Том 3. Квантовая механика

Заметьте, что мы не предполагали, что потенциальная энергия у нас какая-то особая, это просто энергия, производная от которой дает силу. Например, в опыте Штерна—Герлаха энергия имела вид U=-μ·B; отсюда при наличии у В пространственной вариации и получалась сила. Если бы нам нужно было квантовомеханическое описание опыта, мы должны были бы сказать, что у частиц в одном пучке энергия меняется в одну сторону, а в другом пучке — в обратную сторону. (Магнитную энергию U можно было бы вставить либо в потенциальную энергию V, либо во «внутреннюю» энергию W; куда именно, совершенно неважно.) Из-за вариаций энергии волны преломляются, пучки искривляются вверх или вниз. (Мы теперь знаем, что квантовая механика предсказывает то же самое искривление, которое следует и из расчета по классической механике.)

Из зависимости амплитуды от потенциальной энергии также следует, что у частицы, сидящей в однородном магнитном поле, направленном по оси z, амплитуда вероятности обязана меняться во времени по закону

(Можно считать это просто определением μ_z.) Иначе говоря, если поместить частицу в однородное поле В на время τ, то ее амплитуда вероятности умножится на

сверх того, что было бы без поля. Поскольку у частицы со спином ¹/₂ величина μ_z может быть равна плюс или минус какому-то числу, скажем μ, то у двух мыслимых состояний в однородном поле фазы будут меняться с одинаковой скоростью в противоположные стороны. Амплитуды помножатся на

(5.34)

Этот результат приводит к интересным следствиям. Пусть частица со спином ¹/₂ находится в каком-то состоянии, которое не есть ни чистое состояние со спином вверх, ни чистое состояние со спином вниз. Его можно описать через амплитуды пребывания в этих двух состояниях. Но в магнитном поле у этих двух состояний фазы начнут меняться с разной скоростью. И если мы поставим какой-нибудь вопрос насчет амплитуд, то ответ будет зависеть от того, сколько времени частица провела в этом поле.

В виде примера рассмотрим распад мюона в магнитном поле. Когда мюоны возникают в результате распада π-мезонов, они оказываются поляризованными (иными словами, у них есть предпочтительное направление спина). Мюоны в свою очередь распадаются (в среднем через 2,2 мксек), испуская электрон и пару нейтрино:

При этом распаде оказывается, что (по крайней мере при высоких энергиях) электроны испускаются преимущественно в направлении, противоположном направлению спина мюона.

Допустим затем, что имеется экспериментальное устройство (фиг. 5.9): поляризованные мюоны входят слева и в блоке вещества А останавливаются, а чуть позже распадаются.

Фиг.. 5.9. Опыт с распадом мюона.

Испускаемые электроны выходят, вообще говоря, во всех мыслимых направлениях. Представим, однако, что все мюоны будут входить в тормозящий блок А так, что их спины будут повернуты в направлении х. Без магнитного поля там наблюдалось бы какое-то угловое распределение направлений распада; мы же хотим знать, как изменилось бы это распределение при наличии магнитного поля. Можно ожидать, что оно как-то будет меняться со временем. То, что получится, можно узнать, спросив, какой будет в каждый момент амплитуда того, что мюон обнаружится в состоянии (+x).

Эту задачу можно сформулировать следующим образом: пусть известно, что в момент t=0 спин мюона направлен по +х; какова амплитуда того, что в момент m он окажется в том же состоянии? И хотя мы не знаем правил поведения частицы со спином ¹/₂ в магнитном поле, перпендикулярном к спину, но зато мы знаем, что бывает с состояниями, когда спины направлены вверх или вниз по полю, — тогда их амплитуды умножаются на выражение (5.34). Наша процедура тогда будет состоять в том, чтобы выбрать представление, в котором базисные состояния — это направления спином вверх или спином вниз относительно z (относительно направления поля). И любой вопрос тогда сможет быть выражен через амплитуды этих состояний.

Пусть |ψ(t)> представляет состояние мюона. Когда он входит в блок А, его состояние есть |ψ(0)>, а мы хотим знать |ψ(τ)> в более позднее время τ. Если два базисных состояния обозначить (+z) и (-z), то нам известны амплитуды <+z|ψ(0)> и <-z|ψ(0)> — они известны потому, что мы знаем, что |ψ(0)> представляет собой состояние со спином в направлении (+x). Из предыдущей главы следует, что эти амплитуды равны[18]

и

(5.35)

Они оказываются одинаковыми. Раз они относятся к положению при t=0, обозначим их С₊(0) и С_-(0).

Далее, мы знаем, что из этих двух амплитуд получится со временем. Из (5.34) следует

и

(5.36)

Но если нам известны C₊(t) и C_-(t), то у нас есть все, чтобы знать условия в момент t. Надо преодолеть только еще одно затруднение: нужна-то нам вероятность того, что спин (в момент t) окажется направленным по +х. Но наши общие правила учитывают и эту задачу. Мы пишем, что амплитуда пребывания в состоянии (+x) в момент t [обозначим ее A₊(t)] есть

или

(5.37)

Опять пользуясь результатом последней главы (или лучше равенством <φ|χ>=<χ|φ>^* из гл. 3), мы пишем

Итак, в (5.37) все известно. Мы получаем

или