Математические байки – Telegram
Математические байки
4.3K subscribers
1.44K photos
15 videos
27 files
914 links
Рассказы про разную математику.

Архив: http://dev.mccme.ru/~merzon/mirror/mathtabletalks/
Download Telegram
Первые полтора абзаца статьи Дирака "The Quantum Theory of the Electron" (Proceedings of the Royal Society of London. Series A, vol. 117, issue 778, 01 February 1928).
(Кстати — интересно, насколько легко текст читается!)
Сейчас неважно, как именно оно устроено — а важно то, что у него оказался, на первый взгляд, большой дефект: даже просто в вакууме в дополнение к куче [обобщённых] состояний со сколь угодно большой положительной энергией (что логично — кинетическая энергия может быть сколь угодно большой, берём да разгоняем) у него оказывались состояния с такой же, но отрицательной энергией.

А это уже создавало проблему: точно так же, как электрон у атома из возбуждённого состояния "проваливается" обратно, излучая фотон — так вот, точно так же электрон мог и должен был бы проваливаться всё глубже и глубже в эти отрицательные состояния. А этого мы не видим.
Ещё один абзац из статьи Дирака, на этот раз, присланной 6 декабря 1929 года и вышедшей 1 января 1930 года —
Dirac Paul Adrien Maurice, Theory of electrons and protons, Proc. R. Soc. Lond. A, 126, pp. 360--365.
Да, про излучение фотонов перепрыгивающими на более низкую орбиталь возбуждёнными электронами — мне хочется вспомнить вот эту серию из "Нобелевского сезона" "Смешариков" про фейерверки и цвет пламени; да, конечно, электроны "на орбитах" это ещё не квантовая механика, но для детей очень приятно сделано!
Математические байки
Сейчас неважно, как именно оно устроено — а важно то, что у него оказался, на первый взгляд, большой дефект: даже просто в вакууме в дополнение к куче [обобщённых] состояний со сколь угодно большой положительной энергией (что логично — кинетическая энергия…
И Дирак очень красиво решил эту проблему, предложив концепцию "моря Дирака" — сказав, что да, все эти состояния тоже есть. Но они все уже заняты! И заняты они везде и всюду, и это ["нейтральное"] состояние мы воспринимаем как вакуум.

И тогда, раз все состояния с отрицательной энергией уже заняты — проблема проваливания туда снимается. Но что, если мы из одного из этих состояний электрон "достанем"?

Опять-таки, давайте я продолжу цитатой из статьи Дирака:
Математические байки
Ещё один абзац из статьи Дирака, на этот раз, присланной 6 декабря 1929 года и вышедшей 1 января 1930 года — Dirac Paul Adrien Maurice, Theory of electrons and protons, Proc. R. Soc. Lond. A, 126, pp. 360--365.
Так вот, что будет, если убрать один из этого моря электронов с отрицательной энергией (выглядящего для нас, как нейтральный вакуум)? От него останется "дырка" — которая будет для нас выглядеть, как положительно заряженная частица.

А вот если электрон к такой дырке подлетит — то вот тут он с большой радостью её займёт, перепрыгнув из своего состояния с большой положительной энергией в свободное состояние с большой отрицательной, и отдав разность энергий в качестве излучения (кто сказал "аннигиляция"?).

И опять же — см. середину уже процитированного абзаца статьи Дирака:
"... transitions can take place in which the energy of the electron changes from a positive to a negative value ..., the surplus energy, at least 2mc^2 in amount, being spontaneously emitted in form of radiation."
Правда, в статье 1929/30 года Дирак ошибочно отождествляет такую дырку с протоном: "We are therefore led to the assumption that the holes in the distribution of negativeenergy electrons are the protons."
Но уже в статье 1931 года он исправляется:
"Subsequent investigations, however, have shown that this particle necessarily has the same mass as an electron and also that, if it collides with an electron, the two will have a chance of annihilating one another much too great to be consistent with the known stability of matter."
(+сноски — H. Weyl, Тамм, Оппенгеймер, Дирак).
И — совершенно блестяще предсказывает позитрон, таким, как мы его знаем. Вот соответствующий участок статьи — обратите внимание, как точно написано, и как замечательно читается!
(From: Paul Adrien Maurice Dirac, Quantised singularities in the electromagnetic field, Proc. R. Soc. Lond. A, 133, pp. 60–72, 01 September 1931)
Математические байки
Да, для того, чтобы мы восстановили диаграмму, "вписанную" в график y=|x|, нужно, чтобы: *) в минус бесконечности, начиная с некоторого момента все лунки были бы заняты; *) в плюс бесконечности, начиная с некоторого момента все лунки были бы свободны; *) число…
Хорошо, а при чём всё-таки тут тройное произведение?

Рассмотрим модельную ситуацию — пусть у нас разрешённые энергии это все полуцелые числа. И рассмотрим "вакуумное состояние", когда все состояния с отрицательной энергией заняты, а с положительной — свободны:
А теперь посмотрим на состояния, отличающиеся от вакуумного лишь в конечном числе мест. У них есть две характеристики — энергия E и полный заряд Q (который мы будем считать в "штуках частиц", то есть добавление частицы его увеличивает, а не уменьшает).
(Состояния, отличающиеся в бесконечном числе мест, будут с бесконечной энергией — так что не рассматривать их вполне логично.)
Так давайте составим производящую функцию у этой пары характеристик — просуммируем x^Q*q^E по всем допустимым состояниям. Что получится?
С одной стороны, можно вычислять эту производящую функцию, работая с каждым энергетическим уровнем по отдельности.

Положительный уровень (2j-1)/2 можно не тронуть — а можно в него добавить частицу; +1 к заряду Q (потому что мы его в частицах считаем; иначе, если бы я сказал "электрон", нужно было бы вычитать 1), и +(2j-1)/2 к энергии.

Отрицательный уровень -(2j-1)/2 можно не тронуть — а можно из него убрать частицу; -1 к заряду Q (потому что мы его в частицах считаем; иначе, если бы я сказал "электрон", нужно было бы добавлять 1), и +(2j-1)/2 к энергии (опять с плюсом — потому что мы убираем частицу с отрицательной энергией).

Итого — производящая функция это вот такое произведение:
А если бы мы тут с самого начала пожертвовали симметрией частиц и античастиц и сказали бы, что энергетические состояния это целые числа (а не полуцелые), и заняты в режиме вакуума отрицательные и ноль, а положительные свободны — то получилось бы совсем то, что мы хотели:
Математические байки
Photo
Первая скобка приходит из добавления частиц на каждый свободный уровень j, а вторая — из их убирания с занятых уровней -(j-1).
Но можно считать и по-другому — сначала спросить, "а какой у нас полный заряд Q?".

И тогда — состояние с наименьшей энергией при данном заряде Q это, опять же, "все слева от Q занято, всё справа от Q свободно". И его энергия равна — в "симметричном полуцелом" варианте
1/2 + 3/2 + ... + (2Q-1)/2 = Q^2/2,
а в несимметричном целочисленном —
1 + 2 + ... + Q = Q(Q+1)/2
(если Q отрицательно, то нужно частицы убирать — но правые части всё ещё дают правильный ответ).
А когда Q уже известен — то любое состояние из состояния с данным зарядом и наименьшей энергией (данного заряда) получается чередой сдвигов частиц на одно состояние вперёд — и способов добавить ещё n единиц энергии как раз p(n), число разбиений n, ибо они индексируются диаграммами Юнга (вне зависимости от значения Q!)
И давайте я тут выложу кадр из видеозаписи курса "Полубесконечная внешняя степень" М. Берштейна в ЛШСМ-2014: