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菲兹克斯喵

Lesson 17 引力波的功率 (2) Lesson 16 引力波的功率 Lesson 8 Atmospheres Lesson 16 习题课 Lesson 15 引力波 Lesson 14 Noether 定理 Lesson 7 Evolution Lesson 7 传粉的力量 Lesson 13 作用量原理 Lesson 13 配分函数的一些应用 Lesson 12 Penrose 过程与 Hawking 辐射 Lesson 6 Homology Lesson 11 带电荷和旋转的黑洞 Lesson 6 进食行为 Lesson 11 配分函数 Lesson 10 Penrose 图 Lesson 5 Diffusion Lesson 9 微观量与宏观量的联系 Lesson 5 捕食行为 Lesson 8 Schwarzschild 黑洞 Lesson 9 Schwarzschild 黑洞 (2) Lesson 8 近独立子体系分布 Lesson 4 Ignition of the Sun Lesson 7 统计力学绪论 Lesson 4 讲座:乌贼和章鱼的行为与智能 Lesson 7 Killing 矢量场和 Lie 导数 Lesson 6 Schwarzschild 解 Lesson 6 Landau 相变理论 (二) Lesson 3 Lane - Emden Equation Lesson 5 Landau 相变理论
Lesson 18 双粒子系统
2025-11-25 · via 菲兹克斯喵

首先我们考虑 j1,m1\ket{j_1,m_1}j2,m2\ket{j_2,m_2} 的叠加,一共应该是 (2j1+1)(2j2+1)(2j_1+1)(2j_2+1) 个维度.

角动量升降算符:

j±j,m=j(j+1)m(m±1)j,m±1j_{\pm}\ket{j,m} = \sqrt{j(j+1)-m(m\pm 1)}\ket{j,m\pm 1}

定义 j=j1+j2\vec{j}=\vec{j}_1+\vec{j}_2,则

j=j1+j2,j1+j21,,j1j2j=j_1+j_2,j_1+j_2-1,\cdots,|j_1-j_2|

能够合成的最大角动量是

j=j1+j2,m=j1+j2=j1,j1j2,j2\ket{j=j_1+j_2,m=j_1+j_2}=\ket{j_1,j_1}\ket{j_2,j_2}

m=j1+j21m=j_1+j_2-1 的那一个,就在左边作用一个 jj_-,右边作用一个 j1+j2j_{1-}+j_{2-},得到

(j1+j2)(j1+j2+1)(j1+j2)(j1+j21)j1+j2,j1+j21=j1(j1+1)j1(j11)j1,j11j2,j2+j2(j2+1)j2(j21)j1,j1j2,j21\begin{aligned} &\sqrt{(j_1+j_2)(j_1+j_2+1)-(j_1+j_2)(j_1+j_2-1)}\ket{j_1+j_2,j_1+j_2-1}=\\\\ &\sqrt{j_1(j_1+1)-j_1(j_1-1)}\ket{j_1,j_1-1}\ket{j_2,j_2}\\\\ &\quad+\sqrt{j_2(j_2+1)-j_2(j_2-1)}\ket{j_1,j_1}\ket{j_2,j_2-1} \end{aligned}

左边的系数除过来就是 CG 系数. 再下一阶,应该是

j12j1,j12j2,j2+(j1j2+j2j1)j1,j11j2,j21+j22j1,j2j2,j22\begin{aligned} &j_{1-}^2\ket{j_1,j_1-2}\ket{j_2,j_2}+(j_{1-}j_{2-}+j_{2-}j_{1-})\ket{j_1,j_1-1}\ket{j_2,j_2-1}\\\\ &\quad+j_{2-}^2\ket{j_1,j_2}\ket{j_2,j_2-2} \end{aligned}

依此类推.


但是我们之后还要算 j1+j21,j1+j21\ket{j_1+j_2-1,j_1+j_2-1} 的这种 (总角动量更小的),我们虽然不知道具体的系数,但是我们知道一定是 j1,j11j2,j2\ket{j_1,j_1-1}\ket{j_2,j_2}j1,j1j2,j21\ket{j_1,j_1}\ket{j_2,j_2-1} 的叠加,因为 mm 已经是最大的了.

因为 j=j1+j21j=j_1+j_2-1,所以这个态和原来的 j1+j2,j1+j21\ket{j_1+j_2,j_1+j_2-1} 的态正交,如果

jj1+j2,j1+j21=aj1,j11j2,j2+bj1,j1j2,j21j_-\ket{j_1+j_2,j_1+j_2-1}=a\ket{j_1,j_1-1}\ket{j_2,j_2}+b\ket{j_1,j_1}\ket{j_2,j_2-1}

那么应该有

jj1+j21,j1+j21=bj1,j11j2,j2aj1,j1j2,j21j_-\ket{j_1+j_2-1,j_1+j_2-1}=b\ket{j_1,j_1-1}\ket{j_2,j_2}-a\ket{j_1,j_1}\ket{j_2,j_2-1}

之后可以算 j1+j21,j1+j22\ket{j_1+j_2-1,j_1+j_2-2} 的态,是上面的式子再作用 j1j_{1-}j2j_{2-} 这些算符.

那么 j1+j22,j1+j22\ket{j_1+j_2-2,j_1+j_2-2} 的态如何计算?我们已经在前面算出三种独立的分量:

j1,j11j2,j2,j1,j1j2,j21,j1,j12j2,j2\ket{j_1,j_1-1}\ket{j_2,j_2},\quad\ket{j_1,j_1}\ket{j_2,j_2-1},\quad\ket{j_1,j_1-2}\ket{j_2,j_2}

只要和原来的 j1+j2,j1+j22\ket{j_1+j_2,j_1+j_2-2}j1+j21,j1+j22\ket{j_1+j_2-1,j_1+j_2-2} 正交就能算出这个新的态.

H=22m1222m22+V(r1,r2,t)H=-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla_1^2-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla_2^2+V(\vec{r}_1,\vec{r}_2,t)

如果两个粒子没有相互作用能,可以分开 V=V(r1)+W(r2)V = \mathcal{V}(\vec{r}_1)+\mathcal{W}(\vec{r}_2),这被称为全同粒子,在物理上是完全不可以分辨的.

如果势能仅取决于相对运动 r1r2\vec{r}_1-\vec{r}_2,那么方程可以化为两个独立的粒子:μ=m1m2/(m1+m2)\mu=m_1m_2/(m_1+m_2) 的粒子和质心 m1+m2m_1+m_2 的粒子.

全同粒子可以写成 Ψ(r1,r2)=ψ(r1)ψ(r2)\Psi(\vec{r}_1,\vec{r}_2)=\psi(\vec{r}_1)\psi(\vec{r}_2). 但是这种写法本身就意味着我们可以区分这两个粒子,因为可以通过「在 1 轨道还是 2 轨道」来分辨它们,这时不考虑两个粒子的纠缠.

ψab(r1,r2)=A[ψa(r1)ψb(r2)±ψb(r1)ψa(r2)]\psi_{ab}(\vec{r}_1,\vec{r}_2)=A[\psi_a(\vec{r}_1)\psi_b(\vec{r}_2)\pm\psi_b(\vec{r}_1)\psi_a(\vec{r}_2)]

交换坐标产生负号是 fermion,不变是 boson. 当然数学上允许一种「任意子」,交换位置之后获得一个任意的相位 eiϕe^{\text{i}\phi},Majorana fermion 就是一种任意子.