Кіріспе

Классикалық теорияны кванттық теорияға айналдырудың жүйелі процедурасы. Кванттау – физикалық құбылыстарды классикалық түсініктен кванттық механика деп аталатын жаңа түсінікке жүйелі түрде көшу процедурасы. Бұл классикалық механикадан кванттық механиканы құрудың әдісі. Шеңберсіз бостандық дәрежелерін қамтитын жалпылау – бұл "электромагниттік өрістің кванттануы" сияқты өріс кванттау, онда фотондар өрістің "кванттары" деп аталады (мысалы, жарық кванттары). Бұл процедура атомдық физика, химия, бөлшектер физикасы, ядролық физика, конденсирленген заттар физикасы және кванттық оптика теорияларының негізі болып табылады.

Тарихи шолу

1901 жылы Макс Планк ультракүлгін сәуле шығару мәселесін шешу үшін статистикалық механиканың үлестіру функциясын жасап жатқанда, ол қара дене сәулеленуінің қасиеттерін энергия мөлшерінің саналатын негізгі бірліктерде болуы керек деген ұсыныс арқылы түсіндіруге болатынын түсінді, яғни энергия мөлшері үздіксіз емес, дискретті. Яғни, энергияның ең төменгі бірлігі бар және жиілік үшін келесі қатынас орындалады. Мұндағы – Планк тұрақтысы деп аталады, ол кванттық механикалық эффектінің мөлшерін көрсетеді. Бұл физикалық шамалардың математикалық моделіндегі түбегейлі өзгерісті білдіреді. 1905 жылы Альберт Эйнштейн «Жардың шығарылуы және түрленуі туралы эвристикалық көзқарас» атты мақаласын жариялады, онда квантталған электромагниттік толқындардағы фотоэлектрлік эффект түсіндірілді. Бұл мақалада айтылған энергия кванты кейін «фотон» деп аталды. 1913 жылдың шілдесінде Нильс Бор «Атомдар мен молекулалардың құрамы туралы» мақаласында сутек атомының спектрін сипаттау үшін кванттауды пайдаланды. Бұрынғы теориялар сәтті болды, бірақ олар өте феноменологиялық теориялар еді. Дегенмен, француз математигі Анри Пуанкаре 1912 жылы «Sur la théorie des quanta» атты еңбегінде кванттаудың не екенін жүйелі және қатаң түрде анықтады. «Кванттық физика» термині алғаш рет Джонстонның «Planck's Universe in Light of Modern Physics» (1931) еңбегінде қолданылды.

Каноникалық кванттау

Каноникалық кванттау классикалық механикадан кванттық механиканы дамытады. Каноникалық координаттар арасында коммутациялық қатынас енгізіледі. Техникалық тұрғыдан алғанда, координаттар құру және жою операторларының комбинациялары арқылы операторларға түрлендіріледі. Операторлар теорияның кванттық күйлеріне әрекет етеді. Ең төменгі энергия күйі вакуумдық күй деп аталады.

Кванттық жүйелер

Тіпті каноникалық кванттау аясында да классикалық фазалық кеңістікте кез келген байқалатын шамаларды кванттауда қиындықтар туындайды. Бұл – реттеудің белгісіздігі: классикалық жағдайда x және p координатасы мен импульсы айнымалылары бір-бірімен коммутациялайды, бірақ олардың кванттық-механикалық операторлық баламалары коммутацияламайды. Осы белгісіздікті шешу үшін әртүрлі кванттау схемалары ұсынылған, олардың ең танымалсы – Вейль кванттау схемасы. Дегенмен, Грёневальд-ван Хове теоремасы ешқандай толық кванттау схемасының жоқ екенін көрсетеді. Атап айтқанда, егер x және p кванттаулары әдеттегі координата және импульс операторлары ретінде қарастырылса, онда ешқандай кванттау схемасы классикалық байқалатын шамалар арасындағы Пуассон жақшаларының қатынастарын толыққанды қайта жасай алмайды. Осы нәтижелердің бір түрі үшін Грёневальд теоремасын қараңыз.

Ковариантты каноникалық кванттау

Кеңістік-уақытты жапырақтандырудың ковариант емес тәсіліне жүгінбей, каноникалық кванттауды жүзеге асырудың бір жолы бар, және Гамильтонианды таңдаудың қажеті жоқ. Бұл әдіс классикалық әрекетке негізделген, бірақ функционалдық интеграл тәсілінен өзгеше. Бұл әдіс барлық мүмкін әрекеттерге қолданылмайды (мысалы, себеп-салдарлық байланысы жоқ әрекеттер немесе өлшеуіштік "ағындары" бар әрекеттер). Ол конфигурациялық кеңістіктегі барлық (тегіс) функционалдардың классикалық алгебрасынан басталады. Бұл алгебра Эйлер-Лагранж теңдеулерімен туындаған идеалға қатысы бойынша бөлінеді. Содан кейін, бұл қатыстық алгебра, әрекеттен туындайтын Пуассон жақшасын, яғни Пейерлс жақшасын енгізу арқылы Пуассон алгебрасына айналдырылады. Бұл Пуассон алгебрасы каноникалық кванттанудағыдай ħ-мен деформацияланады. Кванттық өріс теориясында өлшеуіштік "ағындары" бар әрекеттерді кванттаудың да бір жолы бар. Ол BRST формализмін кеңейтетін Баталин-Вилковиски формализмін қамтиды.

Деформацияны кванттау

Табиғи кванттаудың алғашқы әрекеттерінің бірі 1927 жылы Герман Вейль ұсынған Вейль кванттау болды. Мұнда кванттық механикалық байқалатын шама (Хилберт кеңістігіндегі өзіне-өзі қосатын оператор) классикалық фазалық кеңістіктегі нақты мәнді функциямен байланыстыруға тырысады. Бұл фазалық кеңістіктегі координата мен импульс Гейзенберг тобының генераторларына бейнеленеді, ал Хилберт кеңістігі Гейзенберг тобының топтық өкілдігі ретінде көрінеді. 1946 жылы Х. Дж. Гренвольд мұндай байқалатын шамалардың жұптарының көбейтіндісін қарастырды және классикалық фазалық кеңістікте тиісті функцияның қандай болатынын сұрады. Бұл оны функциялар жұбының фазалық кеңістіктегі жұлдызды көбейтіндісін ашуға алып келді. Көбінесе, бұл әдіс деформациялық кванттауға әкеледі, онда ★ көбейтіндісі симплектикалық немесе Пуассон көптүрлілігіндегі функциялар алгебрасының деформациясы ретінде қарастырылады. Дегенмен, табиғи кванттау схемасы (функтор) ретінде Вейль бейнелеуі толыққанды емес. Мысалы, классикалық бұрыштық импульстің квадратының Вейль бейнелеуі тек кванттық бұрыштық импульстің квадраты операторы ғана емес, сонымен қатар тұрақты мүшесін де қамтиды (Бұл қосымша мүшенің ығысуы оқу-әдістемелік маңызға ие, себебі ол сутек атомының негізгі Бохр орбитасының нөлдік емес бұрыштық импульсін түсіндіреді, тіпті атомның стандартты кванттық механикалық негізгі күйінде l мәні нөлге тең болғанның өзінде). Алайда, тек бейнелеуді өзгерту ретінде Вейль бейнелеуі пайдалы және маңызды, өйткені ол дәстүрлі кванттық механиканың баламалы эквивалентті фазалық кеңістік тұжырымына негізделген.

Геометриялық кванттау

Математикалық физикада геометриялық кванттау – берілген классикалық теорияға сәйкес келетін кванттық теорияны анықтауға арналған математикалық тәсіл. Ол кванттауды жүзеге асыруға тырысады, он үшін әдетте нақты рецепт жоқ, сондай-ақ классикалық және кванттық теориялар арасындағы белгілі бір аналогиялар айқын болатындай етіп жасауға ұмтылады. Мысалы, кванттық механикадағы Гейзенберг суретіндегі Гейзенберг теңдеуі мен классикалық физикадағы Гамильтон теңдеуі арасындағы ұқсастық бастапқы қағида ретінде сақталуы керек. Кванттаудың геометриялық тәсілі, онда классикалық фазалық кеңістік жалпы симплектикалық көптүрлі бола алады, 1970 жылдары Бертрам Костант және Жан-Мари Суриаулар жасаған. Бұл әдіс екі кезеңнен тұрады. Біріншіден, фазалық кеңістікте квадраттық интегралданатын функциялардан (немесе, дәлірек айтқанда, түзу шоғырдың қималарынан) тұратын «алдынғы кванттық Гильберт кеңістігі» құрастырылады. Мұнда классикалық Пуассон жақшаларына дәл сәйкес келетін коммутациялық қатынастарды қанағаттандыратын операторларды құруға болады. Екінші жағынан, бұл алдынғы кванттық Гильберт кеңістігі физикалық тұрғыдан тым үлкен. Сондықтан фазалық кеңістіктегі айнымалылардың жартысына тәуелді функцияларға (немесе қималарға) шектеледі, нәтижесінде кванттық Гильберт кеңістігі пайда болады.

Жол интегралын кванттау

Классикалық механикалық теория, рұқсат етілген конфигурациялар әрекеттің функционалдық өзгерістеріне қатысты экстремалды болатын әрекеттермен беріледі. Жүйенің әрекетін пайдалана отырып, жол интегралының формуласы арқылы классикалық жүйенің кванттық механикалық сипаттамасын да құруға болады.