Доказательство калибровочной инвариантности уравнения Шредингера

Я пытаюсь явно доказать, что уравнение Шредингера:

я т ψ "=" [ 1 2 м ( я д А ) 2 + д В ] ψ

остается прежним при следующем калибровочном преобразовании:

ψ е я д Λ / ψ
А А + Λ
В В т Λ

где т обозначает оператор производной по времени.

Однако у меня проблемы с алгеброй, поэтому я покажу свою процедуру в надежде, что кто-нибудь укажет на ошибку:

Левая часть уравнения

я т ( е я д Λ / ψ ) "=" я час ( е я д Λ / т ψ + я д е я д Λ / ψ т Λ ) "=" я час е я д Λ / т ψ д е я д Λ / ψ т Λ

Правая часть уравнения

[ 1 2 м ( я д ( А + Λ ) ) 2 + д ( В т Λ ) ] "="
1 2 м [ 2 2 д я ( А + 2 Λ + А + Λ ) + д 2 [ А 2 + 2 ( А Λ ) + ( Λ ) 2 ] ] е я д Λ / ψ + д В е я д Λ / ψ д е я д Λ / ψ т Λ

Можно заметить, что последние члены в обеих частях (правой и левой) сокращают друг друга. Затем, используя:

( е я д Λ / ψ ) "=" е я д Λ / ψ + я д час ψ Λ

2 ( е я д Λ / ψ ) "=" е я д Λ / 2 ψ + 2 я д е я д Λ / ( Λ ) ( ψ ) + ψ я д е я д Λ / 2 Λ д 2 2 ψ е я д Λ / ( Λ ) 2

то получаем (применяя операторы и отменяя все е я д Λ / ):

я т ψ "=" 1 2 м [ 2 2 ψ 2 я д час ( Λ ) ( ψ ) я д ψ 2 Λ + д 2 ψ ( Λ ) 2 + я д ( А ) ψ + я д 2 Λ ψ + я д ( А ψ ) д 2 ψ ( А Λ ) + я д ( Λ ) ( ψ ) д 2 ψ ( Λ ) 2 + д 2 А 2 + 2 д 2 ( А Λ ) ψ + д 2 ( Λ ) 2 ψ ] + д В ψ

отменив некоторые термины и переставив:

я т ψ "=" 1 2 м [ 2 2 ψ + я д ( А ) ψ + я д ( А ψ ) + д 2 А 2 2 я д час ( Λ ) ( ψ ) + д 2 ψ ( Λ ) 2 д 2 ψ ( А Λ ) + я д ( Λ ) ( ψ ) + 2 д 2 ( А Λ ) ψ ] + д В ψ

после повторного заказа:

я т ψ "=" 1 2 м [ ( я д А ) 2 ] + д В ψ + 1 2 м [ я д час ( Λ ) ( ψ ) + д 2 ψ ( Λ ) 2 + д 2 ( А Λ ) ψ ]

Можно заметить, что исходное уравнение Шредингера находится там, но с дополнительной частью в правой части эта дополнительная часть выглядит следующим образом:

1 2 м [ я д час ( Λ ) ( ψ ) + д 2 ψ ( Λ ) 2 + д 2 ( А Λ ) ψ ]

Так что мне интересно, эта дополнительная часть как-то равна 0, или я ошибаюсь. Также я не знаю, как сделать алгебру «более приятной» для понимания, если я могу что-то сделать, пожалуйста, прокомментируйте.

Ответы (2)

Действительно, уравнение Шредингера

(0) я т ψ + [ 1 2 м ( я д А ) 2 + д В ] ψ "=" 0
при калибровочных преобразованиях

ψ ψ "=" е я д Λ / ψ
А А "=" А + Λ
В В "=" В т Λ

не остается инвариантным, но левая часть (0) порождает

я т ψ + [ 1 2 м ( я д А ) 2 + д В ] ψ "=" е я д Λ / { я т ψ + [ 1 2 м ( я д А ) 2 + д В ] ψ } .

Таким образом, поскольку е я д Λ / 0 ,

Калибровочно преобразованные величины удовлетворяют уравнению Шредингера, если это делают непреобразованные величины.

Чтобы доказать это, избегайте вычислений грубой силы , как ваши, которые почти наверняка приводят к неизбежным ошибкам, и продолжайте следующим образом. Сначала перепишите исходное уравнение как

(1) [ я т д В ] ψ 1 2 м ( я д А ) 2 ψ "=" 0
Далее заметим, что при преобразованиях мы имеем

[ я т д В ] ψ "=" [ я т д ( В т Λ ) ] е я д Λ / ψ "=" е я д Λ / [ я т д В ] ψ
и
( я д А ) ψ "=" ( я д ( А + Λ ) ) е я д Λ / ψ "=" е я д Λ / ( я д А ) ψ
так что, повторяя второй результат
( я д А ) 2 ψ "=" е я д Λ / ( я д А ) 2 ψ .
Собирая все вместе, под действием калибровочных преобразований (1) принимает вид
[ я т д В ] ψ 1 2 м ( я д А ) 2 ψ "=" е я д Λ / { [ я т д В ] ψ 1 2 м ( я д А ) 2 ψ } "=" 0
как хотел.

Посмотрите это видео великого Бартона Цвибаха с лекций Массачусетского технологического института.

Он делает то же самое, что и вы, в 20-минутном видео. Если ссылка перестанет работать, это лекция L14.1 из курса MIT 8.06 Quantum Physics III, Spring 2018, которую вы всегда найдете на Youtube или в сети лекций MIT . .

Хотя эта ссылка может ответить на вопрос, лучше включить сюда основные части ответа и предоставить ссылку для справки. Ответы, содержащие только ссылки, могут стать недействительными, если связанная страница изменится. - Из обзора
Извините, я хотел написать это как комментарий к другим ответам, что, по сути, и делает видео, но у меня пока недостаточно репутации :(. Я сделаю супербыстрое резюме в ответ, когда смогу.