费曼物理学(2) 第5次作业
Chasse_neige
1 势与场 (15-7)
Chern-Simons 理论是一类特殊的相互作用项,在量子反常,分数量子霍尔效应,任意子以及 Dyon(既带电荷又带磁荷的粒子)中有重要的应用。其特殊之处体现在其运动方程没有动力学项,即其运动方程就是一个恒等式,在下面的计算中我们可以看到这一点。4 维时空的 Chern-Simons 理论的拉氏量可以写为:
请回忆第一次作业第三题,证明上述拉氏量可以写为:
证明:
在低维情况下,Chern-Simons 理论有独特的性质,在 3 维时空当中,带有外源的 Chern-Simons 理论可以写为:
其中
。请利用 Euler-Lagrange 方程证明 3 维时空 Chern-Simons 理论对应的运动方程为: 其中
,第一个方程可以理解为每一个电荷都带着一个垂直纸面向外的磁场,第二个方程就是第一个方程的演化方程。 利用 Euler-Lagrange 方程
所以
考虑二维平面上存在两个电荷的情况,此时电荷密度与矢量势可以写为:
试计算 Aharonov-Bohm 相位:
注:一个粒子绕着另外一个粒子可被视为将两粒子交换两次。AB 相位的结果告诉我们两粒子交换两次多出一个相位。因此,如果相位不等于 1,则两粒子为任意子。(费米子和玻色子都要求交换两次的相位等于 1。)
2 最小作用量原理与磁单极 (19-1)
一般而言,考虑到磁单极子之后,麦克斯韦方程不能从一个作用量出发,利用最小作用量原理推导。特别地,如果存在磁单极子之后,为了满足环路定理,时空中会存在狄拉克弦,这也暗示着我们不能从一个简单的作用量出发,推导存在磁单极时候的麦克斯韦方程组。一个可行的方案是引入两个势能函数
其中
现在对第一项的变分进行分析
同理
再分析第二项
对这几项作分部积分并且舍去全微分项,得到
所以可以整理得到包含
3 各向异性介质 (蒋济帆)
对于一般的晶体,由于各向异性,应该用介电张量
则:
已知真空磁导率为
1.证明:介电张量为对称张量。 Hint:利用电磁场的能量。
证明:由于电场能量密度可以写成
由于能量密度关于电场强度是连续的,所以其偏导数满足可交换性
所以
2.对于普通的晶体,介质是非磁性的、透明的,此时
(i) 求
所以
方程有解要求左边系数矩阵的行列式为
解得
行列式展开后,通过对称性化简,发现
将方程除以
解得
其中判别式
最终,
(ii) 若
所以
解得,当
或
或
时波矢只有一个可能的取值
3.对于单轴晶体,设
此时
或
即单轴晶体中存在两种传播模式,分别对应
