§ 5. «Прецессия» частицы со спином 1/2
Заметьте, что мы не предполагали, что потенциальная энергия у нас какая-то особая, это просто энергия, производная от которой дает силу. Например, в опыте Штерна—Герлаха энергия имела вид U=-?·B; отсюда при наличии у В пространственной вариации и получалась сила. Если бы нам нужно было квантовомеханическое описание опыта, мы должны были бы сказать, что у частиц в одном пучке энергия меняется в одну сторону, а в другом пучке — в обратную сторону. (Магнитную энергию U можно было бы вставить либо в потенциальную энергию V, либо во «внутреннюю» энергию W; куда именно, совершенно неважно.) Из-за вариаций энергии волны преломляются, пучки искривляются вверх или вниз. (Мы теперь знаем, что квантовая механика предсказывает то же самое искривление, которое следует и из расчета по классической механике.)
Из зависимости амплитуды от потенциальной энергии также следует, что у частицы, сидящей в однородном магнитном поле, направленном по оси z, амплитуда вероятности обязана меняться во времени по закону
(Можно считать это просто определением ?z.) Иначе говоря, если поместить частицу в однородное поле В на время ?, то ее амплитуда вероятности умножится на
сверх того, что было бы без поля. Поскольку у частицы со спином 1/2 величина ?z может быть равна плюс или минус какому-то числу, скажем ?, то у двух мыслимых состояний в однородном поле фазы будут меняться с одинаковой скоростью в противоположные стороны. Амплитуды помножатся на
Этот результат приводит к интересным следствиям. Пусть частица со спином 1/2 находится в каком-то состоянии, которое не есть ни чистое состояние со спином вверх, ни чистое состояние со спином вниз. Его можно описать через амплитуды пребывания в этих двух состояниях. Но в магнитном поле у этих двух состояний фазы начнут меняться с разной скоростью. И если мы поставим какой-нибудь вопрос насчет амплитуд, то ответ будет зависеть от того, сколько времени частица провела в этом поле.
В виде примера рассмотрим распад мюона в магнитном поле. Когда мюоны возникают в результате распада ?-мезонов, они оказываются поляризованными (иными словами, у них есть предпочтительное направление спина). Мюоны в свою очередь распадаются (в среднем через 2,2 мксек), испуская электрон и пару нейтрино:
При этом распаде оказывается, что (по крайней мере при высоких энергиях) электроны испускаются преимущественно в направлении, противоположном направлению спина мюона.
Допустим затем, что имеется экспериментальное устройство (фиг. 5.9): поляризованные мюоны входят слева и в блоке вещества А останавливаются, а чуть позже распадаются.
Фиг.. 5.9. Опыт с распадом мюона.
Испускаемые электроны выходят, вообще говоря, во всех мыслимых направлениях. Представим, однако, что все мюоны будут входить в тормозящий блок А так, что их спины будут повернуты в направлении х. Без магнитного поля там наблюдалось бы какое-то угловое распределение направлений распада; мы же хотим знать, как изменилось бы это распределение при наличии магнитного поля. Можно ожидать, что оно как-то будет меняться со временем. То, что получится, можно узнать, спросив, какой будет в каждый момент амплитуда того, что мюон обнаружится в состоянии (+x).
Эту задачу можно сформулировать следующим образом: пусть известно, что в момент t=0 спин мюона направлен по +х; какова амплитуда того, что в момент m он окажется в том же состоянии? И хотя мы не знаем правил поведения частицы со спином 1/2 в магнитном поле, перпендикулярном к спину, но зато мы знаем, что бывает с состояниями, когда спины направлены вверх или вниз по полю, — тогда их амплитуды умножаются на выражение (5.34). Наша процедура тогда будет состоять в том, чтобы выбрать представление, в котором базисные состояния — это направления спином вверх или спином вниз относительно z (относительно направления поля). И любой вопрос тогда сможет быть выражен через амплитуды этих состояний.
Пусть |?(t)> представляет состояние мюона. Когда он входит в блок А, его состояние есть |?(0)>, а мы хотим знать |?(?)> в более позднее время ?. Если два базисных состояния обозначить (+z) и (-z), то нам известны амплитуды <+z|?(0)> и <-z|?(0)> — они известны потому, что мы знаем, что |?(0)> представляет собой состояние со спином в направлении (+x). Из предыдущей главы следует, что эти амплитуды равны[18]
и
Они оказываются одинаковыми. Раз они относятся к положению при t=0, обозначим их С+(0) и С-(0).
Далее, мы знаем, что из этих двух амплитуд получится со временем. Из (5.34) следует
и
Но если нам известны C+(t) и C-(t), то у нас есть все, чтобы знать условия в момент t. Надо преодолеть только еще одно затруднение: нужна-то нам вероятность того, что спин (в момент t) окажется направленным по +х. Но наши общие правила учитывают и эту задачу. Мы пишем, что амплитуда пребывания в состоянии (+x) в момент t [обозначим ее A+(t)] есть
или
Опять пользуясь результатом последней главы (или лучше равенством <?|?>=<?|?>* из гл. 3), мы пишем
Итак, в (5.37) все известно. Мы получаем
или
Поразительно простой результат! Заметьте: ответ согласуется с тем, что ожидалось при t=0. Мы получаем А+(0)=1, и это вполне правильно, потому что сперва и было предположено, что при t=0 мюон был в состоянии (+x).
Вероятность Р+ того, что мюон окажется в состоянии (+х) в момент t, есть (А+)2, т. е.
Вероятность колеблется от нуля до единицы, как показано на фиг. 5.10.
Фиг. 5.10. Временная зависимость вepoятности того что частица со спином 1/2 окажется в состоянии (+) по отношению оси х.
Заметьте, что вероятность возвращается к единице при ?Bt/?=? (а не при 2?). Из-за того что косинус возведен в квадрат, вероятность повторяется с частотой 2?В/?.
Итак, мы обнаружили, что шанс поймать в электронном счетчике, показанном на фиг. 5.9, распадный электрон периодически меняется с величиной интервала времени, в течение которого мюон сидел в магнитном поле. Частота зависит от магнитного момента ?. Именно таким образом и был на самом деле измерен магнитный момент мюона.
Тем же методом, конечно, можно воспользоваться, чтобы ответить на другие вопросы, касающиеся распада мюона. Например, как зависит от времени t шанс заметить распадный электрон в направлении у, под 90° к направлению х, но по-прежнему под прямым углом к полю? Если вы решите эту задачу, то увидите, что вероятность оказаться в состоянии (+у) меняется как cos2{(?Bt/?)-(?/4)}; она колеблется с тем же периодом, но достигает максимума на четверть цикла позже, когда ?Вt/?=?/4. На самом-то деле происходит вот что: с течением времени мюон проходит через последовательность состояний, отвечающих полной поляризации в направлении, которое непрерывно вращается вокруг оси z. Это можно описать, говоря, что спин прецессирует с частотой
Вам должно становиться понятно, в какую форму выливается квантовомеханическое описание, когда мы описываем поведение чего-либо во времени.