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第11部:時間依存の摂動論とフェルミの黄金律 —— 量子ジャンプの確率 ​

これまでは、時間が経っても変化しない定常状態のエネルギーのズレを計算してきました。しかし、外部から光が当たったり、急に電場が印加されたりした場合、粒子は別のエネルギー状態へと「遷移(ジャンプ)」します。 この章では、時間に依存する摂動論を用いて、量子ジャンプがいつ、どのような条件で起こるのかを解き明かします。

1. 時間依存のシュレーディンガー方程式の展開 ​

ハミルトニアンが時間に依存する場合、 と書けます。 状態ベクトル を、無摂動の固有状態 (エネルギー )の重ね合わせとして展開します。ここで、時間発展の位相因子 を明示的に分離しておくのがポイントです。

これを時間依存のシュレーディンガー方程式 に代入し、左から別の固有状態のブラ を掛けます。無摂動の部分がうまく打ち消し合い、係数 の変化率に関する厳密な方程式が得られます。

2. 1次摂動と遷移確率 ​

ここで、摂動パラメータ について展開します()。 時刻 で系が完全に状態 にあった(, 他は )と仮定すると、別の状態 へ遷移する確率振幅の1次補正は、積分によってただちに求まります。

この絶対値の2乗 こそが、時刻 において状態 が観測される遷移確率です。

3. 一定の摂動と「フェルミの黄金律」 ​

時刻 でスイッチが入り、その後はずっと一定の摂動 がかかり続ける場合を考えましょう。 積分を実行し、オイラーの公式を使って整理すると、遷移確率は次の形になります。

この右辺に現れた という関数(sinc関数の2乗)は、非常に面白い性質を持っています。 時間 が長くなるにつれて、中心()のピークがどんどん高く・鋭くなり、それ以外の場所はゼロに潰れていきます。数学的には、極限 においてこれはデルタ関数 に比例する関数になります。

これを時間 で割って「単位時間あたりの遷移確率(遷移速度)」を求めると、物理学で最も有名な公式の一つである**フェルミの黄金律(Fermi's Golden Rule)**が導かれます。

この公式のデルタ関数 は、**「エネルギーが厳密に保存する()状態間にしか遷移は起こらない」**という強烈な選択律を示しています。

4. 周期的な摂動と光の吸収・放出 ​

一定の摂動だけでなく、光(電磁波)のように時間的に振動する摂動が加わる場合も非常に重要です。 角振動数 で振動する摂動ハミルトニアンは、全体としてエルミート性を満たすように次のように書けます。

これを1次摂動の式に代入して時間 から まで積分すると、遷移確率の振幅は2つの項の足し合わせになります。

時間 が長くなると、分母がゼロに近づく項、つまり指数関数の肩がゼロになる条件(共鳴条件)を満たす項だけが極端に大きくなります。 例えば (状態 のエネルギーが状態 より だけ高い)の場合、第1項のみが支配的になり、遷移確率は次のように近似されます。

フェルミの黄金律(周期的摂動版) ​

一定の摂動のときと同様に、時間が十分経つとこの関数(sinc関数の2乗)はデルタ関数 に極限的に近づきます。これを時間 で割って単位時間あたりの遷移確率を求めると、周期的摂動におけるフェルミの黄金律が得られます。

このデルタ関数は、**「元の状態のエネルギー に、外部からのエネルギー を足したものが、遷移先のエネルギー に等しい」**という、光子の吸収によるエネルギー保存則を見事に表しています(第2項が支配的な場合は、逆に のエネルギーを放出して低い準位へ落ちる「誘導放出」に対応します)。

5. 遷移の具体例(調和振動子の代数) ​

生成消滅演算子を用いて、この「エネルギー保存」がどう働くかを見てみましょう。

1次元調和振動子に一定の力() ​

摂動が の場合、遷移先の行列要素 は の時しか生き残りません。 しかし、 ということは、エネルギーが だけ変化してしまいます。フェルミの黄金律のデルタ関数 はゼロになるため、長時間で見ると遷移は絶対に起こりません。

2次元調和振動子における共鳴() ​

方向と 方向の2次元振動子に、 という摂動を加えます。 位置演算子を展開すると、 ( の量子数を1減らし、 を1増やす)などの項が現れます。

状態 から への遷移を考えると、エネルギーの変化はどうなるでしょうか? 方向で 、 方向で となるため、系全体のエネルギー差はプラマイゼロ()になります。 このときデルタ関数が生き残り、確実な遷移(エネルギーの交換)が起こります。これが共鳴の正体です。


インタラクティブ・シミュレーター:フェルミの黄金律の誕生 ​

一定の摂動が加わったときの遷移確率の分布関数 を視覚化します。 スライダーで時間 を進めてみましょう。時間が経てば経つほど、ピークが (エネルギー保存を満たす点)に極端に集中し、デルタ関数へと成長していく「黄金律の誕生」を観察してください。

遷移確率分布 P(ΔE) の時間発展

経過時間 (t):10

時間が短いため、エネルギー保存が曖昧です。

P(ΔE) ∝ sinc²(ΔE · t / 2)

Professor Masayuki Ohzeki Lecture Notes