Литмир - Электронная Библиотека
Содержание  
A
A

§11. Вычисление интегралов по траекториям с помощью рядов Фурье

Рассмотрим интеграл по траекториям для случая гармонического осциллятора (см. задачу 3.8). Этот интеграл имеет вид

𝐾(𝑏,𝑎)

=

𝑏

∫

𝑎

⎧

⎨

⎩

exp

⎡

⎢

⎣

𝑖

ℏ

𝑡𝑏

∫

𝑡𝑎

𝑚

2

(𝑥̇²-ω²𝑥²)

𝑑𝑡

⎤

⎥

⎦

⎫

⎬

⎭

𝒟𝑥(𝑡).

(3.83)

С помощью методов, изложенных в § 5, этот интеграл по траекториям, как и в задаче 3.8, можно свести к произведению двух функций. Наиболее важная из этих функций зависит от классической траектории гармонического осциллятора и содержится в формуле (3.59). Другая функция, зависящая только от временного интеграла, приведена в равенстве (3.60). Эту функцию можно записать как

𝐹(𝑇)

=

0

∫

0

⎧

⎨

⎩

exp

⎡

⎢

⎣

𝑖

ℏ

𝑇

∫

0

𝑚

2

(𝑦̇²-ω²𝑦²)

𝑑𝑡

⎤

⎥

⎦

⎫

⎬

⎭

𝒟𝑦(𝑡).

(3.84)

Мы вычислим этот интеграл, во всяком случае, с точностью до множителя, не зависящего от ω, способом, который иллюстрирует ещё одну возможность в обращении с интегралами по траекториям. Поскольку все траектории выходят из точки 0 в момент времени 𝑡=0 и возвращаются в эту же точку в момент 𝑡=𝑇, функцию 𝑦(𝑡) можно разложить в ряд Фурье по синусам с основной гармоникой, равной 2π/𝑇:

𝑦(𝑡)=

 

∑

𝑛

𝑎

𝑛

sin

𝑛π𝑡

𝑇

.

(3.85)

Тогда вместо того, чтобы в каждый момент времени 𝑡 рассматривать траектории как функции от 𝑦, мы можем считать их функциями коэффициентов 𝑎𝑛. Это есть линейное преобразование, якобиан которого 𝐽 является постоянной величиной, не зависящей, очевидно, от ω, 𝑚 и ℏ.

Конечно, этот якобиан можно вычислить непосредственно. Однако мы избежим здесь этого вычисления, собрав все множители, которые не зависят от ω (в том числе и 𝐽), в одну константу. Точное значение этой постоянной всегда можно найти, поскольку мы знаем её значение 𝐹(𝑇)=√𝑚/2π𝑖ℏ𝑇 для ω=0 (случай свободной частицы).

Интеграл для действия может быть записан через ряды Фурье (3.85). Поэтому член, пропорциональный кинетической энергии, становится равным

𝑇

∫

0

𝑦̇²

𝑑𝑡

=

 

∑

𝑛

 

∑

𝑚

𝑛π

𝑇

𝑚π

𝑇

𝑎

𝑛

𝑎

𝑚

𝑇

∫

0

cos

𝑛π𝑡

𝑇

cos

𝑚π𝑡

𝑇

𝑑𝑡

=

=

𝑇⋅

1

2

 

∑

𝑛

⎧

⎪

⎩

𝑛π

𝑇

⎫²

⎪

⎭

𝑎

²

𝑛

(3.86)

и аналогично член, пропорциональный потенциальной энергии, становится равным

𝑇

∫

0

𝑦²

𝑑𝑡

=

𝑇⋅

1

2

 

∑

𝑛

𝑎

²

𝑛

(3.87)

Если предположить, что время 𝑇 разделено на интервалы длины ε, как это указано в равенствах (2.19), так что имеется лишь конечное число 𝑁 коэффициентов 𝑎𝑛, то интеграл по траекториям приобретает вид

𝐹(𝑇)

=

𝐽

∞

∫

-∞

∞

∫

-∞

…

∞

∫

-∞

⎧

⎪

⎩

exp

⎧

⎨

⎩

𝑁

∑

𝑛=1

𝑖𝑚

2ℏ

⎡

⎢

⎣

⎧

⎪

⎩

𝑛π

𝑇

⎫²

⎪

⎭

-ω²

⎤

⎥

⎦

𝑎

²

𝑛

⎫

⎬

⎭

⎫

⎪

⎭

×

×

𝑑𝑎1

𝐴

𝑑𝑎2

𝐴

…

𝑑𝑎𝑁

𝐴

.

(3.88)

Поскольку экспонента может быть разбита на сомножители, то можно порознь вычислить интеграл по каждому из коэффициентов 𝑎𝑛. В результате такого интегрирования получим

∞

∫

-∞

⎧

⎨

⎩

exp

⎡

⎢

⎣

𝑖𝑚

2ℏ

⎧

⎪

⎩

𝑛²π²

𝑇²

-ω²

⎫

⎪

⎭

𝑎

²

𝑛

⎤

⎥

⎦

⎫

⎬

⎭

𝑑𝑎𝑛

𝐴

=

⎧

⎪

⎩

𝑛²π²

𝑇²

-ω²

⎫-½

⎪

⎭

.

(3.89)

Таким образом, интеграл по траекториям пропорционален произведению

𝑁

∏

𝑛=1

⎧

⎪

⎩

𝑛²π²

𝑇²

-ω²

⎫-½

⎪

⎭

=

𝑁

∏

𝑛=1

⎧

⎪

⎩

𝑛²π²

𝑇²

⎫-½

⎪

⎭

𝑁

∏

𝑛=1

⎧

⎪

⎩

1-

ω²𝑇²

𝑛²π²

⎫-½

⎪

⎭

.

(3.90)

Первое произведение справа не зависит от ω и объединяется с якобианом и другими сомножителями, которые мы собрали в одну постоянную. Второе произведение стремится к пределу [(sin ω𝑇)/ω𝑇]-½, когда 𝑁→∞, т.е. когда ε→0. Поэтому

27
{"b":"569347","o":1}