狭义相对论量子力学4——保守势的狄拉克方程
量子力学中的狄拉克方程研究
量子力学中的狄拉克方程研究狄拉克方程是量子力学中的一项重要成果，由英国物理学家狄拉克（Paul Dirac）于1928年提出。
该方程描述了粒子行为，特别是描述了自旋为1/2的粒子，如电子，以及反粒子。
1. 狄拉克方程的提出狄拉克方程的提出源于对经典相对论性方程与量子力学的融合的努力。
根据相对论性量子力学的原理，狄拉克试图找到一个既符合相对论性原理又解释电子自旋性质的方程。
经过数年的努力，他终于成功地推导出了狄拉克方程。
2. 狄拉克方程的形式与意义狄拉克方程的形式为：(γμPμ - mc)ψ = 0其中，Pμ是四维动量算符，m是粒子质量，c是光速。
γμ是一组4×4矩阵，也称为狄拉克矩阵。
狄拉克方程的解ψ是一个具有四个复分量的四分量旋量。
方程中的狄拉克矩阵γμ是与方程解ψ相关的算符。
狄拉克方程描述了电子和正电子（反电子）的行为，并成功地预言了反电子的存在。
3. 狄拉克方程的物理意义狄拉克方程的提出对量子力学理论的发展和应用产生了深远的影响。
它不仅解释了自旋为1/2的粒子的行为，还成功地预言了反粒子的存在。
狄拉克方程揭示出自旋粒子的波函数不仅包含了波函数本身的信息，还包含了粒子的能量、动量、自旋等物理性质的信息。
这使得狄拉克方程成为量子力学中不可或缺的一部分。
4. 狄拉克方程的应用狄拉克方程的应用涉及到许多领域。
例如，在粒子物理学中，狄拉克方程被用于描述带电粒子，如电子、质子等的行为。
在核物理学中，狄拉克方程被用于研究原子核、中子、质子等微观粒子。
此外，狄拉克方程还在量子场论的研究中发挥着重要的作用。
它被广泛运用在相对论性量子场论理论中，如量子电动力学（QED）等。
5. 狄拉克方程的发展与挑战尽管狄拉克方程在描述粒子行为方面取得了巨大成功，但它也引发了一些困扰和挑战。
例如，负能解和空穴解等解释上的困惑，以及与相对论的统一等方面的挑战。
狄拉克方程的发展仍然是一个活跃的研究领域，物理学家们在不断深入研究中不断改善和完善狄拉克方程的理论框架，以更好地解释粒子行为。
狄拉克方程的推导与解析
狄拉克方程的推导与解析狄拉克方程是描述自旋1/2粒子运动的方程，由英国物理学家狄拉克于1928年提出。
它是量子力学中的重要基础方程，对于描述电子、质子等粒子的运动具有重要意义。
本文将对狄拉克方程的推导和解析进行探讨。
狄拉克方程的推导始于对相对论性的薛定谔方程的修正。
相对论性薛定谔方程是根据爱因斯坦的相对论原理推导出来的，但是它只适用于自旋为0的粒子。
狄拉克希望能够得到适用于自旋为1/2的粒子的方程，于是他尝试了一种新的方法。
狄拉克的思路是将薛定谔方程中的波函数扩展为一个四分量的波函数，即一个二维的波函数和一个二维的自旋函数的乘积。
这样，狄拉克方程中的波函数就具有了自旋的信息。
为了得到这个四分量的波函数满足的方程，狄拉克引入了四个矩阵，称为狄拉克矩阵。
这四个矩阵分别是泡利矩阵和单位矩阵的张量积。
通过引入这些矩阵，狄拉克方程可以写成一个形式简洁的形式。
接下来，我们来推导狄拉克方程。
首先，我们假设四分量的波函数可以写成一个形如：\[\psi(x,t) = \begin{pmatrix} \psi_1(x,t) \\ \psi_2(x,t) \\ \psi_3(x,t) \\ \psi_4(x,t)\end{pmatrix}\]的列向量。
其中，\(\psi_1(x,t)\)和\(\psi_2(x,t)\)表示粒子在位置x和时间t的概率幅，\(\psi_3(x,t)\)和\(\psi_4(x,t)\)表示自旋向上和向下的概率幅。
然后，我们可以得到狄拉克方程的形式为：\[(i\gamma^{\mu}\partial_{\mu} - m)\psi(x,t) = 0\]其中，\(\gamma^{\mu}\)是四个狄拉克矩阵的线性组合，\(\partial_{\mu}\)是四维导数算符，m是粒子的质量。
狄拉克方程的解析解是一个非常复杂的问题，但是我们可以通过一些近似方法来得到一些近似解。
例如，我们可以使用平面波的形式来表示波函数：\[\psi(x,t) = u(p)e^{-ip\cdot x}\]其中，u(p)是一个四分量的自旋函数，它的形式可以通过狄拉克方程来确定。
狄拉克方程
张淼 西南交通大学物理学院
内容提要
1.背景知识回顾：波函数、薛定谔方程
（非相对论的）
2.克莱因-戈尔登方程
相对论的
3.狄拉克方程
一、波函数和薛定谔方程
1. 物质波
德布罗意，1929年的诺贝尔物理学奖
2. 玻恩统计解释
电子源
感 光 屏
1926年，德国物理学家玻恩提出了几率波的概 念: 在数学上，用一函数表示描写粒子的波，这个 函数叫波函数。波函数在空间中某一点的强度（波 函数模的平方）和在该点找到粒子的几率成正比。 这样描写粒子的波叫几率波。
请举例验证
1.
狄拉克方程的解(负能量)：
i (c P mc 2 ) t
如果动量为零（假设）：
i mc 2 t
1 0
0 1
1 0
0 1
2 i mc t
2 2
11c Px Px 22c Py Py 33c Pz Pz m c
2 2 2 2
2 4
12c2 Px Py 13c2 Px Pz 1Px mc3
21c2 Py Px 23c2 Py Pz 2 Py mc3
31c2 Pz Px 32c2 Pz Py 3Pz mc3
i A mc 2 A t i B mc 2 B t
Dirac
K-G
自旋为零
E m c
2
2
2
0
量子力学
E c p m c E c p m c
2 2 2 4
2 4
相对论
2.
狄拉克方程 (自旋)：
相对论性量子力学简介狄拉克方程
(E V mc2 )1cv pv
得 (E V mc2 ) cv pv(E V mc2 )1cv pv
若取 (E V mc2 )1 (Es V 2mc2 )1 (2mc2 )1 ，得到薛定谔方程
取
(Es
V
2mc2 )1
H
pv2 2m
V
pv4 8m3c
2
iv
( pv[ pv,V 4m2c2
])
pv[ pv,V ] 4m2c2
因最后一项不厄米，即
2drv 不
守恒，χ不是所需的薛定谔波函数(能量精确至p2是, 至p4阶不是).
因：
drv
[ ]drv
解决方法？
Klein-Gordon方程
解决方法1： H 2 c2 pv2 m2c4
Klein-Gordon方程：
2 t 2
(
c
2 pv2 h2
m2c4 h2 )
非自由粒子：
(i h
t
V)2
(c2 pv2 m2c4 )
问题：
（1）几率密度不正定 （2）有负能解，且无下限（考虑跃迁，似乎很不合理） （3）时间二阶方程，初始条件需要Ψ及其时间一阶导数 （4）Ψ是标量，只可能描述无自旋粒子如п介子、к中介
v B)
v
v
ieh
v B
c
对均匀磁场，Av
v B
rv
/
2
，得
H
pv2 2mv
狄拉克方程的物理意义
狄拉克方程的物理意义摘要：1.狄拉克方程的简介2.狄拉克方程的物理意义3.狄拉克方程在量子力学中的应用4.狄拉克方程的拓展与优化正文：狄拉克方程是量子力学中描述电子波动方程的重要公式，由英国物理学家保罗·狄拉克于1928年提出。
其数学表达式包含了电子的波函数及其关于时间的导数，同时还考虑了电子在电磁场中的相互作用。
狄拉克方程的物理意义在于，它准确地预测了电子的能级、自旋、相对论性效应以及电磁相互作用。
首先，狄拉克方程的提出解决了量子力学与相对论之间的矛盾。
在量子力学中，电子的能量是离散的，而根据相对论，电子的能量应该是连续的。
狄拉克方程将这两个理论有机地结合在一起，使得电子的能量表现出了连续性与离散性的统一。
同时，狄拉克方程还预测了电子的自旋，这是一个非常重要的发现。
自旋是电子内禀性质的表现，它使电子成为了一个微型磁铁。
其次，狄拉克方程在量子力学中的应用非常广泛。
通过求解狄拉克方程，可以准确地计算出电子在不同能级之间的跃迁概率，从而为原子物理、分子物理、凝聚态物理等领域的研究提供了理论基础。
此外，狄拉克方程还为粒子物理学提供了重要的理论框架。
例如，通过狄拉克方程的拓展，物理学家们发现了电子的磁偶极矩、电荷矩等性质。
然而，狄拉克方程在描述电子时还存在一定的局限性。
例如，它无法解释电子的波粒二象性，也不能很好地描述强关联体系。
为了克服这些局限性，物理学家们对狄拉克方程进行了不断的拓展与优化。
例如，霍尔斯道夫方程、薛定谔-狄拉克方程等都是在狄拉克方程基础上发展起来的。
这些方程为描述复杂物理体系提供了更为强大的工具。
总之，狄拉克方程在物理学的发展中具有重要地位。
它不仅解决了量子力学与相对论之间的矛盾，还为各个领域的物理研究提供了理论基础。
然而，随着科学研究的不断深入，狄拉克方程的局限性也逐渐显现出来。
量子力学之薛定谔方程与狄拉克方程
认识一下量子前辈们
一、量子力学之薛定谔方程和狄拉克方 程
薛定谔
狄拉克
薛定谔(Erwinschrodinger，1887-1961)因发现原子理论 的有效的新形式——波动力学和狄拉克 (PaulAdvienMauriceDirac，1902—1984)因创立相对论性 的波动力学方程——狄拉克方程，共同分享了1933年度 诺贝尔物理学奖。
上图：晶体管的变迁 右图：Intel公布的含15 亿晶体管的Ivy Bridge芯 片
二、激光诞生 今天，无论是家用CD播放器，还是战区导弹防御系 统，激光已经在当代人类的社会生活中，占据了核心地位。 激光器的原理，是先冲击围绕原子旋转的电子，令其 在重回低能量级别时迸发出光子。这些光子随后又会引发 周围的原子发生同样的变化，即发射出光子。最终，在激 光器的引导下，这些光子形成稳定的集中束流，即我们所 看到的激光。当然，人们能够知晓这些，离不开理论物理 学家马克斯· 普朗克及其发现的量子力学原理。普朗克指 出，原子的能量级别不是连续的，而是分散、不连贯的。 当原子发射出能量时，是以在离散值上被称作量子的最小 基本单位进行的。激光器工作的原理，实际上就是激发一 个特定量子散发能量。
三、量子力学的应用
一、陌生的量子，不陌生的晶体管 晶体管的优势在于它能够同时扮演电子信号放大器和 转换器的角色。这几乎是所有现代电子设备最基本的功能 需求。但晶体管的出现，首先必须要感谢的就是量子力学。 正是在量子力学基础研究领域获得的突破，斯坦福大学的 研究者尤金· 瓦格纳及其学生弗里德里希· 塞茨得以在1930 年发现半导体的性质。在晶体管上加电压能实现门的功能， 控制管中电流的导通或者截止，利用这个原理便能实现信 息编码，以至于编写一种1和0的语言来操作它们。到 1954年，美国军方成功制造出世界首台晶体管计算机 TRIDAC。与之前动辄楼房般臃肿的不靠谱的真空管计算 机前辈们相比，TRIDAC只有3立方英尺大，耗电不过100 瓦特。今天，英特尔和AMD的尖端芯片上，已经能够摆放 数十亿个微处理器。而这一切都必须归功于量子力学。
狄拉克方程 狭义相对论 量子力学
狄拉克方程狭义相对论量子力学狄拉克方程和狭义相对论是量子力学和相对论的两个重要理论。
狄拉克方程是描述自旋1/2粒子的量子力学方程，它成功地统一了狭义相对论和量子力学。
狭义相对论是爱因斯坦提出的一种描述高速运动物体的物理学理论，它改变了牛顿的经典力学观念，提出了新的时空观念和相对论效应。
下面我们将详细介绍狄拉克方程和狭义相对论的相关内容。
狄拉克方程是量子力学中描述自旋1/2粒子的方程，由英国物理学家保罗·狄拉克于1928年提出。
它是一个四分量波函数的方程，描述了自旋1/2粒子的动力学行为。
狄拉克方程的形式为：(iγμ∂_μ-m)ψ=0其中ψ是四分量波函数，γμ是四个4x4的矩阵，∂_μ是四维导数，m为粒子的质量。
狄拉克方程描述了自旋1/2粒子的薛定谔态演化，同时包含了狭义相对论的效应。
这是因为在狭义相对论中，对粒子的描述需要考虑相对论修正的哈密顿量。
狄拉克方程的解可以通过引入一种新的数学工具“旋量”来得到，从而描述了自旋1/2粒子的量子态。
相对论是描述高速运动物体的物理学理论。
爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论，它建立在两个基本假设之上：光速不变原理和等效原理。
光速不变原理指出，在任何惯性参考系中，光速在真空中的传播速度都是恒定的。
等效原理指出，任何惯性系中的自由粒子运动都可以等效于重力场中的自由粒子运动。
狭义相对论引入了新的时空观念，即时空是一个四维时空的连续结构。
它认为时间和空间不再是独立的，而是构成了一个时空的统一整体。
狭义相对论还引出了著名的洛伦兹变换，描述了不同惯性参考系之间的变换关系。
相对论效应包括时间膨胀、长度收缩、质能关系及对速度的加成等。
狄拉克方程和狭义相对论的结合使得量子力学可以应用到高速运动粒子的描述中。
狄拉克方程可以推导出一系列重要的结果，如负能态（反粒子）的存在、自旋和角动量的关系、粒子自旋的量子测量结果等。
同时，狄拉克方程还为量子电动力学的发展奠定了基础，在粒子物理学中起到了重要的作用。
狄拉克方程
狄拉克方程1928年英国物理学家狄拉克（Paul Adrien MauriceDirac）提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。
利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。
从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的2倍。
电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。
狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展。
1概念自然单位制下的狄拉克方程为了避免克莱因－高顿方程中概率不守恒的问题，狄拉克在假设方程关于时间与空间的微分呈一次关系后得出了有名的狄拉克方程。
但该方程仍无法避免得出负能量解的问题。
2应用既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确，人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象。
按照狄拉克方程给出的结果，电子除了有能量取正值的状态外，还有能量取负值的状态，并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的。
自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态，其能量值是一个电子的静止能量，其他的正能态的能量比一个电子的静止能量要高，并且可以连续地增加到无穷。
与此同时，自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值，其他的负能态的能量比这个能量要低，并且可以连续地降低到负无穷。
这个结果表明：如果有一个电子处于某个正能状态，则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量。
同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱，这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去，这样任何一个电子都可以不断地释放能量，成为永动机，这在物理上显然是完全不合理的。
3空穴理论针对这个矛盾，1930年狄拉克提出一个理论，被称为空穴理论。
最多只能容纳一个电子，物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子，同时正能态中没有电子的状态。
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=
−ic
α· ∇Ψ + mc2βΨ + V (r, t) Ψ
,
−i
∂Ψ† ∂t
=
ic
∇Ψ† · α† + mc2Ψ†β† + V (r, t) Ψ†
,
用Ψ† 左乘第一式， 用Ψ右乘第二式则：
i
Ψ†
∂Ψ ∂+ mc2βΨ + V (r, t) Ψ
,
−i
∂Ψ† ∂t
ψ
=
ic ∇Ψ† · α† + mc2Ψ†β† + V (r, t) Ψ†
0 σi σi 0
,β=
I0 0 −I
(1) ；而
2 狄拉克方程的连续性方程
定理：狄拉克方程对应的连续性方程为：
∂ρ
+ ∇ · J = 0.
(2)
∂t
其中ρ = Ψ†Ψ 称为概率密度，而J = cΨ†αΨ称为概率流密度，其定义同保
守势的情况。
证明：从狄拉克方程（??）和它的共轭形式出发则：
i
∂Ψ ∂t
Ψ.
上面两个方程相减则：
i
Ψ†
∂Ψ ∂t
+
Ψ
∂Ψ† ∂t
= −ic
Ψ† α· ∇Ψ + ∇Ψ† · α†Ψ +mc2 ψ†βΨ − Ψ†β†Ψ ,
利用结果α† = α, β† = β
∂ ∂t
Ψ†Ψ
=
Ψ†
∂Ψ ∂t
+
Ψ
∂Ψ† ∂t
∇ · Ψ†αΨ = Ψ† α· ∇Ψ + ∇Ψ† · αΨ 则：
1
i
2
保守势的狄拉克方程
Guoyuan Lu April 10, 2020
1 狄拉克方程
假设：高速运动的电子的波函数的演化满足狄拉克方程：
i
∂Ψ =
cα · p + βmc2 + V (r, t)
Ψ.
∂t
其中α 和 β 是 4 × 4 矩阵，具体为 αi = Ψ在狄拉克-泡利表象中是 4 × 1 的矩阵。
∂ ∂t
Ψ†Ψ
= −ic ∇ ·
Ψ†αΨ
.
现在定义概率密度ρ和概率流密度J ：
J = cΨ†αΨ
ρ = Ψ†Ψ 则得到：
∂ρ ∂t
+
∇
·
J
=
0.证毕。
注意：这里定理的概率密度是非负的，因为Ψ=[a, b, c, d]T , Ψ†=[a∗, b∗, c∗, d∗]则ρ=Ψ†Ψ=a∗a+b∗b+c∗c+