§ 3. Повороты вокруг оси z

Теперь мы уже подготовлены к тому, чтобы отыскать матри­цу преобразования R_ji, связывающую два разных представления, Владея нашим правилом объединения поворотов и нашим предположением, что в пространстве нет предпочтительного направ­ления, мы владеем ключом для отыскания матрицы любого произвольного поворота. Решение здесь только одно. Начнем с преобразования, которое отвечает повороту вокруг оси z. Пусть имеются два прибора S и Т, поставленных друг за дру­гом вдоль одной прямой; оси их параллельны и смотрят из страницы на вас (фиг. 4.4, а).

Фиг. 4.4. Поворот на 90° вокруг оси z.

Это их направление мы примем за ось z. Ясно, что если пучок в приборе S идет вверх (к +z), то то же будет и в аппарате Т. Точно так же, если он в S идет вниз, то и в Т он направится вниз. Положим, однако, что прибор Т был повернут на какой-то угол, но его ось, как и прежде, параллельна оси прибора S, как на фиг. 4.4, б. Интуитивно хочется сказать, что пучок (+) в S будет по-прежнему пере­ходить в пучок (+) в Т, потому что и поля, и их градиенты характеризуются тем же физическим направлением. И это вполне правильно. Точно так же и пучок (-) в S будет перехо­дить в пучок (-) в Т. Тот же результат применим для любой ориентации Т в плоскости ху прибора S. Что же отсюда сле­дует для связи между С'₊=<+T|>, С'_-=<-T|> и С₊=<+S|>, С_-=<-S |>? Можно подумать, что любой поворот вокруг оси z «системы отсчета» базисных со­стояний оставляет амплитуды С± пребывания «вверху» и «вни­зу» теми же, что и раньше, и написать С'₊=С₊ и С'_-=С_-. Но это неверно. Все, что можно отсюда заключить,— это, что при таких поворотах вероятности оказаться в «верхнем» пучке при­боров S и Т одинаковы, т. е.

Но мы не вправе утверждать, что фазы амплитуд, относящихся к прибору Т, не могут в двух различных ориентациях а и б (фиг. 4.4) различаться.

Пары приборов, показанных на фиг. 4.4, на самом деле от­личаются друг от друга, в чем можно убедиться следующим образом. Предположим, что мы перед прибором S поставили другой, создающий чистое (+x)-состояние. (Ось х направлена на рисунке вниз.) Эти частицы расщеплялись бы в S на пучки (+z) и (-z), но на выходе S (в точке Р₁) оба пучка снова сое­динялись бы и восстанавливали состояние (+ х). Затем то же самое происходило бы в Т. Если бы за Т поставить третий при­бор U, ось которого направлена по (+ х). как показано на фиг. 4.5, а, то все частицы пошли бы в пучок (+) прибора U.

Фиг. 4.5. Частица в состоянии (+х) ведет себя в опытах а и б по-разному.

Теперь представим, что произойдет, если Т и U вместе повер­нуть на 90°, как показано на фиг. 4.5, б. Прибор Т опять будет пропускать все, что в него поступает, так что частицы, входя­щие в U, будут в (+x)-состоянии по отношению к S. Но U теперь анализирует состояние (+y) (по отношению к S), а это совсем не то, что раньше. (Из симметрии следует ожидать, что через него пройдет только половина частиц.)

Что же могло перемениться? Приборы Т и U по отношению друг к другу расположены одинаково. Могла ли измениться фи­зика просто из-за того, что Т и U иначе ориентированы? Нет, гласит наше первоначальное предположение. Значит, разли­чаться в двух случаях, показанных на фиг. 4.5, должны ампли­туды по отношению к Т. То же должно быть, следовательно, и на фиг. 4.4. Частица должна как-то уметь узнавать, что в Р₁ она завернула за угол. Как же она может об этом поведать? Что ж, остается только одно: величины С'₊ и С'₊ в обоих случаях одинаковы, но могут — а на самом деле должны — обладать разными фазами. Мы приходим к заключению, что С'₊ и С₊ дол­жны быть связаны формулой

а С'_- и С —формулой

где , и  — вещественные числа, которые как-то должны быть связаны с углом между S и Т.

В данный момент единственное, что мы можем сказать про  и ,— это то, что они не могут быть равны друг другу (кроме показанного на фиг. 4.5, а особого случая, когда Т и S ориен­тированы одинаково). Мы видели, что изменение всех амплитуд на одну и ту же фазу ни к каким физическим следствиям не при­водит. По той же причине всегда можно добавить к  и  любое постоянное число — это тоже ничего не изменит. Значит, нам представляется возможность выбрать  и  равными плюс и минус одному и тому же числу. Всегда можно взять

Тогда

Итак, мы договоримся считать =- и придем к общему правилу, что поворот прибора, относительно которого ведется отсчет, вокруг оси z на какой-то угол приводит к преобразова­нию

Абсолютные значения одинаковы, а фазы различны. Эти-то фазовые множители и отвечают за различные результаты двух опытов, показанных на фиг. 4.5.

Теперь надо узнать закон, связывающий X с углом между S и Т. Для одного случая ответ известен. Если угол — нуль, то и  — нуль. Теперь предположим, что фазовый сдвиг , есть непрерывная функция угла  между S и Т (см. фиг. 4.4) при , стремящемся к нулю. По-видимому, это единственное разум­ное допущение. Иными словами, если свернуть Т с прямой линии S на малый угол , то и  тоже будет малым числом, ска­жем m, где m — некоторый коэффициент. Мы пишем те, по­тому что можем доказать, что  обязано быть пропорционально . Если бы мы поставили за T новый прибор Т, тоже образую­щий с Т угол , а с S тем самым образующий угол 2, то по отно­шению к Т мы бы имели

а по отношению к T'

Но мы знаем, что, должны были бы получить тот же результат если бы сразу за S поставили Т'! Значит, когда угол удваивает­ся, то удваивается и фаза. Эти аргументы мы можем, естествен­но, обобщить и построить любой поворот из последовательных бесконечно малых поворотов. Мы заключаем, что К пропор­ционально  для любого угла . Поэтому всегда можно писать =m.

Общий полученный нами результат состоит, следовательно, в том, что для Т, повернутого вокруг оси z относительно S на угол ,

Для угла  и для всех поворотов, которые встретятся нам в будущем, мы условимся считать, что положительным поворо­том будет поворот правого винта, который ввинчивается в по­ложительном направлении z.

Теперь остается узнать, каким должно быть m. Попробуем сперва следующее рассуждение: пусть Т повернулся на 360°; ясно, что тогда он опять очутится под нулем градусов, и мы должны будем иметь С'₊=С₊ и С'_-= С_-, или, что то же самое, e^im2=1. Мы получаем m=1. Это рассуждение не годится!

Чтобы убедиться в этом, допустим, что Т повернут на 180°. Если бы т было равно единице, мы получили бы

Но это просто опять получилось первоначальное состояние. Обе амплитуды по­просту умножены на -1; это возвращает нас к исходной физиче­ской системе. (Опять случай всеобщей перемены фаз.) Это озна­чает, что если угол между Т и S на фиг. 4.5, б увеличивается на 180°, то система (по отношению к Т) оказывается неотличимой от случая 0° и частицы должны опять проходить через состояние (+) прибора U. Но при 180° состояние (+) прибора U — это состояние (-х) начального прибора S. Так что состояние (+x) станет состоянием (-х). Но мы-то ведь ничего не делали для изменения начального состояния; ответ поэтому ошибочен. Не может быть, чтобы т=1.

Нет, все должно быть иначе: надо, чтобы только поворот на 360° (и ни на какие меньшие углы) воспроизводил то же самое физическое состояние. Это случится при m =¹/₂. Тогда и только тогда первым углом, воспроизводящим то же самое физическое состояние, будет угол =360°. При этом будет

Очень курьезно вдруг обнаружить, что поворот прибора на 360° приводит к новым амплитудам. Но на самом деле они не новы, потому что одновременная перемена знака ни к какой новой физике не приводит. Если кто-нибудь задумает переме­нить все знаки у всех амплитуд, подумав, что он повернулся на 360°, то это его дело — физику он получит ту же, прежнюю. Итак, наш окончательный ответ таков: если мы знаем амплиту­ды С₊ и С_- для частиц со спином ¹/₂ по отношению к системе отсчета S и если затем мы используем базисную систему, свя­занную с Т (Т получается из S поворотом на  относительно оси z), то новые амплитуды выражаются через старые так: