問題 8-1 の解答例

Feynman-Hibbs cover

Problem 8-1
Note that the amplide to go from any state f(x) to another state g(x) is the transition
amplitude g|1|f as defined in Eq. (7-1).
Suppose f(x) and g(x) are expanded in terms of the orthogonal function ϕn(x), the solutions to the wave equation associated with the kernel K(2,1), as discussed in Sec. 4-2. Thus

(8-23)f(x)=nfnϕn(x),g(x)=ngnϕn(x)

Using the coefficients fn and gn and Eq. (4-59), show that the transition amplitude can be witten as
(8-24)g(x2)K(x2,T;x1,0)f(x1)dx1dx2=ngnfneiEnT/

Next, suppose we choose a special pair of functions f(x) and g(x) for which the expansion on the right-hand side of Eq. (8-24) is simple. Then after obtaining the functions fn we could get some information about the wave functions ϕn(x) from the expansions of Eq. (8-23). Suppose we choose the functions f(x) and g(x) in the following way
(8-25)f(x)=(mωπ)1/4exp[mω2(xa)2](8-26)g(x)=(mωπ)1/4exp[mω2(xb)2]

These functions represent gaussian distributions centered about a and b, respectively.
We shall call fn=fn(a) and gn=fn(b). Determine the transition amplitude g|1|f, where f(x) and g(x) are given by Eqs. (8-25) and (8-26), respectively, and the kernel is that for a harmonic oscillator, Eq. (8-1). Perform the integrals in Eq. (8-24) to get
(8-27)exp{iωT2mω4(a2+b22abeiωT)}=ngn(b)fn(a)eiEnT/

From this result show that En=ω(n+12) and that
(8-28)fn(a)=(mω2)n/2ann!exp(mωa24)

Using this result in Eq. (8-23) and write for fn(x) the form given by Eq. (8-7) considering the Hn(x) still unknown. From this derive the generating function of Eq. (8-9) for these functions Hn(x).


 
( 解答 )  【 a 】 遷移要素 g|1|f に式 (8-10): K(2,1)=ϕl(x2)ϕl(x1)eiElT/ と式 (8-23) を代入し, 関数 ϕn(x) の規格直交性を用いるならば,
g|1|f=dx2dx1g(x2)K(2,1)f(x1)=dx2dx1ngnϕn(x2)K(2,1)mfmϕm(x1)=dx2ngnϕn(x2)mfmdx1lϕl(x2)ϕl(x1)eiElT/ϕm(x1)=dx2ngnϕn(x2)mfmlϕl(x2)eiElT/dx1ϕl(x1)ϕm(x1)=dx2ngnϕn(x2)mfmlϕl(x2)eiElT/δlm=dx2ngnϕn(x2)mfmϕm(x2)eiEmT/=ngnmfmeiEmT/dx2ϕn(x2)ϕm(x2)=ngnmfmeiEmT/δnm=ngnfneiEnT/
よって,

(1)g|1|f=dx2dx1g(x2)K(2,1)f(x1)=ngnfneiEnT/

【 b 】 遷移要素 g|1|f に核の式 (8-1), 及び fg の式 (8-25), 式 (8-26) を代入すると,

g|1|f=dx2dx1g(x2)K(2,1)f(x1)=dx2dx1(mωπ)1/2exp{mω2[(x2b)2+(x1a)2]}(mω2πisinωT)1/2(2)×exp{imω2sinωT[(x12+x22)cosωT2x1x2]}

まず D.F.Styer の解答を参照して, 変数を次のような無次元量に変換する:
α(mω2)1/2,x¯1=αx1x¯2=αx2,a¯=αa,b¯=αb(3) x1=x¯1α,x2=x¯2α,a=a¯α,b=b¯α

すると式 (2) は次となる:
(2π)1/2αdx¯2αdx¯1αexp{α2[1α2(x¯2b¯)2+1α2(x¯1a¯)2]}α(1πisinωT)1/2×exp{iα2sinωT[1α2(x¯12+x¯22)cosωT2α2x¯1x¯2]}=(2π2isinωT)1/2dx¯2dx¯1exp{(x¯2b¯)2(x¯1a¯)2+icosωTsinωT(x¯12+x¯22)2isinωTx¯2x¯1}=(2π2isinωT)1/2exp{(a¯2+b¯2)}×dx¯2dx¯1exp{(1+icosωTsinωT)(x¯12+x¯22)+2(a¯x¯1+b¯x¯2)2isinωTx¯1x¯2}=(2π2isinωT)1/2exp{(a¯2+b¯2)}(4)×dx¯2dx¯1exp{1sinωT[ieiωT(x¯12+x¯22)+2(a¯x¯1+b¯x¯2)sinωT2ix¯1x¯2]}

積分を簡単に実行するために, 座標軸を π/4 回転して新しい変数 x1,x2 に変更する.これは単なる座標回転であるから, 積分範囲に変更はないし余計な因子も発生しない:
(5)x¯1=12(x1x2),x¯2=12(x1+x2).

すると, 式 (4) の積分部分は分離した2つの積分となる:
dx1dx2exp{1sinωT[ieiωT(x12+x22)+2(a¯x1a¯x2+b¯x1+b¯x2)sinωTi(x12x22)]}=dx11sinωT[e(eiωT1)x12+2(a¯+b¯)x1sinωT](6)×dx21sinωT[i(eiωT+1)x22+2(a¯+b¯)x22sinωT]

各々の積分は,Feynman-Hibbsの付録「役に立つ定積分」にある公式
(7)eax2+bxdx=πaexp(b24a)

を当てはめて実行出来る.また, 式 (8-11) から
(8)2isinωTe2iωT1=eiωT(1e2iωT)e2iωT(1e2iωT)=eiωT

も利用する.すると式 (4) すなわち式 (2) は結局次となる:
(2π2isinωT)1/2exp{(a¯2+b¯2)}πsinωTi(1eiωT)exp{(a¯+b¯)2sinωTi(1eiωT)}×(πsinωTi(1+eiωT))1/2exp{(ab)2sinωTi(1+eiωT)}=(2π2isinωT)1/2exp{(a¯2+b¯2)}πsinωT(1e2iωT)1/2exp{isinωT[(a¯2+b¯2)eiωT+2a¯b¯e2iωT1]}=(2isinωTe2iωT1)1/2exp{(a¯2+b¯2)}exp{isinωTe2iωT1[(a¯2+b¯2)eiωT+2a¯b¯]}=exp{iωT2}exp{(a¯2+b¯2)}exp{eiωT2[(a¯2+b¯2)eiωT+2a¯b¯]}(9)=exp{iωT2mω4(a2+b22abeiωT)}

よって式 (8-24) は次となる:
(10)g|1|f=exp{iωT2mω4(a2+b22abeiωT)}=ngn(b)fn(a)eiEnT/

この問題に一致する議論が Schiff の § 13 (p.87) で為されている.そこの結果をここの問題に合わせて表わすならば,
ψ(x2,T)=dx1K(x2,T;x1,t0)f(x1,t0)(11)=(mωπ)1/4exp{α2x2212α2a2iωT212α2a2e2iωT+2α2xaeiωT}

これを用いると, 式 (2) は次のように表される:
g|1|f=dx2g(x2)dx1K(2,1)f(x1)=dx2g(x2)ψ(x2,T)=(mωπ)1/2dx2exp{α2(x2b)2}×exp{α2x2212α2a2iωT212α2a2e2iωT+2α2xaeiωT}=(mωπ)1/2exp{12α2a2iωT212α2a2e2iωT}(12)×dx2exp{α2(x2b)2}exp{α2x22+2α2aeiωTx2}

この積分部分を feynman&Hibbs 付録の公式
(13)ea(xx1)2eb(xx2)2dx=πa+bexp[aba+b(x1x2)2]

を利用して実行するならば, やはり式 (9) と同じ結果となることが分かる.

【 c 】 fn(a)gn(b) を式 (8-28) の形であるとして, 式 (8-27) の右辺に代入すると

nfn(a)gn(b)eiEnT/=n(mω2)n/2ann!exp(mωa24)(mω2)n/2bnn!exp(mωb24)exp(iEnT)(14)=exp{mω4(a2+b2)}n(mω2)nanbnn!exp(iEnT)

そこで式 (8-27) の左辺を次のように書いてみる:
(15)exp[iωT2mω4(a2+b22abeiωT)]=exp{mω4(a2+b2)}exp[iωT2+mω2abeiωT]

以上の式 (14) と式 (15) を比較して, 次であれば良いことが分かる:
(16)n(mω2)nanbnn!exp(iEnT)=exp[iωT2+mω2abeiωT]

そこで En=ω(n+12) と仮定して, これを上式の左辺に代入して見ると, ex のテイラー展開公式: ex=n=01n!xn を利用することで式 (16) の右辺に一致することが分かる:
n(mω2)nanbnn!exp(iEnT)=n(mω2)nanbnn!exp{iωT(n+12)}=exp{iωT2}n(mω2)nanbnn!eiωTn=exp{iωT2}n1n!(mω2abeiωT)n=exp{iωT2}×exp(mω2abeiωT)=exp[iωT2+mω2abeiωT]

よって fn が式 (8-28) の形であるならば, EnEn=ω(n+12) で良いことが示された.

【 d 】 ϕn(x) として式 (8-7) を仮定し, 式 (8-25) と式 (8-28) を式 (8-23) に代入してみる. ただし簡単化のために変数を次のように置き換える:

(17)β=mω,

すると, 式 (8-25) と式 (8-28) および式 (8-7) は次に書ける:
(18)f(x)=(βπ)1/2exp{β22(xa)2}(19)fn=βn2nann!exp(β24a2)(20)ϕn(x)=(βπ)1/212nn!Hn(βx)exp(β22x2)

これらを式 (8-23): f(x)=nfnϕn(x) に代入すると,
(βπ)1/2exp{β22(xa)2}=nβn2nann!exp(β24a2)×(βπ)1/212nn!Hn(βx)exp(β22x2),exp{β22x2+β2axβ22a2}=nβnan2nn!exp(β24a2)exp(β22x2)Hn(βx),exp(β22x2)exp(β2ax)exp(β22a2)=exp(β24a2)exp(β22x2)nβnan2nn!Hn(βx),exp(β2axβ24a2)=nHn(βx)1n!(β2a)n,(21)exp{(β2a)2+2(β2a)βx}=nHn(βx)1n!(β2a)n

そこで, 次のような置き換えをする:
(22)t=β2a,y=βx

すると, 上式は次のように書き直すことが出来る:
exp(t2+2tx)=nHn(y)tnn!

これはまさに関数 Hn(x) に対する母関数についての式 (8-9) である.