方程。 为了把五维方程P P = 0化成四维形式,选择时间坐标轴与四维的空间-旋间坐标轴正交,令时间坐标轴单位矢量为k 0,空间-旋间单位矢量为k i,则有: k 0 k i + k i k 0 = 0,{i, j =1, 2, 3, 4}。 对于五维方程 {α, β = 0, 1, 2, 3, 4}: P P = (∑P α k α ) (∑P β k β ) =(P 0 k 0 +∑P i k i ) ( P 0 k 0 +∑Pj k j ) = P 0 2 k 0 k 0 +∑P 0 P j k 0 k j +∑P i P 0 k i k 0 + (∑P i k i ) (∑P j k j ) = P0 2 k 0 k 0 +∑P 0 P i (k i k 0 + k 0 k i) + (∑P i k i ) (∑P j k j )
或 −P 0 2 k 0 k 0 = (∑P i k i ) (∑P j k j ) (27) k α {α = 0, 1, 2, 3, 4}本来是五维空间的单位矢量,当选择坐标轴k 0与k i正交,满足关系: k i k 0 + k 0 k i = 0 {i=1,2,3,4},则得式(27)。 在式(27)右边只有四个独立坐标轴k i{i=1,2,3,4},为一个四维张量,故可把五维矢量 k α 写成四维矢量k i,五维张量k α k β 写成四维张量k i k j。与此相应,五维矢量k 0写成 四维矢量k 0,五维张量k 0 k 0写成单位四维张量k i k j = 1 1,四维张量等式(27)写成 − P 0 2 1 1= (∑P i k i ) (∑P i k j) =∑P i2 k i k i +∑P i P j ( k i k j + k j k i ) {i≠j} (28) 允许对三维空间的三个坐标轴k 1,k 2,k 3 选取为互相正交的坐标系是不容置疑的。而且 按照量子旋进论的基本思想,旋间是独立于空间的自由度,其坐标轴k 4的选择也是可以选 得与各空间坐标轴正交,使满足: (k i k j + k j k i) = 0 0 {i≠j }, k i k i = 1 1 { i, j =1, 2, 3, 4} (29) 式(29)代入式(28)得: −P 0 2 11 = ∑P i2 1 1 + ∑P i P j 0 0 (28)’ 基于式(28)是四维张量等式,我们可以引进四维矩阵的定义: α i α i = 1 1,α i i α j j + α j j α i i= 0 0 1 1 {i≠j} (30) 将式(28)’两边乘以单位矩阵11,则得 − P 0 2 1 1 2 = ∑P i2 1 1 2 + ∑P i P j 0 0 1 1 将式(30)代入上式右边得: − P 0 2 1 1 2 =∑P i 2 αi α i 2 +∑P i P j (α i i α j j + α j j α i i) =∑P i 2 α i α i 2 +∑α i i P i α j j P j +∑α j j P j α i i P i {i≠j} = (∑ α i i P i ) (∑α j j P j) = (∑α i i P i ) 2 {i, j =1, 2, 3, 4} 但 −P 0 2 = − ( i E / c ) 2 = ( E / c ) 2, 故 ( E / c ) 2 1 1 2 = (∑α i i P i ) 2 或 E 1 1= ± (∑c α i P i ) = ± [c α 1 P 1 + c α 2 P 2 + c α 3 P 3 + c α 4 P 4 ] = ± [c (α x P x+ α y P y + α z Pz) + c β µ c] = ± ( c α ∙ P + β µ c 2 ) 式中 α = (α x, α y , α z) = (α 1, α 2 , α 3), β = α 4 正是Dirac矩阵。 Dirac矩阵的对易关系式(30)正是空间-旋间坐标轴的正交性的反映。由式(25)则有: E> = 1 1 i ћ∂/∂t = ± [ c α ∙ (− i ћ∇) + β µ c 2 ] = ± H> 或 − E> ± H> = 0 引入四维波函数矢量Ψ= (ψ1, ψ2, ψ3, ψ4),则有: ( E> − H>)Ψ= 0,(<E + <H ) Ψ = 0 (31) 式中E> = 11 i ћ∂/∂t ,H> = c α ∙ P> + β µ c 2,P>= − i ћ∇。 对于中性粒子,含有一个未被平衡的单位旋进量子(自旋为1/2 ),则式(31)正是自旋为1/2的 中性粒子的Dirac波动方程。式(31)比Dirac方程的哈密顿算符多出 β µ c 2这一项,正是反映自 旋为1 / 2的中性粒子(中子n、超子Λ0等)反常磁矩的那一部分。若客体除含静质量量子m 0和单 位旋迸量子 υ 0 之外还含有一个空间电荷量子 Ə 或 ℮ 则为自旋1/2的荷电粒子(如质子、电子等)。式(31)中哈密顿 H> 比Dirac方程多出的 β µ c 2项,正是反映质子、电子反常磁矩与谱线 Lamb移动的部分。Dirac方程未包括这一项,故它不能解释反常磁矩与Lamb移动现象,量子旋 进论导出的方程(31)则能解决这一问题。事实上,自旋1/2的粒子含有动量未被抵消的“多余” 0 υ 或 υ 0 量子,0 υ 与 υ 0量子具有旋量e 0或 ẽ 0 ,从而具有电荷量。它运动必然在四周建立 磁场,即自旋1/2的粒子具有磁矩。中子和超子Λ0的磁矩以及电子、质子的反常磁矩部分都是 基于同一根源。它们的磁矩或反常磁矩部分应有大致相同的绝对值。实验结果是电子、质子、 中子、Λ0超子的反常磁矩绝对值都接近于1×10 −23尔格/高斯(电子的反常磁矩为1.07×10 −23, 中子为9.60×10 − 24,质子为9.06×10 −24,Λ0超子为1×10−23 )。各种不同的自旋1/2的粒子反常 磁矩绝对值相接近,这不会是偶然的巧合,而正是它们具有同一根源——由一个0 υ 或 υ 0量 子引起的证据。对于静止质量为零(m 0 = 0)的旋进场 μ = e 0,方程(31)就是中微子场方程。中 微子 υ e或 反中微子 υ e的旋量 μ 很小(后面将论证其静止质量是电子静止质量的1/1369),若 在哈密顿算符H> = c α ∙ P> + β µ c2中把 β µ c 2项忽略,则方程(31)就可以化为李政道-杨振宁 二分量中微子理论的方程式。对于自旋为零的客体,不含有动量未被平衡抵消的 0 υ 或υ 0量子 。故在哈密顿算符H> = c α ∙ P> + β µ c 2中,μ = m 0 。对于中性粒子m 0就是“机械”静质量; 对于荷电粒子,m 0包括“机械质量” m m与“电磁质量” m em ——与空间电荷量子的能量等效的质量。此时,因无0 υ 或 υ 0子,空间与旋间的联系被割断,描述其状态的波函数就不必 用四维矢量波函数Ψ,而只要用标量波函数Φ=Ψ∙Ψ。取公式(31)中的两个方程的乘积得: (<E>2 − <H>2 )Φ = 0 (32) <H>2=(c α ∙ P>+β µ c 2)2 =c 2(α x2 P x2 +α y 2 Py2 +α z2 Pz2) + β 2 µ 2 c 4 +∑(α i α j + α j α i) P i P j {i≠j} 由定义式(30)有: <H>2 = c 2 <P>2 + m 0 2 c 4 = c 2 (− i ћ∇) 2 + m 0 2c 4 = − ћ 2 c 2 ∇2 + m 0 2 c 4 式(32)化为: ( −∂2/c 2∂t 2 +∇2 − m 0 2 c 2 / ћ 2 ) Φ = (□2 − m 0 2 c 2 / ћ 2 ) Φ = 0 这正是大家熟知的Klein-Gorden方程,在量子场论中通常用c = ћ = 1的单位制。我们在此把算 符□规定为□= (∂/ i c∂t,∇),而达兰贝尔算符规定为□2 = −∂2 / c 2∂t 2 +∇2。在此我们看到,单 纯的静止质量量子和电荷量子由于构成它们的单位旋进量子的动量相抵消了,故其第五维旋 量与三维动量没有了不可分割的依存关系。其动量为零而旋量 µ c却不为零,使得旋间与空 间可以分开。此时第五维动量 µ c 可看成是与四维时-空中的四维动量-能量矢量无本质关联 的物理量。 对于静止质量为零的量子电磁场(光子),其第五维旋量 µ c = m 0 c = 0,旋间 与时间-空间更是没有了不可分割的联系,Klein-Gorden方程同样适用。不过此时m 0 = 0,成 为达兰贝尔方程的齐次方程。而光子在时-空中运动时,描述其状态就不能用标量波函数,而要用时-空的四维矢量波函数。所以,Φ应该换成四维矢势A,即 □2 A = 0,这正是真空中光子的 波动方程。 对于电荷量子与电磁场量子(光子)系统,也是可以将第五维旋量与四维时-空分开,这时 µc = e c : P P = ( P,e c ) ( P,e c) = (∑P υ k υ + e c k 4 ) (∑P υ k υ + e c k 4 ) = (∑P υ k υ ) 2 +∑P υ e c (k υ k 4 + k 4 k υ ) + e 2 c 2 k 4 k 4 = 0 {υ = 0, 1, 2, 3} 选取旋间的坐标轴与四维时-空坐标轴正交,满足关系 (k υ k 4 + k 4 k υ ) = 0,则上式化为四维 张量等式。五维矢量 k 的0,1,2,3分量可写成四维形式 k υ,第五分量k 4相应地可写成四 维单位矢量1,则 P P + e 2 c 2 1 1 = P P + ( e c 1 ) 2 = ( P ) 2 + ( e c 1) 2 = 0 或 ( P ) 2 = − (e c 1) 2 = ( i e c 1) 2得: P = ± i e c 1 = ± i e c (33) 取式(33)的缩阶得: P ∙ P = − e 2 c 2 1 ∙ 1 = − e 2 c 2 (34) 但 P ∙ P = (P + e c 1 ) ( P + e c 1 ) = P ∙ P + 2 P ∙ e c 1 + e 2 c 2,与式(34)比较得: P ∙ e c 1 = 0 (34)’ 空间电荷量子由于内在波粒二重性矛盾的斗争,其动量经常在变化,从而旋量e亦经常在变 化,从而在四周建立电磁场。我们在此引进不变量 ε 表示电量,定义为: i e c 1 = ( i e c, 0, 0, 0 ) = − ε (1 / c) ( i φ, 0, 0, 0 ) = (− ε /c ) A (35) φ 是相对于电荷量子静止的坐标系中描述的电势,A 为电磁势。由于P 是满足Lorentz变换的 不变量,所以A = (i φ, 0, 0, 0) = (i φ’, A’) = A’ 也是Lorentz变换的不变量。电磁场的电磁势A 是与不变量 ε(粒子电量)同时引进并定义的,两者之乘积反映电荷可变化的四维动量。将 定义式(35)代入式(34)’得: P ∙ (− ε / i c) A = (−ε / i c) (−i ћ) (∂/i c∂t,∇) ∙ (i φ, A) = (ћ ε /c) (∂φ / c∂t,∇∙A) = 0 (36) 或 □ ∙ A = 0 (36)’ 这正是Lorentz 规范条件。比较 P = ± i e c 1 = ± (− ε /c) A 与 P = ± i e c 1 = ± i (i ћ /ρ) 1= ± (− ћ ε c / ρ ε c) 1 = ± (− ћ / ρ ε c) ε c = ± (− ћ /ε ρ c i) J 得: (ε 2/ ћ c) A = (1/ i ρ c) J = (1 / c r ) [J] (37) 令 ε 2 = ћ c,则得: A = (1/ i ρ c) J = (1 / c r) [J] (37)’ 由式(1) ρ 2 + r 2 – c 2 t 2 = 0 ,(i ρ) 2 = r 2 – c 2 t 2。若电荷电流J已取了推迟时间值[J],则从电 荷-电流源到建立的电磁场不要经过时间(t = 0),所以有i ρ = r,即 (1 / i ρ ) J = (1 / r) [J]。由 定义 J = i ε c = i ε c 1□∙ J = □ ∙ i ε c 1 = i ε c □ ∙ 1 = 0 (38) 这正是电荷守恒定律。在式(34) 两边乖A得: P ∙ P A = − ( e c )2 A = − ( e c ) 2 ( ћ c / ε 2 i ρ c) J = − ( e c ) 2 ( ћ c / ε 2 c r) [J] 式(25)的 P ∙ P = – ћ 2 □2代入上式左边,式(26)的 (µ c) 2 = ( e c )2 = (± i ћ∇) 2代入上式右边则: □2 A = ∇ 2 ( ћ c /ε 2 c r ) [J] = ( ћ c / ε 2 ) ( [J] / c) ∇2 (1 / r) = ( ћ c /ε 2 ) ( [J] /c) (− 4π δ (r) ) = ( ћ c /ε 2 ) (−4π /c) [J] δ (r) = ( ћ c /ε 2 ) (− 4π /c) J (39) 用ε 2 = ћ c单位制: □2 A = (− 4 π / c) J (39)’ J = [J] δ (r) 为场的求解点处的电荷-电流,此时从源到场的距离r = 0,推迟 [J] 也正是该处的J。 式(39)’正是大家熟知的达兰贝尔方程。引进电磁场强度张量F11,定义为: F μ υ = (∂/∂ρμ) A υ − (∂/∂ρυ) A μ 或 F1 1 = ( □×A) 1 {μ , υ =1, 2, 3, 4} 则得Maxwell方程: □∙ F 1 1= ( − 4π /c) J 和G 111 = 0, G μ υ λ = (∂/∂ρ μ) F υ λ + (∂/∂ρ υ) F λ μ + (∂/∂ρ λ ) F μ υ {μ, υ, λ=1, 2, 3, 4} 我们在此得到电荷 ε 在电磁场A中具有附加动量P ’ = ε A / c,故荷电粒子的动量为P + c−1 ε A,保持Dirac方程(31)的形式,则 E> = 1 1i ћ∂/∂t ,H> = ε A 0 + c α ∙ ( P + c−1 ε A) + β µ c 2,P = − i ћ∇。 自旋为零的荷电粒子在电磁场中的Klein-Gorden方程(32)则化为: [c − 2 (<E> + ε A 0 ) 2 − ( P + c−1 ε A) 2 − µ2 c 2 ]Φ= 0 对于自旋1/2的粒子例如电子,µ= m 0 + e 0。式(31)的H>比现有量子场论方程仅多了β e 0c 2项 ,这是反映电子光谱超精细结构的Lamb移动和一切自旋1/2的粒子不管荷电与否都有的反常 磁矩项。对于自旋为零粒子 µ = m 0 ,则不管荷电与否都不具有反常磁矩,事实上也没有观 测到自旋为零的基本粒子的反常磁矩。 五、旋进量子的相互作用 |
