Том 3. Квантовая механика

Хотя мы считали, что частицы наблюдаются двумя разными счетчиками, — это несущественно. В этом можно убедиться следующим образом. Вообразим себе, что оба направления 1 и 2 привели бы частицы в один и тот же маленький счетчик, который находится на каком-то расстоянии. Мы определим направление 1, говоря, что оно смотрит в элемент поверхности dS₁ счетчика. Направление же 2 смотрит в элемент поверхности dS₂ счетчика. (Считается, что счетчик представляет собой поверхность, поперечную к линии рассеяния.) Теперь уже нельзя говорить о вероятности того, что частица направится точно в каком-то направлении или в определенную точку пространства. Это невозможно — шанс зарегистрировать любое фиксированное направление равен нулю. Если уж нам хочется точности, то нужно так определить наши амплитуды, чтобы они давали вероятность попадания на единицу площади счетчика. Пусть у нас была бы только одна частица a; она бы имела определенную амплитуду рассеяния в направлении 1. Пусть<1|а>=a₁ определяется как амплитуда того, что а рассеется в единицу площади счетчика, расположенного в направлении 1. Иными словами, мы выбираем масштаб а₁ и говорим, что она «нормирована» так, что вероятность того, что а рассеется в элемент площади dS₁ равна

(2.7)

Если вся площадь нашего счетчика ΔS и мы заставим dS₁ странствовать по этой площади, то полная вероятность того, что частица а рассеется в счетчик, будет

(2.8)

Как и прежде, мы хотим считать счетчик настолько малым, что амплитуда а₁ на его поверхности не очень меняется; значит, а₁ будет постоянным числом, и мы обозначим его через а. Тогда вероятность того, что частица а рассеялась куда-то в счетчик, равна

(2.9)

Таким же способом мы придем к выводу, что частица b (когда она одна) рассеивается в элемент площади dS₂ с вероятностью

(Мы говорим dS₂, а не dS₁ в расчете на то, что позже частицам а и b будет разрешено двигаться в разных направлениях.) Опять положим b₂ равным постоянной амплитуде b; тогда вероятность того, что частица b будет зарегистрирована счетчиком, равна

(2.10)

Когда же имеются две частицы, то вероятность рассеяния а в dS₁ и b в dS₂ будет

(2.11)

Если нам нужна вероятность того, что обе частицы (и а, и b) попали в счетчик, мы должны будем проинтегрировать dS₁ и dS₂ по всей площади ΔS; получится

Заметим, кстати, что это равно просто р_а·р_b в точности так, как если бы мы предположили, что частицы а и b действуют независимо друг от друга.

Однако, когда две частицы тождественны, имеются две неразличимые возможности для каждой пары элементов поверхности dS₁ и dS₂. Частица а, попадающая в dS₂, и частица b, попадающая в dS₁, неотличимы от а в dS₁ и от b в dS₂, так что амплитуды этих процессов будут интерферировать. (Когда у нас были две различные частицы, то, хотя мы на самом деле не заботились о том, какая из них куда попадает в счетчике, мы все же в принципе могли это узнать; так что интерференции не было. А для тождественных частиц мы и в принципе не можем этого сделать.) Мы должны тогда написать, что вероятность того, что пара частиц очутится в dS₁ и dS₂, есть

(2.13)

Однако сейчас, интегрируя по поверхности счетчика, нужно быть осторожным. Пустив dS₁ и dS₂ странствовать по всей площади ΔS, мы бы сосчитали каждую часть площади дважды, поскольку в (2.13) входит все, что может случиться[4] с каждой парой элементов поверхности dS₁ и dS₂. Но интеграл можно все равно подсчитать, если учесть двукратный счет, разделив результат пополам. Тогда мы получим, что Р₂ для тождественных бозе-частиц есть

(2.14)

И опять это ровно вдвое больше того, что мы получили в (2.12) для различимых частиц.

Если вообразить на мгновение, что мы откуда-то знали, что канал b уже послал свою частицу в своем направлении, то можно сказать, что вероятность того, что вторая частица направится в ту же сторону, вдвое больше того, чего можно было бы ожидать, если бы мы посчитали это событие независимым. Таково уж свойство бозе-частиц, что если есть одна частица в каких-то условиях, то вероятность поставить в те же условия вторую вдвое больше, чем если бы первой там не было. Этот факт часто формулируют так: если уже имеется одна бозе-частица в данном состоянии, то амплитуда того, что туда же, ей на голову, можно будет поместить вторую, в √2 раз больше, чем если бы первой там не было. (Это неподходящий способ формулировать результат с той физической точки зрения, какую мы избрали, но, если это правило последовательно применять, оно все же приводит к верному результату.)

§ 3. Состояния с n бозе-частицами

Распространим наш результат на тот случай, когда имеются n частиц. Вообразим случай, изображенный на фиг. 2.4.

Фиг. 2.4. Рассеяние n частиц в близкие конечные состояния.