Meccanica quantistica relativistica/Equazioni di Maxwell in forma quantistica

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Consideriamo ora invece le equazioni di Maxwell nel vuoto e lavoriamo in unità naturali:

{H=0×H=Et{E=0×E=Ht

Poiché non ha senso scriverle come un'equazione d'onda nello spazio delle x,[1] passiamo nello spazio delle k tramite la trasformata di Fourier:

E(r)=EkeikrdkH(r)=Hkeikrdk

che sostituite nelle equazioni di Maxwell forniscono:

{kHk=0ik×Hk=E˙k{kEk=0ik×Ek=H˙k

Bisogna ora naturalmente garantire che E=E e H=H.[2] Siccome vale:

E(r)=Ekeikrdk=Ekeikrdk

deve quindi risultare:

{Ek=EkHk=Hk

che rappresentano sei condizioni.

Siccome:[3]

ik×Hk=E˙kik×[k×Hk]=k×E˙ki(kHk)kik2Hk=k×E˙k

si deduce senz'altro che:[4]

Hk=ik2k×E˙k

Per svincolarsi ora dalla condizione di realtà si fa la posizione:

{Ek=N(k)(fk+fk)E˙k=ikN(k)(fk+fk)

dove N(k) è una costante di normalizzazione che sarà calcolata fra breve. Questa relazione implica a sua volta:

{Ek=E˙kHk=H˙k

Si consideri ora l'equazione di Maxwell:

ik×Ek=H˙k

sostituendo in questa l'espressione per Hk trovata sopra si trova:

ik×Ek=ik2k×2t2Ekik(1k22t2Ek+Ek)=0(2t2+k2)Ek

ovvero formalmente:

(t+ik)(tik)Ek=0

Essendo ora:

(tik)Ek=H˙kikHk=ikN(k)(fkfk)ikN(k)(fk+fk)=2ikN(k)fk

si può sostituire questo risultato nella precedente ottenendo:

(t+ik)2ikN(k)fk=0

ovvero:

itfk=kfk

Dalle rimanenti equazioni si ricava invece:

kEk=0kfk+kfk=0

k(k×E˙kk2)=0kE˙=0kfk+kfk=0

che implicano:

{kfk=0kfk=0

ovvero:

kfk=0

Combinando ora le due relazioni di sopra si ricava la seguente:

itfk=kfkkk(kfk)itfk=k[fkkk2(kfk)]

che scritta per componenti fornisce:

it(fk)i=W^ij(fk)jW^ijk(δijkikjk2)

Consideriamo ora il prodotto scalare di questa con le ki:

itkfk=kiW^ij(fk)j

ma:

kiW^ij=k(kfkkfk)

e dunque kfk è soluzione di itkfk=0. In altre parole, imposto il valore kfk all'inizio, questo si conserva nel tempo.

Le equazioni di Maxwell si riducono quindi in definitiva a:

{itkfk=kiW^ij(fk)jkfk=0|0Condizione InizialeW^ij=k(δijkikjk2)

che di fatto è un'equazione di tipo Schrodinger con W^ij come operatore.

Note

  1. Il fotone è a massa nulla e viaggia sempre a velocità vc, di conseguenza lo spazio delle x, le posizioni, non ha senso per esso.
  2. Richiesta necessaria per garantire che i campi siano reali.
  3. Si sfrutta qui la relazione del doppio prodotto vettore a×(b×c)=(ac)b(ab)c.
  4. I vettori k, H e E sono perpendicolari fra loro.

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