Квантовая механика в космологических моделях де Ситтера

            НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ Институт физики имени Б. И. Степанова





     КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
     В КОСМОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ
     ДЕ СИТТЕРА



















                             Минск
«Беларуская навука» 2016

УДК 530.145:539.12

    Квантовая механика в космологических моделях де Ситтера / О. В. Веко [и др.]. - Минск : Беларуская навука, 2016. - 515 с. -ISBN 978-985-08-2027-3.
    В книге развивается квантовая механика частиц со спином 0, 1/2, 1 в предположении неевклидовости пространства-времени. Исследуются случаи геометрий Минковского, Лобачевского, Римана и де Ситтера. Акцент делается на точно решаемых задачах. В основу обобщения волновых уравнений положен тетрадный формализм Тетроде-Вейля- Фока-Иваненко. Исследованы следующие квантово-механические системы: атом водорода на основе уравнений Клейна- Фока- Гордона и Дирака в статических моделях де Ситтера; частица со спином 1/2 в поле абелева монополя на фоне геометрий де Ситтера; нерелятивистская векторная частица в полях абелева монополя, Кулона и осциллятора на фоне плоского пространства Минковского; частица со спином 1 в полях Кулона и осциллятора на фоне пространств Лобачевского и Римана в нерелятивистском приближении Паули; частицы спина 0 и 1/2 в расширяющемся и осциллирующем пространствах де Ситтера -даны релятивистское и нерелятивистское описания. Развит метод решения дифференциальных уравнений 4-го порядка на основе метода факторизации.
    Предназначена для научных работников и аспирантов, занимающихся вопросами физики элементарных частиц, классической и квантовой теории поля. Может быть использована в качестве учебного пособия.
    Ил. 9. Библиогр.: 250 назв.


А в т о р ы:
О. В. Веко, К. В. Дашук, В. В. Кисель, Е. М. Овсиюк, В. М. Редьков

Р е ц е н з е н т ы:
доктор физико-математических наук Ю. А. Курочкин, доктор физико-математических наук, профессор В. А. Плетюхов
















ISBN 978-985-08-2027-3

© Оформление. РУП «Издательский дом «Беларуская навука», 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ






Предисловие.............................................. 9

1. Атом водорода и геометрии пространств де Ситтера....  11
      1.1. Введение..................................... 11
      1.2. Разделение переменных в пространстве де Ситтера.... 12
      1.3. Качественное рассмотрение.................... 14
      1.4. Анализ классического движения в пространстве де Ситтера ............................................. 17
      1.5. Сведение радиального уравнения к уравнению Гойна 21
      1.6. Вычисление корней уравнения pᵣ = 0........... 25
      1.7. Вычисление интеграла......................... 27
      1.8. Кулоновская задача в пространстве анти де Ситтера и функции Гойна................................... 30
      1.9. Качественный анализ задачи в пространстве анти де
      Ситтера........................................... 36
      1.10. ВКБ-анализ в пространстве анти де Ситтера.. 39
      1.11. Частица со спином 1/2 в кулоновском поле на фоне пространства де Ситтера........................... 40
      1.12. Частица со спином 1/2 в кулоновском поле в пространстве анти де Ситтера........................... 46
      1.13. Выводы...................................... 50

2. Частица со спином 1/2 в присутствии абелева монополя на фоне пространства-времени де Ситтера.................... 51
      2.1. Уравнение Дирака в статических координатах де Ситтера.............................................. 51
      2.2. Разделение переменных в поле монополя........ 52
      2.3. Решение радиальных уравнений................. 58
      2.4. Решение радиальных уравнений при j ₘᵢₙ....... 64
      2.5. Стоячие и бегущие волны, j > jₘᵢₙ............ 70

О. Веко, К. Дашук, В. Кисель, Е. Овсиюк, В. Редьков

     2.6. Стоячие и бегущие волны при j = j ......... 74
     2.7. Обсуждение и выводы........................ 75


3. Частица со спином 1/2 в присутствии абелева монополя на фоне пространства анти де Ситтера................... 79

      3.1. Разделение переменных............................
      3.2. Решение радиальных уравнений при j ₘᵢₙ...........
      3.3. Предельный переход к пространству Минковского....
      3.4. Разделение переменных в поле магнитного заряда, j > j ................................................
          min
      3.5. Решение уравнений при j > j
Jmin


79
81
84

87
88

4. Векторная частица в поле магнитного заряда, нерелятивистское приближение в пространстве Минковского........ 93

      4.1. Введение.................................... 93
      4.2. Разделение переменных в релятивистском уравнении Даффина- Кеммера........................ 94
      4.3. Нерелятивистское приближение................. 101
      4.4. Решение радиальной системы уравнений....... 107
      4.5. Явные представления для трех классов решений. 117
      4.6. Случай минимального значения j............... 120
      4.7. Частица в полях Кулона и магнитного заряда... 121
      4.8. Частица в полях квадратичного потенциала и магнитного заряда.............................. 123
      4.9. Заключение................................. 124


5. Векторная частица в сферически-симметричных потенциалах, нерелятивистское приближение в пространстве Лоба
чевского............................................... 125
      5.1. Введение.................................... 125
      5.2. Разделение переменных в уравнении Даффина-Кеммера........................................... 131
      5.3. Нерелятивистское приближение................ 137
      5.4. Частица в присутствии монополя в состояниях минимального j, учет кулоновского и осцилляторного потенциалов....................................... 145
      5.5. Частица со спином 1 в отсутствие монопольного поля.............................................. 150

Квантовая механика в космологических моделях де Ситтера

5

      5.6. Частица со спином 1 в кулоновском поле притяжения.. 156
      5.7. Частица в осцилляторном поле............... 167
      5.8. Релятивистская задача в поле осциллятора, случай пространства Лобачевского....................... 175
      5.9. Релятивистская частица в поле осциллятора, случай плоского пространства........................... 180
      5.10. Выводы.................................... 182

6. Векторная частица в сферически симметричных потенциалах, нерелятивистское приближение в сферическом пространстве ............................................ 183
      6.1. Разделение переменных в модифицированном уравнении Даффина-Кеммера....................... 183
      6.2. Нерелятивистское приближение............... 187
      6.3. Частица в состояниях минимального j: учет кулоновского потенциала......................... 195
      6.4. Частица в состояниях минимального j: учет осцилляторного потенциала....................... 197
      6.5. Частица в отсутствие монопольного потенциала. 198
      6.6. Частица в кулоновском поле притяжения...... 204
      6.7. Частица в осцилляторном поле............... 211

7. Сферические волны для поля со спином 1 в статической метрике де Ситтера, матричный 10-мерный формализм....... 219
      7.1. Разделение переменных...................... 219
      7.2. Решение радиальных уравнений............... 222
      7.3. Расходящаяся, сходящаяся и стоячая волны..... 228
      7.4. Безмассовый предел......................... 230

8. Сферические волны для поля со спином 1 в статической метрике анти де Ситтера, матричный 10-мерный формализм . 231
      8.1. Постановка задачи. Разделение переменных... 231
      8.2. Решение радиальных уравнений при j > 0..... 234
      8.3. Безмассовый предел частицы со спином 1..... 239

9. Скалярная частица в нестатических Вселенных де Ситтера . ... 241
      9.1. Нерелятивистский предел в теории скалярной частицы на фоне римановой геометрии............. 241

О. Веко, К. Дашук, В. Кисель, Е. Овсиюк, В. Редьков

      9.2. Уравнение Шредингера в пространствах де Ситтера
      и анти де Ситтера, нестатические координаты.... 246
      9.3. Уравнение Клейна- Фока- Гордона в гравитационном поле........................................... 256
      9.4. Частица Клейна- Фока- Гордона в нестатической модели де Ситтера.............................. 257
      9.5. Частица Клейна- Фока- Гордона в модели анти де Ситтера........................................ 264

10. Частица со спином 1/2 в нестатических Вселенных де Ситтера.............................................. 267

      10.1. Уравнение Дирака в ортогональных координатах. 267
      10.2. Нейтрино в пространстве де Ситтера....... 284
      10.3. Уравнение Паули в расширяющейся Вселенной де Ситтера........................................ 286
      10.4. Частица со спином 1/2 в осциллирующей Вселенной анти де Ситтера...................... 292
      10.5. Уравнение Паули в осциллирующей Вселенной.... 303

11. Частица со спином 1 в нестатических пространствах де Ситтера, тетрадный формализм............................ 309

      11.1. 10-мерный матричный формализм, разделение переменных......................................... 309
      11.2. Условие Лоренца.......................... 323
      11.3. Электромагнитное поле в формализме Майораны- Оппенгеймера в расширяющейся Вселенной де
      Ситтера ....................................... 334
      11.4. Связь между формализмами Майораны- Оппенгеймера и Даффина- Кеммера........................ 345
      11.5. Электромагнитное поле в формализме Майораны-Оппенгеймера во Вселенной анти де Ситтера...... 359
      11.6. Частица со спином 1 в пространстве анти де Ситтера, формализм Даффина- Кеммера..................... 367
      11.7. Связь между формализмами Майораны- Оппенгеймера и Даффина- Кеммера в пространстве анти де
      Ситтера........................................ 371

Квантовая механика в космологических моделях де Ситтера

7

12. Частицасоспином 1, нерелятивистскоеприближение в нестатических метриках де Ситтера.......................... 385
      12.1. Нерелятивистское приближение для векторной ча      стицы в расширяющейся Вселенной де Ситтера...... 385
      12.2. Нерелятивистское приближение для векторной ча      стицы в осциллирующей Вселенной анти де Ситтера.. 402

13. Частица Дирака—Кэлера в пространствах постоянной кривизны: релятивистское и нерелятивистское описания, точные решения............................................... 421
      13.1. Нерелятивистское приближение в римановом пространстве......................................... 421
      13.2. Двумерный спинорный формализм............. 424
      13.3. Нерелятивистское уравнение в пространстве Минковского........................................ 429
      13.4. Сферически-симметричные решения в плоском пространстве, релятивистский случай.................. 431
      13.5. Состояния со значением j = 0.............. 436
      13.6. Сферически-симметричные решения в плоском пространстве, нерелятивистский предел........... 438
      13.7. Явный вид решений и калибровочные преобразования .......................................... 444
      13.8. Точные решения в сферическом пространстве Римана, нерелятивистское приближение.............. 446
      13.9. Решение радиальных уравнений в сферическом пространстве......................................... 451
      13.10. Решения в пространстве Лобачевского, нерелятивистское приближение............................ 457
      13.11. Решение уравнений в гиперболическом пространстве    461

14. Дублет дираковских частиц в поле неабелева монополя, нерелятивистское описание............................. 467
      14.1. Введение.................................. 467
      14.2. Уравнение Паули для дублета фермионов, общий анализ.......................................... 468
      14.3. Неабелев монополь, калибровка Швингера..... 470

     14.4. Разделение переменных в релятивистском уравнении. 475
      14.5. Дискретный оператор отражений в изотопическом и координатном пространствах..................... 477
      14.6. Решение уравнений для случая простейшего монопольного потенциала.............................. 480
      14.7. Дублет в нерелятивистском приближении Паули, слу      чай j = 0....................................... 482
      14.8. Дублет в нерелятивистском приближении: случай j > 0   488
     14.9. Выводы..................................... 492
Заключение............................................ 493
Литература............................................ 497

Предисловие




    Физические задачи, допускающие точное аналитическое решение, всегда привлекали пристальное внимание. В настоящей работе будут исследованы некоторые новые точно решаемые задачи, возникающие при обобщении классической теории поля (главным образом речь идет об электромагнитном поле) и квантовой механики в пространствах с псевдоримановой геометрией [1-3].
   Многие традиционные задачи квантовой теории и теории поля [4-6] при их обобщении на пространства с неевклидовой геометрией допускают исчерпывающую аналитическую трактовку. Причем, также как и большинство задач в пространстве Минковского они поддаются анализу в терминах гипергеометрических функций - решений дифференциального уравнения с тремя особыми точками [7, 8]. Однако в настоящее время задачи теории поля и квантовой механики все чаще приводят к необходимости решать дифференциальное уравнение с четырьмя особыми точками - уравнение Гойна [9-11]. Хотя это уравнение и его решения известны уже много лет, развитый для этих функций аппарат все еще является недостаточно разработанным, чтобы его можно было эффективно использовать при исследовании физических задач.
   Часто с помощью специальных приемов многие задачи, приводящие к уравнению Гойна, удается преобразовывать к форме, поддающейся трактовке в гипергеометрических функциях. Ряд таких примеров рассмотрен в настоящей книге. Кроме того, изложен анализ нескольких задач, решение которых возможно только в функциях Гойна. При этом оказывается, что использование простого условия, выделяющего так-называемые трансцендентные (неполиномиальные) функции Гойна, часто позволяет придти к разумным правилам квантования энергии в системах, где возможно существование связанных состояний. Применительно к нескольким квантово-механическим задачам развит также метод факторизации при решении дифференциальных уравнений четвертого порядка.
   В большей части настоящей работы в качестве обобщенных геометрических моделей используются статическое (сферическое) пространство-время Эйнштейна и его гиперболический аналог - пространство Лобачевского; мы будем поль

9

О. Веко, К. Дашук, В. Кисель, Е. Овсиюк, В. Редьков

зоваться терминами пространство Римана S ₃ и пространств о Лобачевского H3, поскольку все интересные геометрические свойства 4-мерных моделей сосредоточены именно в их пространственных частях. Рассматривается ряд физических систем на фоне более сложных моделей: пространства-времени де Ситтера первого и второго рода (де Ситтера и анти де Ситтера).
   В основу обобщения квантово-механических уравнений на модели пространств с неевклидовой геометрией положен тетрадный формализм Тетроде-Вейля-Фока-Иваненко. Акцент сделан на получении точных аналитических решений.
   Авторы благодарны сотрудникам Лаборатории теоретической физики Института физики Национальной академии наук Беларуси за обсуждение на лабораторных семинарах составивших основу книги результатов и дружескую критику.
   Авторы признательны рецензентам Юрию Андреевичу Курочкину и Владимиру Анестиевичу Плетюхову за интерес к работе и полезные советы.
   Авторы также благодарны Президиуму Национальной Академии наук Беларуси за поддержку издания книги.