带电粒子的哈密顿量
首先有麦克斯韦方程组
⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎧∇⋅E=ϵ0ρ∇×E=−∂t∂B∇⋅B=0∇×B=μ0J+μ0ϵ0∂t∂E
由旋度无散可知 B 可以写成某个矢量 A 的旋度:
B=∇×A
将其带回到方程中可得
∇×E=−∂t∂(∇×A)=−∇×∂t∂A
即
∇×(E+∂t∂A)=0
由梯度无旋可知 E+∂t∂A 可以写成某个标量 φ 的梯度, 即
E+∂t∂A=−∇φ
即
E=−∇φ−∂t∂A
于是得到了 B 与 E 和 矢势 A 与标势 φ 的关系:
{B=∇×AE=−∇φ−∂t∂A
那么粒子所受的洛伦兹力可以写成:
F=q(E+v×B)=q[−∇φ−∂t∂A+v×(∇×A)]
又有广义力的表达式
Qi=−∂qi∂U+dtd∂qα˙∂U
其中 U 为广义势能, qi 为广义坐标, 于是现在将洛伦兹力写成标量的形式并与广义力做对比, 现写出 x 方向上的标量, 有
(∇φ)x=∂x∂φ
(∂t∂A)x=∂t∂Ax
[v×(∇×A)]x=[v×∣∣∣∣∣∣ex∂x∂Axey∂y∂Ayez∂z∂Az∣∣∣∣∣∣]x=[v×[(∂y∂Az−∂z∂Ay)ex+(∂z∂Ax−∂x∂Az)ey+(∂x∂Ay−∂y∂Ax)ez]]x=[∣∣∣∣∣∣exvx∂y∂Az−∂z∂Ayeyvy∂z∂Ax−∂x∂Azezvz∂x∂Ay−∂y∂Ax∣∣∣∣∣∣]x=vy(∂x∂Ay−∂y∂Ax)−vz(∂z∂Ax−∂x∂Az)
即
Fx=q[−∂x∂φ−∂t∂Ax+vy(∂x∂Ay−∂y∂Ax)−vz(∂z∂Ax−∂x∂Az)]
为了进一步化简和对比, 则由
dtdAx=∂t∂Ax+∂x∂Ax∂t∂x+∂y∂Ax∂t∂y+∂z∂Ax∂t∂z=∂t∂Ax+∂x∂Axvx+∂x∂Axvy+∂x∂Axvz
可将 Fx 写为
Fx=q[−∂x∂φ−dtdAx+∂x∂Axvx+∂x∂Axvy+∂x∂Axvz]=q[−∂x∂φ−dtdAx+v⋅∂x∂A]=q[−∂x∂φ−dtdAx+∂x∂(A⋅v)]v不显含t=q[−∂x∂(φ−A⋅v)−dtdAx]
为了进一步凑出广义力的形式, 由
dtdAx=dtd[∂vx∂(A⋅v)]A不显含v=dtd∂vx∂(−φ+A⋅v)
可得
Fx=q[−∂x∂(φ−A⋅v)+dtd∂vx∂(−φ+A⋅v)]
于是对比广义力 Qi 的式子, 可得广义势能为
U=q(φ−A⋅v)
于是拉格朗日量为
L=T−U=21mv2−q(φ−A⋅v)
则广义动量, 或这里可称之为正则动量为
Pi=∂vi∂L=mvi+qAi
即机械动量为
mvi=Pi−qAi
则哈密顿量为
H=T+qφ=2mmv2+qφ=2m(P−qA)2+qφ
若将其量子化则有
H^=2m(P^−qA)2+qφ
其中正则动量算符 P^ 为
P^=−iℏ∇
若使用 Gauss 单位制则哈密顿算符为
H^=2m(P^−cqA)2+qφ
规范不变性
由前面得到的 B 与 E 和 矢势 A 与标势 φ 的关系:
{B=∇×AE=−∇φ−∂t∂A
易知由给定的一组 A 与 φ 可以唯一确定 B 与 E , 但给定的一组 B 与 E 并不能唯一确定 A 与 φ , 换言之, 可以有多组 A 与 φ 对应同一组 B 与 E , 并且满足规范不变性:
{A′=A(r,t)+∇Λ(r,t)φ′(r,t)=φ(r,t)−∂t∂Λ(r,t)
显然经过上面两式的变换后 A′ , φ′ 和原先的 A , φ 对应的是同样的 B 与 E , 证明:
B′=∇×A′=∇×(A+∇Λ)=∇×A梯度无旋=B
E′=−∇φ′−∂t∂A=−∇φ+∇∂t∂Λ−∂t∂A−∂t∂∇Λ=−∇φ−∂t∂A∇与∂t∂的位置可互换=E
即经过规范变换后的 A′ , φ′ 不会改变 B 与 E .
对于波函数 ψ 同样拥有规范变换
ψ′=eiqΛ/ℏψ
前面得到过电磁场中的带电粒子哈密顿量为:
H^=2m(P^−qA)2+qφ
对于薛定谔方程
iℏ∂t∂ψ=H^ψ
则左式
iℏ∂t∂ψ=iℏ∂t∂(e−iqΛ/ℏψ′)=e−iqΛ/ℏ(iℏ∂t∂ψ′+q∂t∂Λψ)
而对于 H^ψ 有
(P^−qA)ψ=(−iℏ∇−qA)e−iqΛ/ℏψ′=−iℏ∇(e−iqΛ/ℏψ′)−qAe−iqΛ/ℏψ′=−iℏ(iℏq∇Λe−iqΛ/ℏψ′+e−iqΛ/ℏ∇ψ′)−qAe−iqΛ/ℏψ′=−iℏe−iqΛ/ℏ∇ψ′−q∇Λe−iqΛ/ℏψ′−qAe−iqΛ/ℏψ′=−iℏe−iqΛ/ℏ∇ψ′−q(A+∇Λ)e−iqΛ/ℏψ′=e−iqΛ/ℏ[−iℏ∇−q(A+∇Λ)]ψ′
于是则有
e−iqΛ/ℏ(iℏ∂t∂ψ′+q∂t∂Λψ)iℏ∂t∂ψ′+q∂t∂Λψiℏ∂t∂ψ′iℏ∂t∂ψ′iℏ∂t∂ψ′=e−iqΛ/ℏ{2m1[−iℏ∇−q(A+∇Λ)]2+qφ}ψ′={2m1[−iℏ∇−q(A+∇Λ)]2+qφ}ψ′={2m1[−iℏ∇−q(A+∇Λ)]2+q(φ−∂t∂Λ)}ψ′={2m1[P^−qA′]2+qφ′}ψ′=H′^ψ′
即经过规范变换后的 ψ′ 也满足薛定谔方程
Aharonov-Bohm 效应
[等待更新]
