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ポール・ディラックの原論文を読んでみよう(1927年:光と電子の相互作用)

数学と物理学がどんな風に相互作用しつつ葛藤と反目を繰り返してきたのか、前から気になっていました。

それが一番よく現れているのが、量子力学の誕生期の混乱をめぐってです。

今回紹介するのはポール・ディラックによる1927年2月の論文 "The Quantum Theory of the Emission and Absorption ofRadiation"。日本語にすると「放射線の放出と吸収の量子論」。

The new quantum theory, based on the assumption that the dynamical variables do not obey the commutative law of multiplication, has by now been developed sufficiently to form a fairly complete theory of dynamics. One can treat mathematically the problem of any dynamical system composed of a number of particles with instantaneous forces acting between them, provided it is describable by a Hamiltonian function, and one can interpret the mathematics physically by a quite definite general method. On the other hand, hardly anything has been done up to the present on quantum electrodynamics. The questions of the correct treatment of a system in which the forces are propagated with the velocity of light instead of instantaneously, of the production of an electromagnetic field by a moving electron, and of the reaction of this field on the electron have not yet been touched. In addition, there is a serious difficulty in making the theory satisfy all the requirements of the restricted principle of relativity, since a Hamiltonian function can no longer be used. This relativity question is, of course, connected with the previous ones, and it will be impossible to answer any one question completely without at the same time answering them all. However, it appears to be possible to build up a fairly satisfactory theory of the emission of radiation and of the reaction of the radiation field on the emitting system on the basis of a kinematics and dynamics which are not strictly relativistic. This is the main object of the present paper. The theory is noil-relativistic only on account of the time being counted throughout as a c-number, instead of being treated symmetrically with the space co-ordinates. The relativity variation of mass with velocity is taken into account without difficulty.

以下、DeepL による日本語訳です。感じはつかめると思います。

新しい量子論は、力学的変数が乗法の可換則に従わないという仮定に基づいており、現在ではかなり完全な力学理論を形成するまでに発展している。 ハミルトニアン関数で記述可能であれば、粒子間に瞬間的な力が働く多数の粒子から構成される力学系の問題を数学的に扱うことができ、その数学をかなり明確な一般的方法によって物理的に解釈することができる。 一方、量子電気力学については、現在に至るまでほとんど何もなされていない。 力が瞬間的ではなく光速で伝播する系の正しい扱い方、移動する電子による電磁場の生成、そしてこの電磁場が電子に与える反作用の問題は、まだ触れられていない。 さらに、ハミルトン関数が使えなくなったため、この理論を制限相対性原理のすべての要件を満たすようにすることには、深刻な困難が伴う。この相対性理論の疑問は、もちろんこれまでの疑問と関連しており、これらすべてに答えることなく、一つの疑問に完全に答えることは不可能である。 しかし、厳密には相対論的でない運動学と動力学に基づいて、放射線の放出と、放出系に対する放射場の反応について、かなり満足のいく理論を構築することは可能であるように思われる。 これが本論文の主な目的である。 この理論が非相対論的であるのは、時間が空間座標と対称的に扱われるのではなく、全体を通してc数としてカウントされる点だけである。 速度と質量の相対論的変化は問題なく考慮されている。


この1927年2月の時点で、量子力学は相対論(特殊のほう)の傘下に下っていないのです。E=mc^2 ね。この方程式はこの宇宙におけるあらゆる物理法則の上位に立つ、神聖にして犯すべからざるゴッドのごとき存在であらせられます。これにひざまずくよう、量子力学くんを躾けるにはどうしたらいいのだろうと、当時の物理学者たちは激論していました。

ポール・ディラックくんもそのひとりでした。緘黙症だったのでひとと激論することはなくて、独りでこつこつ脳内激論していたようです。光を粒子かつ波動の二面的存在とするアイディアは、すでに当時受け入れられていて、それに基づく研究も進んでいました。

その一方、電子(これは光と違って質量を有する)についても粒子かつ波動であるとする研究が当時急速に進んでいました。

光と電子を、ひとつの方程式で説明できるようになれば、量子力学を特殊相対論のもとに手なずけることが可能となる…そんな風にポールくんは考えたようです。


今回この原論文を読んでみて面白いことに気が付きました。現代の教科書や解説書では「光と電子の関係ガ~」と紹介されているけれど、よく読むと「electron」(電子)は本文中に三か所しか出てこなくて、むしろ「atom」(原子)のほうが15か所も出てくるのです。

The underlying ideas of the theory are very simple. Consider an atom interacting with a field of radiation, which we may suppose for definiteness to be confined in an enclosure so as to have only a discrete set of degrees of freedom. Resolving the radiation into its Fourier components, we can consider the energy and phase of each of the components to be dynamical variables describing the radiation field. Thus if E r is the energy of a component labelled r and 0r is the corresponding phase (defined as the time since the wave was in a standard phase), we can suppose each Er and 0,. to form a pair of canonically conjugate variables. In the absence of any interaction between the field and the atom, the whole system of field plus atom will be describable by the HamiltonianH S A + H 0 (1)equal to the total energy, I I 0 being the Hamiltonian for the atom alone, since the variables Er, 0,. obviously satisfy their canonical equations of motion3H0E,When there is interaction between the field and the atom, it could be taken into account on the classical theory by the addition of an interaction term to the Hamiltonian (1), which would be a function of the variables of the atom and of the variables En 0(. that describe the field. This interaction term would give the effect of the radiation on the atom, and also the reaction of the atom on the radiation field.In order that an analogous method may be used on the quantum theory, it is necessary to assume th at the variables Er, 0r are q-numbers satisfying the standard quantum conditions 0rE,. — E,.0f = ih, etc., where h is (27r)-i times the usual Planck’s constant, like the other dynamical variables of the problem.

以下、日本語訳

理論の根底にある考え方は非常に単純である。 原子が放射線の場と相互作用していると考える。この放射線の場は、離散的な自由度を持つように囲いの中に閉じこめられていると仮定する。輻射をフーリエ成分に分解し、それぞれのエネルギーと位相を輻射場を記述する力学的変数とみなすことができる。したがって、Erがrとラベル付けされた成分のエネルギーで、0rが対応する位相(波が標準位相にあった時からの時間として定義される)である場合、Erと0,...は正準共役変数のペアを形成すると考えることができる。 場と原子の間に相互作用がない場合、場と原子の系全体は、全エネルギーに等しいハミルトニアンH S A + H 0 (1)で記述可能である。 場と原子の間に相互作用がある場合、ハミルトニアン(1)に相互作用項を加えることで、古典的な理論で考慮することができる。この相互作用項は、原子に対する放射線の影響と、放射線の場に対する原子の反応を与える。量子論に類似の方法を用いるためには、変数Er, 0rが標準量子条件0rE,. - E,.0f = ihなどを満たすq数であると仮定する必要がある。


このなかに「位相」(phase)が繰り返し(3回)出てくるところに注目です。波動を語る時、物理学では「位置」と「時間」の関係で数式化するのですが、ポールくんは発想を変えて「エネルギー」と「位相」で考えてみようと切り出しています。

ここ、天才の閃きです。光が波であり粒子でもある「量子」的存在であるならば、ばねの振動のイメージ(「位置」と「時間」)ではなく量子にふさわしい考え方、すなわち「エネルギー」と「位相」で迫るべきであると、そう訴えています。


読み進むと、「位相」(phase)がさらにもう一回出てきます。

For if vr is the frequency of the component r, 2-irvr0r is an angle variable, so th at its canonical conjugate Er/2nvr can only assume a discrete set of values differing by multiples of h, which means th at Er can change only by integral multiples of the quantum (2nh) vr. If we now add an interaction term (taken over from the clasical theory) to the Hamiltonian (1), the problem can be solved according to the rules of quantum mechanics, and we would expect to obtain the correct results for the action of the radiation and the atom on one another. It will be shown that we actually get the correct laws for the emission and absorption of radiation, and the correct values for Einstein’s A’s and B’s. In the author’s previous theory, where the energies and phases of the components of radiation were c-numbers, only the B’s could be obtained, and the reaction of the atom on the radiation could not be taken into account.

It will also be shown th at the Hamiltonian which describes the interaction of the atom and the electromagnetic waves can be made identical with the Hamiltonian for the problem of the interaction of the atom with an assembly of particles moving with the velocity of light and satisfying the Einstein-Bose statistics, by a suitable choice of the interaction energy for the particles. The number of particles having any specified direction of motion and energy, which can be used as a dynamical variable in the Hamiltonian for the particles, is equal to the number of quanta of energy in the corresponding wave in the Hamiltonian for the waves. There is thus a complete harmony between the wave and light-quantum descriptions of the interaction. We shall actually build up the theory from the light-quantum point of view, and show that the Hamiltonian transforms naturally into a form which resembles th at for the waves.

以下、DeepL で日本語訳。

vrが成分rの周波数である場合、2-irvr0rは角度変数であり、その正準共役Er/2nvrはhの倍数だけ異なる離散的な値の集合をとることができるため、Erは量子(2nh)vrの整数倍だけ変化することになる。 ここでハミルトニアン(1)に(古典論から引き継いだ)相互作用項を加えると、この問題は量子力学のルールに従って解くことができ、放射線と原子が互いに作用し合う正しい結果が得られることが期待できる。 実際に、放射線の放出と吸収に関する正しい法則と、アインシュタインのAとBの正しい値が得られることを示す。筆者の以前の理論では、放射線の成分のエネルギーと位相はc数であったため、Bの値しか得られず、放射線に対する原子の反応は考慮できなかった。

また、原子と電磁波の相互作用を記述するハミルトニアンは、粒子の相互作用エネルギーを適切に選択することによって、光速で移動し、アインシュタイン-ボーズ統計を満たす粒子の集合と原子の相互作用の問題のハミルトニアンと同一にすることができることを示す。 粒子のハミルトニアンの力学変数として使用できる、任意の運動方向とエネルギーを持つ粒子の数は、波のハミルトニアンの対応する波のエネルギーの量子の数に等しい。 このように、相互作用の波動記述と光量子記述の間には完全な調和がある。 我々は実際に光量子の観点から理論を構築し、ハミルトニアンが波のハミルトニアンに似た形に自然に変形することを示す。


ここにも「位相」(phase)が登場。

I t should be observed th at there is a difference between a light-wave and the de Broglie or Schrodinger wave associated with the light-quanta. Firstly, the light-wave is always real, while the de Broglie wave associated with a light- quantum moving in a definite direction must be taken to involve an imaginary exponential. A more important difference is that their intensities are to be interpreted in different ways. The number of light-quanta per unit volume associated with a monochromatic light-wave equals the energy per unit volume of the wave divided by the energy (2tth)vof a single light-quantum. On the other hand a monochromatic de Broglie wave of amplitude a (multiplied into the imaginary exponential factor) must be interpreted as representing 2 light- quanta per unit volume for all frequencies. This is a special case of the general rule for interpreting the matrix analysis,* according to which, if (£'/a') or <]v Cik) is the eigenfunction in the variables of the state a' of an atomic system (or simple particle), | <jv ( | fc')|2 is the probability of each having the value [or | 4 'ad^k)12 dZf••• is the probability of each lying betweenthe values Ef and Ek -j~ dEDk, when the have continuous ranges of characteristic values] on the assumption that all phases of the system are equally probable. The wave whose intensity is to be interpreted in the first of these two ways appears in the theory only when one is dealing with an assembly of the associated particles satisfying the Einstein-Bose statistics. There is thus no such wave associated with electrons.

DeepLで日本語訳

光波と、光量子に関連するド・ブロイ波またはシュレディンガー波には違いがあることに注意すべきである。 まず、光波は常に実数であり、一方、明確な方向に動く光量子に関連するド・ブロイ波は、虚数の指数を含むと考えなければならない。 さらに重要な違いは、両者の強度が異なる方法で解釈されることである。 単色光波の単位体積あたりの光量子の数は、波の単位体積あたりのエネルギーを1個の光量子のエネルギー(2t分の1)vで割ったものに等しい。 一方、振幅a(虚数指数倍)の単色ド・ブロイ波は、すべての周波数に対して、単位体積あたり2光量子を表すと解釈しなければならない。 これは、行列解析*の一般的な解釈ルールの特殊なケースであり、それによれば、(£'/a')または<]v Cik)が原子系(または単純粒子)の状態a'の変数における固有関数である、 <jv ( | fc')|2は、系のすべての位相が等確率であるという仮定において、それぞれが値を持つ確率[または、|4 'ad^k)12 dZf---は、それぞれが値EfとEk -j~ dEDkの間にある確率である、が特性値の連続的な範囲を持つとき],系のすべての位相が等確率であると仮定する。これら2つのうち最初の方法で解釈される強度を持つ波は、アインシュタイン・ボーズ統計量を満たす関連粒子の集合体を扱う場合にのみ理論に現れる。 したがって、電子にはそのような波は存在しない。


記号の乱れ撃ちに振りまわされてうまく訳し切れていない箇所は大目にみるとして…

論文の終わり近くになって「perturbation」(摂動)が出てきます。このことばが出てくるのは一回切りですが、ものすごく重要。

We shall now consider the interaction of an atom and radiation from the wave point of view. We resolve the radiation into its Fourier components, and suppose that their number is very large but finite. Let each component be labelled by a suffix r, and suppose there are ar components associated with the Tadiation of a definite type of polarisation per unit solid angle per unit frequency range about the component r. Each component can be described by a vector potential tcT chosen so as to make the scalar potential zero. The perturbation term to be added to the Hamiltonian will now be, according to the classical theory with neglect of relativity mechanics, c-1 S r kt X f, where Xr is the component of the total polarisation of the atom in the direction of y , which is the direction of the electric vector of the component r.

ここで、原子と放射線の相互作用を波の観点から考えてみよう。 放射線をフーリエ成分に分解し、その数は非常に大きいが有限であるとする。 各成分にrという接尾辞をつけ、rの成分について、単位立体角あたり、単位周波数範囲あたり、ある偏光タイプの放射に関連するarの成分があるとする。 ハミルトニアンに追加される摂動項は、相対性力学を無視した古典理論によると、c-1 S r kt X fとなり、ここでXrは、成分rの電気ベクトルの方向であるyの方向における原子の全分極の成分である。


天体力学のほうで発展したのですよ摂動論って。太陽があって、地球がここで火星がここのとき、木星の位置はどうなるかなーと計算する時、方程式でささっと正解は出せないので、近似的に正解に迫っていく計算法です。それを量子力学という超ミクロな世界に持ち込んできましたポールくん。すげーすげー。


論文の締めくくりはこんな風。「phase」が出てくるのもここがラスト。

The interaction of an atom with electromagnetic waves is then considered, and it is shown that if one takes the energies and phases of the waves to be q-numbers satisfying the proper quantum conditions instead of c-numbers, the Hamiltonian function takes the same form as in the light-quantum treatment. The theory leads to the correct expressions for Einstein’s A’s and B’s.

以下は日本語訳。

次に、原子と電磁波の相互作用について考え、電磁波のエネルギーと位相をc数ではなく、適切な量子条件を満たすq数とすると、ハミルトニアン関数は光量子の場合と同じ形になることを示す。 この理論は、アインシュタインのA'sとB'sの正しい式を導く。


c数とかq数とかあるのは、それぞれ classic number と quontam number のことです。これはポールくん独自の代数記号で、ボーアが提唱した「対応原理」にあたるもの(本当はそうではないのだけど)と思えば感じはつかめます。この代数は彼がひとりで作っていたもので、ドイツのゲッチンゲン大の数学をスタンダードとしていた当時の物理学者たちには「なんやねんこのえげれそ人のいう変な数は?」と思われていたと思われます。日本でも京都帝大在籍中のユカワ&トモナガの若き二人が「むつかしゅうてようわからんわ」とポールくんの最新論文を必死に読み込んでは嘆き合ったといいます。

当時この論文をすぐ理解できたひとは、ほとんどいなかったのではないでしょうか。ディラックと当時同僚だったオッペンハイマーくんは、読んですぐにその真価に気づいたそうですが。


そうそうこの論文、締めくくりにこんな謝辞があります。

I would like to express my thanks to Prof. Niels Bohr for his interest in this work and for much friendly discussion about it.

「ニールス・ボーア教授には、この研究に関心を寄せてくださり、多くの友好的な議論を交わしてくださったことに感謝の意を表したい」

さりげなく書かれていますが、当時ディラックはコペンハーゲンのボーア研究所にいて、ボーア所長にこの論文のアイディアを話し、有意義な議論を行った…ということはこの少し後にボーアの若き高弟・ハイゼンベルクが不確定性原理の論文を書き上げて所長のところにもって行って、いろいろ欠陥を指摘されて orz となったのは、ボーア所長がすでにディラックの「光と電子の相互作用」すなわち今でいう「量子場」に至るアイディアを知っていて、それでハイゼンくんのアイディアの弱点にすぐに気づいたからと思われます。


今回ご紹介した論文については、後の機会にまた取り上げて論じてみますね。

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