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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:

L=ϵμνρσFμνFρσ
  1. 请回忆第一次作业第三题,证明上述拉氏量可以写为:

    L=8EB

    证明:

    L=ϵμνρσFμνFρσ=ϵμνρσ(μAννAμ)(ρAσσAρ)=4ϵμνρσμAνρAσ=4(ϵijk0AijAkϵijkiA0jAk+ϵijkiAj0AkϵijkiAjkA0)=8(tA(×A)+ϕ(×A))=8EB
  2. 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:

    L=κ2ϵμνρAμνAρAμJμ

    其中 μ,ν,ρ={0,1,2}。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:

    ρ=κBJi=κϵijEj

    其中 i,j={1,2},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

    xμ(μAν)L=AνL(μAν)L=(μAν)(κ2ϵρμνAρμAνAμJμ)=κ2ϵρμνAρxμκ2ϵρμνAρ=κ2ϵρμνμAρAν(κ2ϵνμρAνμAρAνJν)=κ2ϵνμρμAρJνκ2ϵρμνμAρ=κ2ϵνμρμAρJνκϵμρνμAρ=Jν

    所以

    ρ=κϵij0iAj=κ(×A)=κBJi=κ(ϵ0ji0Aj+ϵj0ijA0)=κϵijEj
  3. 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:

    ρ(x,t)=en=12δ(xxn(t))Ai(xn,t)=e2πκmnϵijxnjxmj|xnxm|2

    试计算 Aharonov-Bohm 相位:

    eCAdx

    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。)

    eCAdx=eCe2πκmnϵijxnjxmj|xnxm|2dxi=eS×AdS=eSρκdx1dx2=eSeκn=12δ(xxn(t))dx1dx2=e2κ

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 AμBμ。请利用最小作用量原理写出下面包含 AμBμ 的拉氏量对应的运动方程:

L=nαnμ8πn2ηβν(FαβAFμνA+FαβBFμνB)+nαnμ16πn2ϵμνγδ(FανBFγδAFανAFγδB)AμJμ4πe2BμKμ

其中 FAμν=μAννAμFBμν=μBννBμ。此外 Jμ 与通常的电流,Kμ 为平常的磁流,nμ 为狄拉克弦的方向矢量。

δs=δnαnμ8πn2ηβν(FαβAFμνA+FαβBFμνB)+nαnμ16πn2ϵμνγδ(FανBFγδAFανAFγδB)AμJμ4πe2BμKμdx4=nαnμ8πn2ηβν(FαβAδFμνA+FμνAδFαβA+FαβBδFμνB+FμνBδFαβB)+nαnμ16πn2ϵμνγδ(FανBδFγδA+FγδAδFανBFανAδFγδBFγδBδFανA)JμδAμ4πe2KμδBμdx4

现在对第一项的变分进行分析

δFμνA=δ(μAννAμ)=μδAννδAμnαnμηβν(FαβAδFμνA+FμνAδFαβA)=nαnμηβνFαβAμδAνnαnμηβνFαβAνδAμ+nαnμηβνFμνAαδAβnαnμηβνFμνAβδAα=nαnμηβνFαβAμδAνnαnνηβμFαβAμδAν+nμnαηνβFαβAμδAνnμnαηνβFαβAνδAμ=2(nαnμηβνnαnνηβμ)FαβAμδAν

同理

nαnμηβν(FαβBδFμνB+FμνBδFαβB)=2(nαnμηβνnαnνηβμ)FαβBμδBν

再分析第二项

nαnμϵμνγδ(FανBδFγδA+FγδAδFανBFανAδFγδBFγδBδFανA)=(nαnμϵμνγδnγnμϵμδαν)(FανBδFγδA+FγδAδFανB)=(2nαnμϵμνγδnγnμϵμδαν+nδnμϵμγαν)FανBγδAδ+(nαnμϵμνγδnνnμϵμαγδ2nγnμϵμδαν)FγδAαδBν

对这几项作分部积分并且舍去全微分项,得到

δs=dτ14πn2((nαnμηβνnαnνηβμ)FαβAμδAν+(nαnμηβνnαnνηβμ)FαβBμδBν)+116πn2((2nαnμϵμνγδnγnμϵμδαν+nδnμϵμγαν)FανBγδAδ+(nαnμϵμνγδnνnμϵμαγδ2nγnμϵμδαν)FγδAαδBν)JμδAμ4πe2KμδBμdx4=0dτ14πn2((nαnμηβνnαnνηβμ)δAνμFαβA+(nαnμηβνnαnνηβμ)δBνμFαβB)116πn2((2nαnμϵμνγδnγnμϵμδαν+nδnμϵμγαν)δAδγFανB(nαnμϵμνγδnνnμϵμαγδ2nγnμϵμδαν)δBναFγδA)JμδAμ4πe2KμδBμdx4=0

所以可以整理得到包含 AμBμ 的拉氏量对应的运动方程为

14πn2(nαnμηβνnαnνηβμ)μFαβA116πn2(2nαnμϵμδγνnγnμϵμναδ+nνnμϵμγαδ)γFαδB=Jν14πn2(nαnμηβνnαnνηβμ)μFαβB116πn2(nνnμϵμαγδ+2nγnμϵμδανnαnμϵμνγδ)αFγδA=4πe2Kμ

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 ϵij 来表示其电学性质。取右手系 Oxyz,记电位移矢量 D=(Dx,Dy,Dz),电场强度矢量 E=(Ex,Ey,Ez),介电张量 ϵ 为:

ϵ=(ϵ11ϵ12ϵ13ϵ21ϵ22ϵ23ϵ31ϵ32ϵ33)

则:

D=ϵEi.e.(DxDyDz)=(ϵ11ϵ12ϵ13ϵ21ϵ22ϵ23ϵ31ϵ32ϵ33)(ExEyEz)

已知真空磁导率为 μ0,真空介电常数为 ϵ0

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

wE=12ϵijEiEj

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

2EiEjwE=2EjEiwE

所以 ϵij=ϵji

2.对于普通的晶体,介质是非磁性的、透明的,此时 B=μ0H,其中 B 为磁感应强度,H 为磁场强度。选取合适的坐标系 Oxyz,可使得介电张量对角化,即 ϵ=diag{ϵx,ϵy,ϵz}ϵx,ϵy,ϵz>0),设晶体中某平面单色电磁波波矢 k 与 x 轴和 y 轴的夹角分别为 αβ0α,β90α+β)

(i) 求 |k| 所有可能的值。

k=(kcosα,kcosβ,k1cos2αcos2β)T×E=tBk×E=ωB×B=μ0tDk×B=μ0ωD

所以

k×(k×E)=μ0ω2D(kE)kk2E=μ0ω2DkiEikjk2Ej=μ0ω2ϵijEi(kcosαEx+kcosβEy+k1cos2αcos2βEz)kcosαk2Ex=μ0ω2ϵxEx(kcosαEx+kcosβEy+k1cos2αcos2βEz)kcosβk2Ey=μ0ω2ϵyEy(kcosαEx+kcosβEy+k1cos2αcos2βEz)k1cos2αcos2βk2Ez=μ0ω2ϵzEz(μ0ω2ϵxk2sin2αk2cosβcosαk21cos2αcos2βcosαk2cosαcosβμ0ω2ϵyk2sin2βk21cos2αcos2βcosβk2cosα1cos2αcos2βk2cosβ1cos2αcos2βμ0ω2ϵzk2(cos2α+cos2β))E=0

方程有解要求左边系数矩阵的行列式为 0

(μ0ω2ϵxk2sin2α)(μ0ω2ϵyk2sin2β)(μ0ω2ϵzk2(cos2α+cos2β))+k2cosβcosαk21cos2αcos2βcosβk2cosα1cos2αcos2β+k21cos2αcos2βcosαk2cosαcosβk2cosβ1cos2αcos2βk21cos2αcos2βcosα(μ0ω2ϵyk2sin2β)k2cosα1cos2αcos2β(μ0ω2ϵxk2sin2α)k21cos2αcos2βcosβk2cosβ1cos2αcos2βk2cosβcosαk2cosαcosβ(μ0ω2ϵzk2(cos2α+cos2β))=0

解得

行列式展开后,通过对称性化简,发现k6项抵消,最终得到一个关于k2的二次方程:

μ03ω6ϵxϵyϵzμ02ω4k2[ϵxϵy(cos2α+cos2β)+ϵxϵzsin2β+ϵyϵzsin2α]+μ0ω2k4[ϵxcos2α+ϵycos2β+ϵz(sin2αsin2βcos2αcos2β)]=0

将方程除以μ0ω2并设λ=k2,得到二次方程:

μ02ω4ϵxϵyϵzμ0ω2λ[ϵxϵy(cos2α+cos2β)+ϵxϵzsin2β+ϵyϵzsin2α]+λ2[ϵxcos2α+ϵycos2β+ϵz(1cos2αcos2β)]=0

解得λk2为:

λ=μ0ω2[ϵxϵy(cos2α+cos2β)+ϵxϵzsin2β+ϵyϵzsin2α±D]2(ϵxcos2α+ϵycos2β+ϵz(1cos2αcos2β))

其中判别式Δ为:

Δ=(ϵxϵy(cos2α+cos2β)+ϵxϵzsin2β+ϵyϵzsin2α)24ϵxϵyϵz(ϵxcos2α+ϵycos2β+ϵz(1cos2αcos2β))

最终,|k|的值为:

|k|=μ0ω2[ϵxϵy(cos2α+cos2β)+ϵxϵzsin2β+ϵyϵzsin2α±Δ]2(ϵxcos2α+ϵycos2β+ϵz(1cos2αcos2β))

(ii) 若 |k| 只有一个可能的取值,求此时的 αβ

Δ=0(ϵxϵy(cos2α+cos2β)+ϵxϵzsin2β+ϵyϵzsin2α)2=4ϵxϵyϵz(ϵxcos2α+ϵycos2β+ϵz(1cos2αcos2β))

所以

(ϵxϵy(cos2α+cos2β))2+(ϵxϵzsin2β)2+(ϵyϵzsin2α)2=2ϵxϵyϵz(ϵx(2cos2α(cos2α+cos2β)sin2β)+ϵy(2cos2β(cos2α+cos2β)sin2α)+ϵz(22cos2α2cos2βsin2αsin2β))

解得,当

α=β=0,ϵx=ϵy

α=π2,β=0,ϵy=ϵz

α=0,β=π2,ϵx=ϵz

时波矢只有一个可能的取值

3.对于单轴晶体,设 ϵxϵ0=ϵyϵ0=noϵzϵ0=ne,求 |k|,并据此论述它的双折射的性质。

此时

|k|=n0ωc

|k|=ωcno2ne2no2(cos2α+cos2β)+ne2(1cos2αcos2β)

即单轴晶体中存在两种传播模式,分别对应 o 光和 e

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