Magnetische MonopoleSeminarvortrag, TH-Darmstadt 20.05.1995
Markus EisenbachHendrik van Hees
11. Mai 2008
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Klassische Elektrodynamik 2
3 Monopole in der klassischen Elektrodynamik 13
4 Der kanonische Formalismus fĂŒr Teilchen und Pole 21
5 Die Quantisierung 25
6 Eichtheoretischer Zugang zur Quantisierung der Ladung 28
1 Einleitung
Die folgende Ausarbeitung zum Seminarvortrag âMagnetische Monopoleâ beschĂ€ftigt sich mitder Frage, welche Konsequenzen die Annahme der Existenz magnetischer Monopole auf diePhysik haben.Dazu wird in Abschnitt 1 die Elektrodynamik im Viererformalismus kovariant dargestellt.Dabei wurde die physikalische Interpretation der Felder, d.h. derenWirkung auf Punktteilchen,aus allgemeinen Symmetrieprinzipien (Noethertheorem) gewonnen. Dieses Konzept war imVortrag aus ZeitgrĂŒnden leider nicht durchfĂŒhrbar, ist aber fĂŒr die vollstĂ€ndige BegrĂŒndungder kanonischen Quantisierung wesentlich.Abschnitt 2 behandelt die Konsequenzen, die sich aus dem Postulat der magnetischen Mono-pole fĂŒr die klassische Elektrodynamik ergeben. Dazu wird die Diracsche Stringformulierung(1931 bzw. 1948 publiziert) benutzt, weil sie die mathematisch direkteste Formulierung derMonopole darstellt. Auch hierbei wird der Lagrangeformalismus benutzt.Abschnitt 3 dient der Vorbereitung der kanonischen Quantisierung der Teilchen und Poleund behandelt den Hamiltonformalismus einer relativistischen Theorie wobei aber der Ten-
1
sorkalkĂŒl zugunsten einfacher Formulierbarkeit aufgegeben wurde, zumal der vierdimensionaleHamiltonformalismus seine Grenzen hat (s. z.B. [Sch89]).Abschnitt 4 deutet die Problematik einer relativistischen Quantentheorie an und fĂŒhrt dieQuantisierung der in Abschnitt 3 formulierten Hamiltontheorie aus. Als wesentliches Ergeb-nis des Postulats der Existenz magnetischer Monopole wird die Quantelung der elektrischenLadung hergeleitet.Abschnitt 5 behandelt das Problem der Quantelung der Ladung vom eichtheoretischen Ge-sichtspunkt her. Dieses Konzept von Yang und Wu fĂŒhrt wesentlich einfacher zur Quantelungder Ladung und beseitigt Probleme, die mit den Strings als nichtobservablen SingularitĂ€tenin den Potentialen zu tun haben (Dirac-Veto).Abschnitt 6 gibt einige Beispiele fĂŒr die Experimente, die (bisher erfolglos) zum Nachweismagnetischer Monopole durchgefĂŒhrt wurden.
2 Klassische Elektrodynamik
Die moderne Physik hat gezeigt, daĂ ein rein phĂ€nomenologischer Standpunkt in der klassi-schen Elektrodynamik als nicht mehr ausreichend als Zugang zu einer Theorie der Punktteil-chen anerkannt werden kann. Vielmehr muĂ von allgemeingĂŒltigen SymmetrieĂŒberlegungenausgegangen werden, d.h. fĂŒr die klassische Elektrodynamik, daĂ sie in jedem Inertialsystemim Sinne der speziell relativistischen Physik forminvariant formuliert sein muĂ. Mathematischsteht dazu das Mittel der Tensorrechnung ĂŒber dem Minkowskiraum, also dem R4 mit einerMetrik der Signatur (1,3), zur VerfĂŒgung.In der Dreierformulierung des 19. Jahrhunderts können die elektromagnetischen FeldgröĂendurch die vier Maxwellgleichungen definiert werden, wobei wir uns auf den Fall des Vakuumsspezialsieren. Sie lauten im nichtrationalisierten cgs-System (GauĂsches MaĂsystem):
rot ~E +â ~B
cât= 0, rot ~B â â ~E
cât=
4Ï
c~j,
div ~B = 0, div ~E = 4ÏÏ.
(1)
Dabei bezeichnen ~E und ~B elektrisches bzw. magnetisches Feld und Ï und ~j die Ladungs-bzw. Stromdichte. Es fĂ€llt bei dieser Schreibweise der Maxwellgleichungen sofort die Rolleauf, die in dieser Theorie der Materie zugewiesen wird: Sie taucht als InhomogenitĂ€ten inden Feldgleichungen in Form von Ladungs- und Stromdichte auf. Das Feldsystem kann alsonur dann als abgeschlossenes System gelten, wenn es sich um den ladungs- und stromfreienRaum, das sog. freie Feld, handelt. Eine nĂ€here BegrĂŒndung dieses Sachverhalts wird sichweiter unten ergeben.Um nun zu einer kovarianten Formulierung zu gelangen, fĂŒhren wir die elektrodynamischen Po-tentiale ein. Die dritte Maxwellgleichung, die die Quellenfreiheit des Magnetfeldes beschreibt,besagt, daĂ
~B = rot ~A (2)
sein muĂ. ~A ist aber nicht eindeutig, sondern nur bis auf den Gradienten eines Skalarfeldes be-stimmt. Man kann also ĂŒber ~A noch nĂ€her verfĂŒgen. Setzen wir (2) in die 1. Maxwellgleichung
2
ein, so folgt
rot
(~E +
â ~A
cât
)= 0. (3)
Die Rotationsfreiheit eines Feldes besagt, daĂ dieses ein skalares Potential besitzt:
~E +â ~A
cât= â~âÏ (4)
Setzen wir nun (2) und (4) in die zweite Maxwellgleichung ein, folgt unter Ausnutzung derFormel
rot rot ~A = ~âdiv ~Aââ ~A (5)
die Bestimmungsgleichung
~â(
div ~A+âÏ
cât
)= â ~Aâ â2 ~A
c2ât2+
4Ï
c~j. (6)
Nun ist A aber nur bis auf einen Gradienten bestimmt, d.h. wir können statt A auch
~AâČ = ~Aâ ~âÏ (7)
benutzen. Daraus folgt dann
~E = ââ~A
câtâ ~âÏ = ââ
~AâČ
câtâ ~â
(Ï+
âÏ
cât
)â ÏâČ = Ï+
âÏ
cât. (8)
(7) und (8) bezeichnet man als Eichtransformation und Ï als das zu dieser gehörige Eichfeld.Die Maxwellgleichungen sind eichinvariant. Wir können nun bei gegebenen Feldern ~A und ÏĂŒber Ï so verfĂŒgen, daĂ
div ~A âČ +âÏâČ
ât= 0. (9)
Diese Festlegung des Eichfeldes Ï bezeichnet man als Lorentzeichung. Dabei ist aber zu be-achten, daĂ nach der Festlegung der Eichung die Gleichungen nicht mehr eichinvariant sind.Wir werden weiter unten wieder zu einer eichinvarianten Formulierung zurĂŒckkehren. Setztman nun (7)-(8) in (9) ein, findet man als Bestimmungsgleichung fĂŒr Ï:
2Ï = âdiv ~Aâ âÏ
câtmit 2 =
â2Ï
c2ât2ââ. (10)
Das ist eine inhomogene Wellengleichung, die mit Hilfe der unten hergeleiteten Greenfunktiondieser Gleichung gelöst werden kann, d.h. die Lorentzeichung existiert. Wir nehmen nun imfolgenden an, ~A und Ï genĂŒgten der Lorentzeichung. Dadurch lĂ€Ăt sich (5) vereinfachen:
2 ~A =4Ï
c~j (11)
Diese Gleichung ist bereits eine wesentlich ĂŒbersichtlichere Form der ersten drei Maxwellglei-chungen. Wir mĂŒssen noch die 4. Maxwellgleichung erfĂŒllen, indem wir (4) einsetzen:
div ~E = 4ÏÏ = ââÏâ â
câtdiv ~Aâ 2Ï = 4ÏÏ. (12)
3
(11) und (12) haben den Vorteil, daĂ die drei Komponenten von ~A und Ï einer einheitlichenGleichung genĂŒgen. Es liegt nun nahe, die vierdimensionalen Vektoren
A =
(Ï~A
), J =
(cÏ~j
)(13)
zu definieren. Dann schreiben sich (11) und (12) in der Form
2A =4Ï
cJ. (14)
Dies wird nun aber zu einer kovarianten Vektorgleichung, wenn man den Vierervektor
x =
(ct~x
)(15)
und die MetrikG = diag(1,â1,â1,â1) (16)
einfĂŒhrt, also Zeit und Raum zu einem vierdimensionalen Vektor im Raum R(1;3) zusam-menfaĂt. Dann schreibt sich nĂ€mlich (14) in der Einsteinschen Schreibweise des kovariantenTensorkalkĂŒls:
âaâaAb =
4Ï
cJb. (17)
Dabei istâa =
â
âxa, âa =
â
âxa, xa = gabx
b (18)
Die Lorentztransformationen sind nun diejenigen regulĂ€ren linearen Abbildungen, unter denendie (1,3)-Bilinearform invariant ist. Diese Abbildungen definieren eine Gruppe, die O(1,3), dieIsometriegruppe des R(1;3). FĂŒr eine Lorentztransformation L gilt
(Lx)tG(Ly) = xt(LtGL)y = xtGy â LtGL = G. (19)
Damit sind die fundamentalen Symmetrien der Elektrodynamik bekannt: NĂ€mlich die Lo-rentztransformationen, die sich auf die Raum- Zeit-Koordinaten beziehen, also die Strukturvon Raum und Zeit bestimmen. Das Viererpotential des elektromagnetischen Feldes transfor-miert sich wie die Raum-Zeitkoordinaten, stellt also einen Vektor dar. Eine weitere Symmetrie,eine dynamische Symmetrie, ist durch die Eichinvarianz gegeben.Wir formulieren nun die physikalisch relevanten GröĂen, nĂ€mlich die Felder, kovariant, alsoim Rahmen des TensorkalkĂŒls, wobei gleichzeitig die Eichinvarianz, die wir oben zugunstender Lorentzeichung fallen gelassen haben, wieder hergestellt wird. Ein Blick auf die Maxwell-gleichungen und die obige Dreierformulierung der Potentiale zeigt, daĂ dafĂŒr nur der antisym-metrische Tensor
F ab = âaAb â âbAa = Ab,a âAa,b (20)
in Frage kommt. Die ursprĂŒnglichen Felder ~E und ~B des Dreierformalismus erhĂ€lt man dar-aus durch Aufspalten in Raum- und Zeitkomponenten. Da ein antisymmetrischer Tensor imvierdimensionalen Raum sechs unabhĂ€ngige Komponenten enthĂ€lt, nennt man ihn auch Sech-servektor. Die erwĂ€hnte Aufspaltung in Raum und Zeit ergibt
F 0α =âAα
cât+
âÏ
âxα= âEα, FαÎČ = ââA
ÎČ
âxα+âAα
âxÎČ= âΔαÎČÎłBÎł . (21)
4
Dabei laufen griechische Indizes von 1 bis 3, d.h. die Felder ~E und ~B sind im Viererformalismusdurch den antisymmetrischen FeldstĂ€rketensor (Sechservektor) F ab gegeben. Dieser Tensor isteichinvariant, wie es fĂŒr physikalisch relevante GröĂen sein muĂ. Auch die Maxwellgleichungenlassen sich eichinvariant im Viererformalismus vermittels des FeldstĂ€rketensors ausdrĂŒcken.Dazu gehen wir auf die Gleichungen (6) und (12) zurĂŒck. Danach gilt
4Ï
cJα = ââα(âbA
b) + âbâbAα = âbF
bα,
4ÏÏ =4Ï
cJ0 = â â
câtâαA
α + âαâαA0 = âaF
a0,
(22)
d.h. man kann die Maxwellgleichungen in eichinvarianter Form anschreiben:
4Ï
cJa = âbF
ba. (23)
Weiter muà man aber noch die IntegrabilitÀtsbedingung, d.h. die Darstellbarkeit des Vierer-tensors F als Viererrotation eines Vektorpotentials vierdimensional formulieren. Diese Inte-grabilitÀtsbedingung ist durch die beiden homogenen Maxwellgleichungen gegeben. Betrachtetman diese, erkennt man, daà der dualisierte Tensor
(F â )ab =1
2ΔabcdFcd = Δabcd(âcAd) (24)
die geeignete GröĂe zur Formulierung der IntegrabilitĂ€tsbedingung ist. Die rechts stehendeFormulierung mit Hilfe des Vektorpotentials zeigt, daĂ die IntegrabilitĂ€tsbedingung gegebenist durch
âa(F â )ab = 0. (25)
(23) und (25) stellen also die eichinvariante relativistisch kovariante Formulierung der klassi-schen Elektrodynamik dar.Um nun die Symmetrieprinzipien der Mechanik auf die Feldtheorie ĂŒbertragen zu können,benötigen wir die Lagrangeformulierung bzw. das Hamiltonsche Prinzip fĂŒr Felder. Die Ver-allgemeinerung des Hamiltonschen Prinzips fĂŒr die Punktmechanik ergibt sich nun wie folgt:Statt einer Lagrangefunktion L wird fĂŒr die Felder eine Lagrangedichte L eingefĂŒhrt. DafĂŒr,daĂ die Feldgleichungen kovariant sind, ist es hinreichend (aber nicht notwendig!), daĂ L eineskalare Viererdichte ist. Das Hamiltonprinzip fĂŒr Felder besagt in Analogie zum Hamilton-prinzip der Mechanik, daĂ das Wirkungsintegral
I =
â«V (4)
L (A, â”A,X)d4X (26)
unter den ĂŒblichen Randbedingungen stationĂ€r werden muĂ, d.h.
ÎŽI = 0 wobei ÎŽX = 0, ÎŽA = 0|XââV (4) . (27)
Die Feldgleichungen ergeben sich daraus durch Bildung der Variation unter dem Integral
ÎŽI =
â«V (4)
[âL
âAaÎŽAa +
âL
âAa,bÎŽAa,b
]d4X = 0. (28)
5
Da die Feldvariation mit der Differentiation vertauschbar ist und der vierdimensionale GauĂ-sche Satz angewandt werden kann, gilt die Formel der partiellen Integrationâ«
V (4)
(âbΊ)Κbd4X =
â«âV (4)
ΊΚbdSb ââ«V (4)
ΊâbÏbd4X. (29)
Daraus folgt nun wegen der Vertauschbarkeit der Feldvariation mit den partiellen Ableitungennach den Raum-Zeit-Koordinaten:â«
V (4)
âL
âAa,bÎŽAa,b =
â«âV (4)
âL
âAa,bÎŽAadSb â
â«V (4)
âbâL
âAa,bÎŽAad4X
= ââ«V (4)
âbâL
âAa,bÎŽAad4X,
(30)
letzteres weil die Feldvariationen auf dem Rand des vierdimensionalen Volumens beim Hamil-tonschen Prinzip verschwinden sollen. Setzt man dies in das obige Wirkungsintegral ein, folgt
ÎŽI =
â«V (4)
[âL
âAaâ âb âL
âAa,b
]ÎŽAad4X (31)
Da die ΎAa unabhÀngig voneinander sind, folgt aus dem Fundamentallemma der Variations-rechnung, daà die Feldgleichungen durch die Euler-Lagrangegleichungen
âb(âL
âAa,b
)â âL
âAa= 0 (32)
gegeben sind. Um die sich aus diesem Formalismus ergebenden weiteren Folgerungen verwertenzu können, mĂŒssen die Feldgleichungen (23) der Elektrodynamik mit (32) beschreibbar sein.Wir haben die dazu passende Lagrangedichte L aufzufinden. Es ist klar, daĂ L nur bis aufeinen konstanten Faktor durch (32) und die Maxwellgleichungen bestimmt sein kann. DasVorzeichen des Faktors kann dadurch gefunden werden, daĂ bei linearen Feldgleichungen dieFeldgradienten eine quadratische Form in L bilden. Das Vorzeichen ist so zu wĂ€hlen, daĂTerme, die der kinetischen Energie der Mechanik entsprechen, also die Zeitableitungen derFelder enthalten, mit positivem Vorzeichen erscheinen. Der Absolutwert des Faktors legt, wiesich weiter unten zeigen wird, die Verbindung des elektromagnetischen zum mechanischenMaĂsystem fest. Wir haben hier die nichtrationalen GauĂschen cgs-Einheiten gewĂ€hlt, so daĂein Faktor 1/(4Ï) in L auftaucht. Die Feldgleichungen (23) schreiben sich unter Verwendungvon (20) wie folgt:
1
4Ïâb(Ab,a âAa,b) =
1
cJa â âb
âL
âAa,b= â âL
âAa(33)
Man sieht durch einfache Integration, daĂ sich L aus den beiden Summanden
L = L0 + L1, L0 = â 1
16ÏF abFab (mit F ab = âaAb â âbAa), L1 =
1
cJaA
a (34)
zusammensetzt. Das ist die gesuchte Lagrangedichte des elektromagnetischen Feldes. Das freieFeld enthĂ€lt nur L0. Die Stromdichte J stellt dabei ein Ă€uĂeres nicht im Hamiltonprinzip zuvariierendes Feld dar, d.h. J fĂŒhrt die Raum-Zeitkoordinaten explizit in die Lagrangedichteein. Das ist dadurch verstĂ€ndlich, daĂ es sich um die Ankopplung der Teilchen, die sich in derElektrodynamik als Viererstrom Ă€uĂern, an das elektromagnetische Feld handelt.
6
Als nĂ€chster Schritt bei der Analyse der Struktur der Lagrangetheorie der Felder, ist die KlĂ€-rung der Frage, welche Lagrangedichten L âČ zu (34) Ă€quivalent sind, d.h. welche Lagrangedich-ten zu denselben Feldgleichungen fĂŒhren. Diese Frage lĂ€Ăt sich am schnellsten beantworten,wenn man die obige Rechnung, die vom Hamiltonprinzip zu den Lagrangegleichungen fĂŒhrten,betrachtet. Es folgt, daĂ man zu L die Divergenz eines beliebigen Feldes, das nur von denFeldern A und explizit von den Raum-Zeit-Koordinaten abhĂ€ngt, addieren kann:
L = L + âkΩk mit Ωk = Ωk(A,X). (35)
Es folgt nÀmlich
ÎŽL = ÎŽL +ÎŽ(âkΩk) = ÎŽL +âk(âΩk
âAaÎŽAa
)â ÎŽI âČ = ÎŽI+
â«âV (4)
(âΩk
âAaÎŽAa
)dSk = ÎŽI (36)
Dabei haben wir den vierdimensionalen GauĂschen Satz benutzt, wobei das FlĂ€chenintegralverschwindet, weil die Feldvariationen definitionsgemÀà auf dem Rand des betrachteten Ge-biets verschwinden.Auch die Eichtransformationen Ă€ndern die Lagrangedichte in dieser Weise ab. Setzt man nĂ€m-lich die Eichtransformation (7-8) in (34) ein, so folgt
L âČ = L â 1
cJaâ
aÏ = L â 1
câa(JaÏ) (37)
weil gemÀà (23) J divergenzfrei ist:
4Ï
câaJ
a = âaâbFba = 0. (38)
Diese Divergenzfreiheit des Viererstroms ist offensichtlich aber umgekehrt auch als Folgerungder Eichinvarianz der Elektrodynamik anzusehen, d.h. die durch die Eichgruppe beschriebeneSymmetrie zieht die Divergenzfreiheit des Stromes nach sich. Diese Divergenzfreiheit schreibtsich nun aber im Dreierformalismus
âÏ
ât+ div~j = 0. (39)
Integrieren wir diese Gleichung ĂŒber den gesamten Ortsraum, so folgt aus dem GauĂschenSatz bei hinreichend schnellem Abfall des Stromes im Unendlichen:
d
dt
â«R3
Ïd3~x =dQ
dt= â
â«âR3
d~S ~j = 0, (40)
d.h. die Divergenzfreiheit des Viererstroms stellt in integraler Form einen Erhaltungssatz bzw.in differentieller Form eine KontinuitÀtsgleichung dar. Die Symmetrie des Maxwellfeldes, diedurch die Eichgruppe beschrieben wird, zieht die Ladungserhaltung nach sich.
Das Noethertheorem
Im folgenden betrachten wir die totale Variation der Lagrangedichte, die sich zum einenaus der bereits eben hergeleiteten Feldvariation, zum anderen aus der Variation der Raum-Zeitvariablen X ergibt. Wir behandeln Transformationen, die sich durch infinitesimale Er-zeugende beschreiben lassen, setzen also voraus, daĂ die Transformationsgruppen Liegruppensind.
7
Das Hauptproblem ist, daĂ anders als beim Hamiltonprinzip die Variation mit der partiellenDifferentiation aufgrund der Mitvariation der Raum-Zeit-Koordinaten nicht vertauschen. Esgilt
ÎŽ(Ai,k) =â(Ai + ÎŽAi)
â(xk + ÎŽxk)â âAiâxk
= (ÎŽAi),k â (ÎŽxl),kAi,l. (41)
Dabei haben wir die Ableitung der Umkehrfunktion benutzt und die Taylorentwicklung bzgl.der Variationen mit dem linearen Glied abgebrochen. AuĂerdem wurde die Inversion einer nurinfinitesimal von der Einheitsmatrix verschiedenen Matrix benutzt:
[(ÎŽlk + (ÎŽxl),k]â1 = ÎŽkl â (ÎŽxk),l. (42)
Weiter benötigen wir die Variation des Vierervolumenelements:
ÎŽ(d4X) = [det(ÎŽkl + (ÎŽxk),l)â 1]d4X =
[âP
Ï(P )3âi=0
(ÎŽiP (i) + (ÎŽxi),P (i))â 1
]d4X (43)
ÎŽ(d4X) = (ÎŽxi),id4X. (44)
Dabei durchlÀuft P die 24 Permutation der Zahlen 0 bis 3. Die totale Variation des Wirkungs-elements lautet demnach
ÎŽ(L d4X) =
âL
âAiÎŽAi +
(âL
âxk
)exp
ÎŽxk +âL
âAi,k(ÎŽAi),k +
[L ÎŽkl â
âL
âAi,kAi,l
](ÎŽxl),k
d4X
(45)In Analogie zur klassischen Punktmechanik fĂŒhren wir den kanonischen Energie-Impulstensor
Îkl =
âL
âAi,kAi,l âL ÎŽkl (46)
ein, so daĂ sich (45) abkĂŒrzen lĂ€Ăt zu
ÎŽ(L d4X) =
[âL
âAiÎŽAi +
âL
âAi,k(ÎŽAi),k âÎk
lÎŽxl,k +
(âL
âxk
)exp
ÎŽxk
]d4X. (47)
Eine Symmetrietransformation ist nun eine solche Transformation, bei der die Feldgleichungenforminvariant bleiben, d.h. die eckige Klammer darf nur eine Divergenz der Form (35) sein.Damit also die betrachtete Transformation eine Symmetrietransformation darstellt, ist diefolgende Bedingung notwendig und hinreichend:
âL
âAiÎŽAi +
âL
âAi,k(ÎŽAi),k âÎk
l(ÎŽxl),k +
(âL
âxk
)Ύxk + (ΎΩi),i = 0. (48)
Wir folgern daraus nun einen Erhaltungssatz indem wir (46) nach xk differenzieren:
Îkl,k = â
(âL
âxl
)exp
. (49)
Dabei haben wir die Lagrangegleichungen (32) benutzt. Setzt man dies in (48) ein, lĂ€Ăt sich(48) als Divergenz schreiben: [
âL
âAi,kÎŽAi âÎklÎŽxl + ΎΩk
],k
= 0. (50)
8
Dies ist aber genau wie der Erhaltungssatz der Ladung ein Erhaltungssatz in lokaler Form.Wir nutzen jetzt die Kenntnis des Verhaltens der Felder unter der PoincarĂ©gruppe aus, dieeine Symmetrietransformation darstellt.Wir beginnen mit der Translation. Dabei Ă€ndern sich die Felder nicht explizit, sondern nurĂŒber die Variablentransformation, die aber in der obigen Rechnung berĂŒcksichtigt ist. Dannfolgt fĂŒr die Translationsgruppe
Ύxk = const, ΎAk = 0, ΎΩk = 0. (51)
Ein Blick auf (48) lehrt, daĂ Translationsinvarianz besteht, wenn
(L,i)exp = 0, (52)
also die Lagrangefunktion nicht explizit von den Koordinaten abhĂ€ngt, d.h. im Falle der Elek-trodynamik fĂŒr das strom- und ladungsfreie Maxwellfeld. Dann ist
Îkl,k = 0. (53)
In Raum und Zeitkoordinaten getrennt geschrieben (griechische Indizes laufen im folgendenvon 1 bis 3) heiĂt das
Îαb,α = â â
câtÎ0b (54)
Der korrespondierende globale Erhaltungssatz wird hergeleitet wie bei der Ladungserhaltung.Daraus geht hervor, daĂ
gα =1
cÎ0α, u = Î00 (55)
die Impuls- bzw. Energiedichte des Feldes sein mĂŒssen.Wir betrachten nun eine infinitesimale Lorentztransformation (obwohl wir das Ergebnis imfolgenden nicht weiter benötigen werden). FĂŒr diese gilt
(ÎŽaâČa + ÎŽÏa
âČa)(ÎŽ
bâČ + ÎŽÏbâČb)g
ab = gaâČbâČ â ÎŽÏb
âČaâČ = âÎŽÏaâČbâČ (56)
Dabei haben wir die Bewegungsregeln fĂŒr Indizes auf die infinitesimalen Lorentzmatrizen ÎŽÏangewandt:
ÎŽÏab = gbcÎŽÏac. (57)
Die infinitesimale Erzeugende der Lorentztransformation ist also eine antisymmetrische Ma-trix. Unter Lorentztransformationen gilt demnach
ÎŽXa = ÎŽÏabXb, ÎŽAi = Sj imnÎŽÏ
mnAj . (58)
Wegen (56) können wir o.B.d.A S als antisymmetrisiert in den Indizes m und n denken. Sbestimmt die Darstellung der Lorentztransformation, nach der sich die FeldgröĂen transfor-mieren. Im Falle des elektromagnetischen Vierervektors A haben wir offenbar zu setzen
Sj imn =1
2(gimÎŽn
j â ginÎŽmj). (59)
Gehen wir mit (58) in (50) ein, finden wir demnach(âL
âAi,kSj imnÎŽÏ
mnAj âÎkmÎŽÏ
mnXn
),k
= 0, (60)
9
d.h. mit den kanonischen Feldimpulsen
Î ik =âL
âAi,k(61)
ergibt sich der gesuchte Erhaltungssatz durch Antimetrisieren des Koeffizienten von ÎŽÏ in(41), weil ÎŽÏ allein durch die Antimetrie eingeschrĂ€nkt ist, d.h. das Feld
cLkmn = 2Hkmn â (Îk
mXn âÎknXm) (62)
mit Hkmn = Sj imnÎ ikAj . (63)
Die k = 0-Komponente von L muĂ nach unserem allgemeinen Schema fĂŒr m = 0 derSchwerpunkts- fĂŒr m = ” der Drehimpulsdichte des Feldes zugeordnet werden. Man erkenntferner, daĂ sich der kanonische Felddrehimpuls aus dem vom geometrischen Typ der Felder, al-so dem Transformationsverhalten derselben unter Lorentztransformationen, abhĂ€ngigen âSpin-â und dem aus dem kanonischen Energie-Impulstensor zusammengesetzten âBahndrehimpulsâzusammensetzen.Wir gehen jetzt auf das elektromagnetische Maxwellfeld zurĂŒck. Dazu benutzen wir (34) umden kanonischen Energie-Impulstensor auszurechnen. Es gilt
Îkl = â 1
4ÏF kiAi
,l +
(1
16ÏF abFab +
1
cJaA
a
)gkl (64)
Bis jetzt haben wir bei unseren Herleitungen nur Lorentzkovarianz gefordert und durch denTensorkalkĂŒl praktisch automatisch eingehalten. Nun muĂ aber jede meĂbare physikalischeGröĂe (dazu gehören offensichtlich Energie und Impuls) eichinvariant sein. Das ist aber fĂŒrden kanonischen Energie-Impulstensor nicht der Fall, denn es gilt
Ak â Ak + Ï,k; Îkl â Îkl â 1
4ÏF kiâiâ
lÏ+1
cJaâ
aÏgkl. (65)
Wir haben aber Î dadurch physikalisch ausgezeichnet, daĂ er einen Erhaltungssatz Îkl,k = 0
ergibt, falls es sich um ein freies Maxwellfeld (also J = 0) handelt. Der Erhaltungssatz Àndertsich aber offenbar nicht, wenn man zum kanonischen Energie-Impulstensor einen divergenz-freien Term addiert. Auf diese Weise können wir einen eichinvarianten Energie-Impulstensorgewinnen. Wenn man (65) betrachtet, sieht man, daà dies durch
T kl =1
4ÏF kiAl,i â
1
cJaA
agkl + Îkl (66)
erfĂŒllt wird. FĂŒr J = 0 kann man (66) aufgrund von (23) schreiben:
T kl =1
4Ï(F kiAl),i + Îkl, (67)
und der Zusatzterm ist divergenzfrei bzgl. k wie es sein muĂ.FĂŒr uns ist im folgenden die Wirkung des Viererstroms interessant, denn er beschreibt dieQuellen des elektromagnetischen Feldes. Aus (66) folgt
T kl,k =1
cJaF
al. (68)
10
Die Viererkraftdichte, die aufgrund des elektromagnetischen Feldes auf ein Kontinuum (bzw.Teilchen bei Verwendung der Diracschen ÎŽ-Funktion) ist demgemĂ€Ă
â
âtgλmech = âT kλ,k = kλ =
1
cJcF
λc = ÏEλ +
(1
c~j Ă ~B
)λ. (69)
Im Dreierformalismus schreibt sich das wie folgt:
â
ât
(g(mech)λ + g
(Feld)λ
)= âTαλ,α = T (M)
αλ,α. (70)
Der rechts im Dreierformalismus geschriebene Tensor TM ist der Maxwellsche Spannungsten-sor, der sich schreiben lĂ€Ăt zu
T (M)αÎČ =
1
4Ï(EαEÎČ +BαBÎČ â
1
2( ~E2 + ~B2)ΎαÎČ). (71)
Wir wollen nun (69) zur Herleitung der Kraftwirkung auf Punktladungen anwenden. Die Vie-rerstromdichte einer Punktladung ist offenbar
J0(t; ~x) = qcÎŽ(3)[~xâ ~z(t)], ~j(t; ~x) = q~vÎŽ(3)[~xâ ~z(t)]. (72)
DaĂ dies eine kovariante Ausdruck ist, zeigt sich daran, daĂ man ihn in der explizit kovariantenForm
Ja(X) = q
â«R
dZa
dÏÎŽ(4)[X â Z(Ï)]dÏ (73)
schreiben kann, wobei Ï irgendein die Bahnkurve im Minkowskiraum (die Weltlinie) des Teil-chens parametrisierender Skalar ist. Dazu kann die Eigenzeit des Teilchens gewĂ€hlt werden.Setzen wir den Strom in der Form (72) in (69) ein, so erhalten wir nach Integration ĂŒber dasDreiervolumen
d~p
dt= q ~E +
q
c~v Ă ~B. (74)
Die 0-Komponente der Gleichung (69) schreibt sich
dW
dt= q~v ~E. (75)
Explizit relativistisch kovariant wird diese Bewegungsgleichung erst dadurch, daĂ wir (74) und(75) durch den Lorentzfaktor dividieren und damit
dP a
dÏ=q
cF ab
dXb
dÏ(76)
erhalten.Eine andere Fragestellung ist die nach dem durch auf vorgegebenen Viererbahnen bewegtenTeilchen erzeugten elektromagnetischen Feld. In Lorentzeichung schreibt sich das als die in-homogene Wellengleichung (14) mit dem gegebenen Strom (73). Eine PartikulĂ€rlösung derinhomogenen Gleichung kann allgemein angegeben werden, wenn man die Greenfunktion desdâAlembert-Operators findet. Die Greenfunktion ist definiert durch die Differentialgleichung
2XG(X;X âČ) = ÎŽ(4)(X âX âČ) (77)
11
und die Retardierungsbedingung
G(X;X âČ) = Î(X0 âX âČ0)g(X âX âČ). (78)
Dabei ist Î die Heavisidesche Sprungfunktion. Um das Problem zu lösen, fĂŒhren wir eineFouriertransformation von (77) durch:
G(X;X âČ) = â(
1
2Ï
)2 â«R4
G(k;X âČ) exp(ikaXa)d4k. (79)
Setzt man dies in (77) ein, findet man:
âkakaG(k;xâČ) =
(1
2Ï
)2
exp(âikaX âČa)â G(k;X âČ) = â(
1
2Ï
)2 exp(âikaXaâČ)
kaka. (80)
Bei der RĂŒcktransformation von (80) in den Raum-Zeit-Bereich ist (78) zu beachten. Des-halb erscheint es sinnvoll, zunĂ€chst das k0-Integral auszuwerten. Die Schwierigkeit bestehtdabei darin, daĂ auf der k0-Achse Pole der Fouriertransformierten liegen. Man hat also denIntegrationsweg in der folgenden Weise ins Komplexe zu deformieren:
Re k0
Im k0
Weg fur x0 < xâČ0
Ï â 0
kâk
Weg fur x0 > xâČ0R â â
Abbildung 1: Zur Fourier-RĂŒcktransformation der retardierten Greenfunktion der Wellenglei-chung.
Die kleinen Halbkreise, die die Pole ausschlieĂen, wurden in die untere Halbebene gelegtum die obige Retardierungsbedingung zu erfĂŒllen: Beim Durchlaufen des oberen Weges muĂX0 > X âČ0 sein, damit das Integral ĂŒber den groĂen Kreis im Limes fĂŒr R ââ verschwindet.FĂŒr X0 > X âČ0 muĂ der Weg in der unteren Halbebene geschlossen werden. Das Integral ĂŒberdiesen Weg verschwindet nach dem Residuensatz, weil innerhalb desselben keine Pole desIntegranden liegen, wie wir es oben gefordert haben. Das Integral ĂŒber den oberen Weg lĂ€Ătsich ebenfalls vermittels des Residuensatzes ausrechnen:â«
R
exp[ik0(X0 âX0âČ)]
k20 â k2dk0 = 2Ïi
[exp[ik(X0 âX0âČ)]
2kâ exp[âik(X0 âX0âČ)]
2k
], (81)
d.h. es gilt
g(X;X âČ) =
(1
2Ï
)3 â«R3
sin[k(X0 âX âČ0)]k
exp[~ik(~xâ ~x0)]d3~k. (82)
12
Zur Berechnung dieses Integrals fĂŒhrt man Kugelkoordinaten ein und erhĂ€lt durch einfacheIntegration
G( ~X;X âČ) := G(X âX âČ) mit G(X) =Î(X0)ÎŽ(x0 â |~x|)
|~x| = 2Î(X0)ÎŽ(XaXa) (83)
Das elektromagnetische Feld bei vorgegebenem Strom ist also
Aa(X) =
â«R4
1
c
Î(X0 âX0âČ)
|~xâ ~xâČ|ÎŽ(X0 âX0âČ â |~xâ ~xâČ|)Ja(X âČ)d4X âČ. (84)
Zum Nachweis, daĂ die Lorentzeichbedingung des Potentials erfĂŒllt ist, schreiben wir
âaAa =
â«R4
4Ï
c[âaG(X âX âČ)]Ja(X âČ)d4X âČ = â4Ï
c
â«R4[
âaâČG(X âX âČ)Ja(X âČ)d4X âČ = (85)
=4Ï
c
â«R4
G(X âX âČ)âaâČJa(X âČ)d4X âČ = 0 (86)
weil Ja divergenzfrei ist.Zur physikalischen Interpretation rechnen wir das Ergebnis in den Dreierformalismus um:
Ï =
â«R3
Ï(X0 â |~xâ ~xâČ|; ~xâČ)|~xâ ~xâČ|
d3~xâČ; ~A =
â«R3
~A(x0 â |~xâ ~xâČ|; ~xâČ)c
|~xâ ~xâČ|d3~xâČ (87)
Erinnert man sich der Elektro- bzw. Magnetostatik, erkennt man, daĂ zum Feld zur Zeit tdie Quellen zur Zeit tret = t â r/c, wobei r der Abstand zwischen Auf- und Quellpunkt ist,beitragen, d.h. die elektromagnetische Wirkung der Quellen breitet sich mit (der endlichen!)Lichtgeschwindigkeit c aus. HĂ€tte man die Retardierungsforderung nicht gestellt, hĂ€tte manauch die avancierte Greenfunktion, wo die Quellen aus der Zukunft gewirkt hĂ€tten, oder eineLinearkombination aus beiden erhalten können, die aber nicht die Forderung der KausalitĂ€terfĂŒllen.Wir wenden schlieĂlich noch die Greenfunktion auf die Quellen (73) an:
Aa(X) =4Ï
c
â«R4
â«RqÎŽ(4)[X âČ â Y (Ï)]
dY a
dÏG(X âX âČ)dÏd4X âČ = 4Ï
c
â«RqdY a
dÏG[X â Y (Ï)]dÏ
(88)Das ist das sog. Lienard-Wiechertsche Potential.
3 Monopole in der klassischen Elektrodynamik
Die quellenfreien Maxwellgleichungen
rot ~E = ââ~B
cât; rot ~B =
â ~E
cât; div ~B = 0 (89)
weisen neben der aus der Struktur von Raum und Zeit gegebenen Symmetrie gegenĂŒber derPoincarĂ©gruppe und der Eichinvarianzsymmetrie noch eine dynamische Symmetrie auf. DieselĂ€Ăt sich finden, wenn man die folgende Transformation
~E = α ~EâČ + ÎČ ~BâČ; ~B = Îł ~EâČ + ÎŽ ~BâČ (90)
13
mit Konstanten α, ÎČ, Îł und ÎŽ bildet und zunĂ€chst Forminvarianz der freien Maxwellgleichun-gen gegenĂŒber diesen Transformationen fordert. Dazu setzen wir (90) in (89) ein:
rot (α~EâČ + ÎČ ~BâČ) = â â
cât(Îł ~EâČ + ÎŽ ~BâČ)â â
cât(âα~BâČ + ÎČ ~EâČ) = â â
cât(Îł ~EâČ + ÎŽ ~BâČ)â (91)
α = ÎŽ; ÎČ = âÎł. (92)
Damit auch die Energiedichte u und die Energieströmung (Poyntingvektor) ~S
u =1
8Ï( ~E2 + ~B2); ~S =
c
4Ï~E Ă ~B (93)
invariant bleiben, muĂ
α = cos Ο ;ÎČ = sin Ο; Îł = â sin Ο; ÎŽ = cos Ο (94)
gelten. Die gewonnene Transformation lĂ€Ăt sich in der folgenden Matrizenschreibweise ĂŒber-sichtlich darstellen:(
~E~B
)=
(cos Ο sin Οâ sin Ο cos Ο
)(~EâČ
~BâČ
)â(
~EâČ
~BâČ
)=
(cos Ο â sin Οsin Ο cos Ο
)(~E~B
). (95)
Diese Transformationen heiĂen duale Transformationen.Die Maxwellgleichungen mit Quellen, also Strömen und Ladungen, sind nicht invariant unterdualen Transformationen. Das erkennt man sofort, wenn man annimmt, es gelten die Maxwell-gleichungen (1) fĂŒr die gestrichenen FeldgröĂen, und die duale Transformation (95) anwendet.Die inhomogenen Gleichungen im ungestrichenen Feldsystem lauten dann nĂ€mlich
Ï = div ~E = cos Οdiv ~EâČ = 4Ï cos ΟÏâČ; div ~B = â4Ï sin ΟÏâČ = â4Ï tan ΟÏ, (96)
d.h. wir haben eine i.A. nicht verschwindende Quelldichte magnetischer Ladungen im Wider-spruch zu den Forderungen der Maxwellgleichungen erhalten. Analog folgt die Existenz einesStromes bestehend aus magnetischen Ladungen wenn man die ĂŒbrigen Maxwellgleichungenbeachtet. Zusammen ergibt sich genau wie bei Ladungen eine KontinuitĂ€tsgleichung fĂŒr diemagnetischen Ladungen und Ströme genauso wie fĂŒr die elektrische Ladung.Gehen wir nun umgekehrt vor und lassen die Quellenfreiheit des magnetischen Feldes fallen,so gehen die Felder ~E und ~B völlig gleichberechtigt in die entstehenden Maxwellgleichungenein:
ârot Eâ âB
cât=
4Ï
ck; rot Bâ âE
cât=
4Ï
cj; divB = 4ÏÏm; divE = 4ÏÏe. (97)
Man erkennt auch sofort, daĂ die Felder und Quellen einem DualitĂ€tsprinzip gehorchen. Ersetztman nĂ€mlich in der ersten und dritten der Gleichungen (97) ~E durch â ~B und ~B durch ~E sowie~k durch ~j und Ïm durch Ïe, erhĂ€lt man die zweite und vierte Gleichung.Ein Blick auf (96) zeigt, daĂ die neuen Maxwellgleichungen (97) immer dann auf die altenMaxwellgleichungen dual transformiert werden können, wenn die magnetische und elektrischeLadung immer in einem materialunabhĂ€ngigen VerhĂ€ltnis in der Natur vorkommt. Dann wĂ€rendie alten Maxwellgleichung lediglich Konvention und die Felder ~E und ~B gemÀà den dualenTransformationen völlig gleichberechtigt.
14
Wir ziehen nun zunĂ€chst einige einfache Konsequenzen aus der Annahme der Existenz magne-tischer Monopole bzw. Ladungsverteilungen. Wir haben oben gesehen, daĂ die Maxwellglei-chungen gegenĂŒber der vollen Lorentzgruppe O(1,3) invariant sind, d.h. die Elektrodynamikmanifest kovariant (also im Sinne des TensorkalkĂŒls) im Raum mit der Signatur (1,3) formu-lierbar ist (Minkowskiraum). Die Gruppe O(1,3) kann in folgende vier Bestandteile zerlegtwerden:Die SO(1,3) ist die Untergruppe der O(1,3) mit der Determinante +1. Diese enthĂ€lt die Unter-gruppe SO(1;3)â, die eigentlich orthochrone Lorentzgruppe, die die Zusammenhangskompo-nente mit der IdentitĂ€t darstellt. Sie bedeutet physikalisch den Wechsel des Bezugssystems voneinem Inertialsystem in ein anderes und wird durch die rĂ€umlichen Drehungen und die âLor-entzboostsâ erzeugt (6-parametrige Gruppe). Sie lĂ€Ăt dabei die Zeitrichtung invariant (d.h.der Zeitbasisvektor bleibt im VorwĂ€rtslichtkegel). Die zu dieser Zusammenhangskomponentemit der IdentitĂ€t gehörige Nebenklasse, die SO(1;3)â enthĂ€lt die eigentlich antichronen Lo-rentztransformationen und ist die Zusammenhangskomponente mit der totalen Inversion, d.h.der gleichzeitigen Zeitumkehr und Rauminversion.Auch die Nebenklasse zur vollen SO(1,3), also die Menge O(1;3)/SO(1,3) zerfĂ€llt ihrerseitswieder in zwei Teile, nĂ€mlich die uneigentlich orthochronen (enthĂ€lt die reine Rauminversion)und die uneigentlich antichronen Lorentztransformationen.Die diskreten Symmetrien sind fĂŒr die klassische Theorie relativ uninteressant, werden aberin der Quantentheorie Ă€uĂerst wichtig (ParitĂ€t, PCT-Theorem). Wie wir eben gesehen haben,genĂŒgt die Untersuchung der Zeitumkehrtransformation T und der Rauminversion P (fĂŒr Pa-ritĂ€tsoperator). Alle anderen nicht mit der IdentitĂ€t zusammenhĂ€ngenden Transformationenlassen sich nach der obigen Betrachtung aus der SO(1;3) und T und P zusammensetzen. FĂŒrdas Transformationsverhalten einiger GröĂen kann man die folgende Tabelle erstellen:
GröĂe Zeitumkehr Rauminv. BegrĂŒndungt -1 +1 Definition~x +1 -1 Definition~v -1 -1 ~v = d~x/dt~F +1 -1 ~F = m(d2~x/dt2); m: Skalar~E +1 -1 Lorentzkraft:~B -1 +1 ~F = e ~E + e/c~v Ă ~B
Ïe +1 +1 div ~E ist skalarÏm -1 +1 div ~B ist pseudoskalar~j -1 -1 Maxwellgleichungen (97)~k +1 +1 und obige Beziehungen
Das bedeutet aber, daĂ bei der Annahme der Existenz von Materie, die elektrische und magne-tische Ladungsverteilung enthĂ€lt, die Symmetrie unter Zeitumkehr und Rauminversion nichtmehr gegeben ist, d.h. diese Symmetriebrechungen treten bereits in der klassischen Theorieauf.Es sollen nun die Möglichkeiten der Entwicklung einer klassischen dynamischen Theorie punkt-förmiger Monopole untersucht werden. Dazu kehren wir zum manifest kovarianten Viererfor-malismus zurĂŒck. Betrachtet man die eben postulierten modifizierten Maxwellgleichungen (97),so sieht man, daĂ die Monopole die IntegrabilitĂ€tsbedingungen (25) verletzen. Die modifizier-
15
g
ÎŽString
Abbildung 2: Zur Beschreibung des singulĂ€ren Vektorpotentials des magnetischen Monopolsmittels eines âStringsâ.
ten Maxwellgleichungen mĂŒssen nĂ€mlich im Viererformalismus offenbar wie folgt geschriebenwerden:
âbFba =
4Ï
cJa; âb(F â )ba =
4Ï
cKa mit K0 = cÏm; Kα = kα. (98)
Wir nehmen dabei an, daà die Viererströme J und K durch Punktquellen erzeugt werden,d.h. gemÀà (73):
Ja(x) = e
â«R
dya
dÏÎŽ(4)[xâ y(Ï)]dÏ ; Ka(x) = g
â«R
dza
dÏÎŽ(4)[xâ z(Ï)]dÏ. (99)
Das bedeutet nun aber, daĂ die IntegrabilitĂ€tsbedingungen nur auf den Weltlinien der ma-gnetischen Monopole verletzt sind, d.h. man kann vermuten, daĂ es möglich ist, ein singulĂ€resVektorpotential A zu konstruieren, das den Pol beschreibt. Wir denken uns dazu zunĂ€chsteinen im Ursprung eines Koordinatensystems ruhenden magnetischen Monopol, d.h. es gilt(wir kehren kurz zum Dreierformalismus zurĂŒck):
div ~B = 4ÏgÎŽ(3)(~x). (100)
Wendet man darauf den GauĂschen Satz an, so folgt wie in der Elektrostatik
âÎŽ > 0 :
âźâKÎŽ
~Bd~S = 4Ïg (101)
Dabei soll mit KÎŽ die Kugel mit dem Radius ÎŽ um den Ursprung bezeichnet werden. Anderer-seits gilt aber auĂer im Ursprung ~B = rot ~A. ~A kann nun aber nicht regulĂ€r sein, d.h. es muĂauf jeder KugelflĂ€che, die den Pol in ihrem Inneren enthĂ€lt, eine SingularitĂ€t vorliegen, durchderen Existenz (101) gesichert ist, d.h. ausgehend vom Pol muĂ es eine sich ins Unendlicheerstreckende Linie geben, lĂ€ngs der ~A singulĂ€r wird. Diese Linie ist der sog. String.Denken wir uns nun den Monopol lĂ€ngs irgendeiner Weltlinie im Minkowskiraum bewegt,erkennen wir, daĂ zu jedem Zeitpunkt ein solcher sich halbseitig ins Unendliche erstreckenderString gegeben sein muĂ, der die FluĂbedingung (101) sichert. Insgesamt entsteht ein sichhalbseitig ins Unendliche erstreckendes zweidimensionales Blatt (sheet) im Minkowskiraum.Dieses Blatt wird nun wie folgt parametrisiert:
S : y = y(Ï0; Ï1) (102)
wobei Ï0 und Ï1 die FlĂ€chenparameter sind, die wie folgt gewĂ€hlt seien: Ï1 = 0 soll gerade dieWeltlinie des Pols und damit der einzige im Endlichen gelegene Rand des Blattes sein. Ï0 ist
16
Abbildung 3: Beschreibung eines magnetischen Monopols durch ein Blatt im dreidimensiona-len Minkowskiraum. Die zeitartige Weltlinie des Strings ist durch z(Ï) gegeben. Aus jedemPunkt der Weltlinie entspringt ein raumartiger String. Diese Strings bilden das Blatt. In derphysikalischen Raumzeit ist das Blatt eine dreidimensionale HyperflĂ€che. Die ErklĂ€rung derParametrisierung des Blattes findet sich im Text.
ein skalarer Zeitparameter mit Wertebereich R, fĂŒr Ï1 = 0 gerade die Eigenzeit Ï des Pols.Ï1 â [0;â[ parametrisiert fĂŒr festgehaltenes Ï0 den zu diesem Zeitpunkt gehörigen String.Wir bemerken, daĂ die Strings und damit auch das Blatt ein Rechenhilfsmittel darstellenund physikalisch unbeobachtbar sind. Man darf sich den String als Kette von Dipolen vorstel-len, die nicht real existieren. Das heiĂt aber, daĂ bei einer konsistenten Beschreibung keineLadung diesen String durchlaufen darf, weil ja sonst die Wirkung desselben auf die Ladungbeobachtbar wĂ€re. Das fĂŒhrt in dieser Theorie zum sog. Dirac-Veto und wird weiter untennoch streng mathematisch zu fordern sein. Andererseits ist die Wahl des Strings frei (ver-schiedene Strings fĂŒhren zu Vektorpotentialen, die sich höchstens durch Eichtransformationenvoneinander unterscheiden).FĂŒr den Feldsechservektor der durch die Pole modifizierten Theorie schreiben wir:
F ab = âaAb â âbAa +4Ï
c(Gâ )ab. (103)
Der Sechservektor G verschwindet ĂŒberall auĂer auf dem Blatt. Setzt man diesen Ansatz in(98) ein, so findet man nach (99)
âbGab = g
â«R
dza
dÏÎŽ(4)[xâ z(Ï)]dÏ = g
â«âSÎŽ(4)[xâ y(Ï0; Ï1 = 0)]
âya
âÏ0dÏ0. (104)
Dabei haben wir im letzten Schritt beachtet, daà die Weltlinie des Pols der Rand des Blattesist. Wir können also (104) als Wegintegral schreiben:
âbGab = g
â«âSÎŽ(4)[xâ y(Ï1; Ï2)]
[âya
âÏ0dÏ0 +
âya
âÏ1dÏ1
]. (105)
17
Nach dem Stokesschen Satz fĂŒr die Ebene gilt:
âbGab = âg
â«S
[âya
âÏ0
âÎŽ(4)(xâ y)
âÏ1â âya
âÏ1
âÎŽ(4)(xâ y)
âÏ0
]dÏ0dÏ1 = (106)
= âgâ«S
[âya
âÏ0
âyb
âÏ1â âya
âÏ1
âya
âÏ1
âyb
âÏ0
]ÎŽ(4)(xâ y)dÏ0dÏ1 = (107)
=â
âxbg
â«S
[âya
âÏ0
âyb
âÏ1â âya
âÏ1
âyb
âÏ0
]ÎŽ(4)(xâ y)dÏ0dÏ1 (108)
Dabei haben wir die Kettenregel angewandt und statt nach y nach x differenziert, d.h. manerhĂ€lt eine Lösung fĂŒr G zu
Gab(x) = g
â«S
[âya
âÏ0
âyb
âÏ1â âya
âÏ1
âyb
âÏ0
]ÎŽ(4)[xâ y(Ï0; Ï1)]dÏ0dÏ1. (109)
Wir haben oben die retardierte Greenfunktion G(x â xâČ) (83) fĂŒr die Wellengleichung her-geleitet. Wir wollen nun auch das oben angesetzte Feld A im Fall der Existenz von Polenberechnen. GemÀà (103) muĂ gelten:
(F â )cd = ΔabcdâaAb â 4Ï
cGcd. (110)
Falls nun keine elektrischen Ladungen vorhanden sind, gilt
âaFab = 0. (111)
Das ist eine IntegrabilitĂ€tsbedingung fĂŒr F â , d.h. es existiert, ein Vektorpotential B fĂŒr F â .Analog zum LiĂ©nard-Wiechert-Potential (88) gilt:
(F â )cd = âcBd â âdBc;Bd(x) =4Ï
cg
â«RG(xâ xâČ)dzd
dÏdÏ. (112)
Setzen wir das in (110) ein, so erhalten wir unter Verwendung von (109)
ΔabcdâaAb =
4Ïg
c
â«R
[âcG(xâ z)dzd
dÏâ âdG(xâ z)dzc
dÏ
]dÏ + (113)
+4Ïg
c
â«S
[âycâÏ0
âydâÏ1â âycâÏ1
âydâÏ0
]ÎŽ(4)(xâ y)dÏ1dÏ0. (114)
Benutzen wir wieder den Stokesschen Satz, ergibt sich
ΔabcdâaAb =
4Ï
cg
â«S
[âc
âG(xây)âÏ0
âydâÏ1â âc âG(xây)
âÏ1âydâÏ0
+
+âycâÏ0
âydâÏ1
2xG(xâ y)]dÏ1dÏ0 â (cd) (115)
Dabei soll (cd) derselbe Ausdruck mit vertauschten Indizes c und d sein. Differenziert man nunstatt nach x nach y und formt den Integranden um, findet man schlieĂlich nach nochmaligemVertauschen der Ableitungen
ΔabcdâaAb =
4Ïg
c
â«S
â2G(xâ y)
âykâyl
âymâÏ0
âynâÏ1
[ÎŽkdÎŽml ÎŽ
nc + ÎŽkc ÎŽ
md ÎŽ
nl + ÎŽkl ÎŽ
mc ÎŽ
nd â (cd)] = (116)
=4Ïg
cΔabcdΔ
bkmnâaâ«S
âG(xâ y)
âxkâymâÏ0
âynâÏ1
dÏ0dÏ1. (117)
18
Ein Vergleich mit dem obigen Ansatz ergibt die Darstellung
Ab =4Ïg
cΔbkmn
â«S
âG(xâ y)
âxkâymâÏ0
âynâÏ1
dÏ0dÏ1. (118)
Da die Feldgleichungen linear sind, gilt das Superpositionsprinzip, so daĂ man die BeitrĂ€geder elektrischen Ladungen (gegeben durch die LiĂ©nard-Wiechert-Potentiale) oder weiterer Poleaddieren kann. Damit ist gezeigt, daĂ die Dynamik der Felder, Ladungen und Pole eine in sichkonsistente Theorie bilden, die mit der Forderung nach Lorentzinvarianz vertrĂ€glich ist.Als nĂ€chsten Schritt haben wir den Lagrangeformalismus der Felder, Ladungen und Pole zuentwickeln. In Abschnitt 1 haben wir das Hamiltonsche Prinzip fĂŒr Felder entwickelt. DieLadungen lassen sich in diesen Formalismus einbringen, wenn man die durch sie erzeugtenStröme durch (73) ausdrĂŒckt und die Wirkung fĂŒr das freie Teilchen addiert. Die Wirkung desfreien Teilchens ist bekanntlich
I1 = âmc2â«dÏ. (119)
Im folgenden mĂŒssen wir zunĂ€chst die Stringvariablen y in den Lagrangeformalismus ein-arbeiten. Analog zur Bewegungsgleichung (76) fĂŒr Ladungen, muĂ sich gemÀà dem obigenDualitĂ€tsprinzip als Bewegungsgleichung fĂŒr Pole ergeben:
md2za
dÏ2=g
c(F â )abdzb
dÏ. (120)
Es ist klar, daĂ sich das allein dadurch erreichen lassen muĂ, daĂ man in (118) das entspre-chende Glied fĂŒr die Pole addiert und statt der klassischen Felder (103) einsetzt. Nach (34)haben wir
I2 = â 1
16Ï
â«R4
Fab(x)F ab(x)d4x (121)
als Wirkung des elektromagnetischen Feldes. Da F aber durch (19) definiert wird, beschreibtdiese Wirkung nicht mehr das freie Maxwellfeld sondern, wie wir im folgenden zeigen mĂŒssen,zusĂ€tzlich die Wirkung der Pole. Weiter ist die Wechselwirkung des elektrischen Viererstromszu berĂŒcksichtigen, die nach (34) wie folgt in die Gesamtwirkung eingeht.
I3 = ââe
e
c
â«RAa(z)
dzadÏ
dÏ. (122)
Wir haben nun zu zeigen, daĂ die Wirkung I = I1 + I2 + I3 die Bewegung der Pole undLadungen sowie die Dynamik der Felder richtig beschreibt. Dazu bilden wir die Variation derWirkung im Sinne des Hamiltonschen Prinzips. Dabei werden die Koordinaten der Teilchenund Strings sowie die Felder variiert. Es gilt
ÎŽI1 = âÎŽc2â« â
e+g
mdÏ. (123)
Da die Eigenzeit Ï nicht unabhĂ€ngig von den Koordinaten ist, fĂŒhren wir einen unabhĂ€ngi-gen Parameter λ fĂŒr die Weltlinie ein, fĂŒhren die Variation aus und kehren dann wieder zurEigenzeit als Parameter der Weltlinie zurĂŒck:
I1 = âcâ«R
âe+g
m
âdza
dλ
dzadλ
dλâ ÎŽI1 = c
â«R
âe+g
d
dλ
[dxadλ
âdxb
dλ
dzbdλ
â1]ÎŽzadλ. (124)
19
Dabei ist einmal partiell integriert worden. Geht man nun wieder zu Ï als Parameter ĂŒber,findet man
ÎŽI1 =âe+g
m
â«R
d2zadÏ2
ÎŽzadÏ. (125)
Auch der dritte Term ist aus der gewöhnlichen Elektrodynamik bekannt und seine Variationleicht ausfĂŒhrbar:
ÎŽI3 = ââe
e
c
â«R
[ÎŽAadza +Aa,bÎŽzbdza +Aa
dÎŽzad
Ï
]dÏ
= ââe
e
c
â«R
[(Aa,b âAb,a)ÎŽzb + ÎŽAa
] dzadÏ
dÏ.
(126)
Jetzt ist noch I2 zu variieren:
ÎŽI2 = â 1
16ÏÎŽ
â«R4
FabFabd4x = â 1
8Ï
â«R4
FabÎŽFabd4x. (127)
Wir setzen nun fĂŒr F den Ausdruck (103) ein:
ÎŽI2 = ââ«R
1
8ÏFab
[ÎŽ(âaAb â âbAa) +
g
2c(ÎŽGâ )ab
]d4x (128)
Der zweite Term ist nach (109):
ÎŽI22 = â g
2c
â«R4
(F â )abÎŽâ«S
[âya
âÏ0
âyb
âÏ1â âya
âÏ1
âyb
âÏ0
]ÎŽ(4)[xâ y(Ï0; Ï1)]dÏ0dÏ1d
4x = (129)
= âgc
â«R4
(F â )abÎŽâ«S
âya
âÏ0
âyb
âÏ1ÎŽ(4)[xâ y(Ï0; Ï1)]dÏ0dÏ1d
4x. (130)
Die AusfĂŒhrung der Variation des Integrals ĂŒber das Blatt ergibtâ«S
[âÎŽya
âÏ0
âyb
âÏ1+âya
âÏ0
âÎŽyb
âÏ1
]ÎŽ4(xâ y) +
âyaâÏ0
âyb
âÏ1
âÎŽ(4)(xâ y)
âycÎŽyc
dÏ0dÏ1. (131)
Wir setzen dies wieder in den Ausdruck fĂŒr ÎŽI22 ein, berechnen das Integral ĂŒber die ÎŽ-Distribution und vertauschen im letzten Term die Differentiation nach y mit der nach x:
ÎŽI2 = âgc
â«S
(F â )ab(y)
[âÎŽya
âÏ0
âyb
âÏ1+âya
âÏ0
âÎŽyb
âÏ1
]dÏ0dÏ1 + (132)
+g
c
â«R4
(F â )abâ«S
âya
âÏ0
âyb
âÏ1
âÎŽ(4)(xâ y)
âxcÎŽycdÏ0dÏ1d
4x. (133)
Nach partieller Integration des Terms in der zweiten Zeile erhalten wir
ÎŽI22 = âgc
â«S
(F â )ab(y)
[âÎŽya
âÏ0
âyb
âÏ1â âÎŽya
âÏ1
âyb
âÏ0
]dÏ0dÏ1 â
g
c
â«S
(F â )ab,c(y)âya
âÏ0ÎŽycdÏ0dÏ1 (134)
Der erste Term ist weiter umzuformen:
âgc
â«S
â[(F â )abÎŽya]
âÏ0
âyb
âÏ1â â[(F â )abÎŽya]
âÏ1
âyb
âÏ0â â(F â )ab
âÏ0
âyb
âÏ1ÎŽya +
â(F â )abâÏ1
âyb
âÏ0ÎŽyadÏ0dÏ1.
(135)
20
Die ersten beiden Terme lassen sich wieder nach dem Stokesschen Satz umformen (wobeiwieder beachtet wird, daĂ der Rand des Blattes S die Weltlinie des Pols ist):
âgc
â«âS
(F â )ab(z)dzb
dÏÎŽzadÏ â
â«S
(F â )ab,c[âyb
âÏ1
âyc
âÏ0â âyc
âÏ1
âyb
âÏ0
]ÎŽyadÏ0dÏ1
(136)
Setzen wir die gewonnenen Ergebnisse in die Variation von I2 ein, erhalten wir:
ÎŽI2 = â 1
4Ï
â«R4
âbFabÎŽAad4xâ g
c
â«âS
(F â )ab(z)dzb
dÏÎŽzadÏ â (137)
ââ«S
âyc
âÏ0
âyb
âÏ1ÎŽya [(F â )ab,c + (F â )bc,a + (F â )ca,b] dÏ0dÏ1
, (138)
wobei wir im letzten Term lediglich einige Umbenennungen in den Summationsindizes vorge-nommen haben.Die Bewegungs- bzw. Feldgleichungen erhĂ€lt man nun, indem man die Koeffizienten vor denunabhĂ€ngig voneinander zu variierenden Variablen null setzt:FĂŒr die Ladungskoordinaten folgt dann
md2zb
dÏ2=e
c(âbAa â âaAb)dza
dÏ. (139)
Das stimmt mit der in Abschnitt 1 gefundenen Bewegungsgleichung fĂŒr Ladungen ĂŒberein.Das ist aber offenbar nur dann die richtige Bewegungsgleichung, wenn Gab = 0 ist, d.h. wenndie Ladung nie einen zu einem Pol gehörigen String schneidet. Das ist der oben versprocheneBeweis fĂŒr das Dirac-Veto.FĂŒr die Polkoordinaten folgt
md2zadÏ2
=g
c(F â )ab
dzb
dÏ. (140)
Bzgl. der Stringvariablen erhÀlt man nur eine Bedingung an die Felder, keine Bewegungsglei-chung. Das war zu erwarten, weil der String keine Observable sein soll. Die Bedingung an dieFelder lautet:
(F â )ab,c + (F â )bc,a + (F â )ca,b = 0. (141)
Das lĂ€Ăt sich durch Dualisieren umschreiben zu
F cd,c = 0 (142)
Diese Gleichung gilt wiederum nur, wenn keine Ladung einen String schneidet.Damit ist gezeigt, daà es möglich ist, eine Elektrodynamik, in der magnetische Monopolemathematisch konsistent mit Hilfe der Strings zu formulieren.
4 Der kanonische Formalismus fĂŒr Teilchen und Pole
Wir verzichten im folgenden auf die im Artikel Diracs gegebene vollstÀndige Quantisierungder Teilchen und Felder. Wir beschrÀnken uns vielmehr auf die Quantisierung der Teilchenund behalten das elektromagnetische Feld als klassisches Feld bei. Das ist möglich, weil wir im
21
vorigen Paragraphen gesehen haben, daĂ die Feldvariablen und die Teilchenvariablen unab-hĂ€ngige dynamische Observable sind. Das Hauptargument fĂŒr die EinfĂŒhrung der Monopole,nĂ€mlich die Quantelung der elektrischen Ladung, lĂ€Ăt sich bereits von diesem Standpunkt ausgewinnen.ZunĂ€chst soll der Ăbergang vom Lagrange- zum Hamiltonformalismus fĂŒr Teilchen angegebenwerden, der hier benutzt werden soll. Wir verlassen zunĂ€chst den manifest kovarianten For-malismus, wie es fĂŒr die Hamiltonsche Theorie natĂŒrlich ist, da in ihr die Zeit ausgezeichnetwird. Die Wirkung schreibt sich dann als Zeitintegral ĂŒber die Lagrangefunktion:
I(q(t); t) =
â« t
t0
LdtâČ. (143)
Als dynamische Variablen werden zunĂ€chst die x und dx/dt zur Zeit t (obere Integrations-grenze des Integrationsintervalls!) aufgefaĂt. Wir bilden die totale Variation der x, die sichaus einer Variation der Bahn x(tâČ), die unabhĂ€ngig von der oberen Integrationsvariablen t ist,und einer Variation der oberen Integrationsvariablen t zusammensetzt:
â~x = ÎŽ~x+d~x
dtÎŽt. (144)
Daraus berechnet sich die totale Variation der Wirkung zu
âI =âI
â~xÎŽ~x+
âI
â d~xdt
d
dtÎŽ~x+
âI
âtÎŽt =
â« t
t0
[âL
â~xÎŽ~x+
âL
â d~xdt
d
dtÎŽ~x
]dtâČ + LÎŽt
=âL
â d~xdtâ~xâ
[âL
â d~xdtâ L
]ÎŽt
(145)
Nun werden die kanonisch konjugierten Impulse eingefĂŒhrt als die Koeffizienten von â~x unddie negative âEnergieâ âW als Koeffizient von ÎŽt:
~p =âL
â d~xdt=âI
â~x; W =
âL
â d~xdt
d~x
dtâ L = ~p
d~x
dtâ L = ââI
ât. (146)
Nun betrachten wir als einen Satz dynamischer Variabler ~x, ~p und W . Das sind bei einemSystem von f Freiheitsgraden im Konfigurationsraum 2f + 1 Variable. Da bei einem Systemvon gewöhnlichen Differentialgleichungen 1. Ordnung nur f erste Integrale existieren, kannder Phasenraum aber nur 2f Variable umfassen, d.h. es muà eine Beziehung der Form
H(~x; ~p; t)âW = 0 (147)
geben. H ist die Hamiltonfunktion. Betrachtet man (146) und (147) genauer, sieht man, daĂes sich um eine Legendretransformation von d~x/dt und L zugunsten von ~p und H handelt,daĂ also der Hamiltonformalismus mit dem Lagrangeformalismus Ă€quivalent ist. Setzt mandie Beziehungen aus (146) in (147) ein, erkennt man, daĂ die Wirkungsfunktion I eine Lösungder Hamilton-Jacobischen partiellen Differentialgleichung (HJDGL)
H
(~x;âS
â~x; t
)+â~S
ât= 0 (148)
22
ist. Als partielle Differentialgleichung in den f Variablen ~x hĂ€ngt jede Lösung S von f will-kĂŒrlichen Parametern (Integrationskonstanten αk, k = 1 . . . f) ab. In diesem Sinne kann S alsErzeugende einer kanonischen Transformation aufgefaĂt werden. FĂŒhrt man die Transformati-on durch, gelangt man zu einer verschwindenden Hamiltonfunktion in den neuen kanonischenVariablen. Infolgedessen sind diese neuen Variablen allesamt vermöge der Bewegung konstant.Die Hamiltonschen kanonischen Bewegungsgleichungen leiten sich wie ĂŒblich aus der Bildungdes totalen Differentials von H ab:
dH =âH
â~pd~p+
âH
â~xd~x+
âH
âtdt ⥠d~x
dt~dpâ d~p
dt~dxâ âL
âtdtâ (149)
d~x
dt=âH
â~p;d~p
dt= ââH
â~x;âH
ât= ââL
ât. (150)
Die Zeitableitung einer beliebigen Observable f(~x; ~p; t) ergibt sich zu
d
dtf(~x; ~p; t) =
âf
â~x
d~x
dt+âf
â~p
d~p
dt+âf
ât= f ;HPB +
âf
ât. (151)
Dabei ist die Poissonklammer (Poisson-Bracket) zwischen zwei Observablen f und g definiertzu
f ; gPB =âf
â~x
âg
â~pâ âf
â~p
âg
â~x. (152)
Die Bedeutung der Poissonklammern besteht darin, daà sie auf dem Raum der Phasenraum-felder eine Liealgebra bilden. Der Fluà des durch die Hamiltonschen kanonischen Gleichungengegebenen Gleichungssystems wird nach Gl. (151) von der Hamiltonfunktion erzeugt. Mankann die Liealgebra als Liealgebra der die kanonischen Transformationen (d.h. lokal sym-plektischen Transformationen) umfassenden Transformationsgruppe ansehen. Diese GruppeenthÀlt insbesondere die (stetig differenzierbaren) Symmetrietransformationen des dynami-schen Systems. Auf diese Weise hat man die Geometrie des Systems in invarianter Weisecharakterisiert. Die Poissonklammern zwischen ~x und ~p lauten, wie eine direkte Anwendungder Definition (152) unmittelbar zeigt:
xa; pbPB = ÎŽab; xa;xbPB = pa; pbPB = 0. (153)
Diese Poissonklammern zeigen, daĂ ~pÎŽ~a die infinitesimale Translation ~x â ~x + ÎŽ~a erzeugt.Dies ist dieselbe Aussage, die auch bereits beim Noethertheorem erörtert wurde.Die kanonische Quantisierung wird erfolgt nun dadurch, daĂ man die so formulierten Obser-vablen als Erzeugende der ihnen zugeordneten Transformationsgruppe ansieht und die Dar-stellungen der zu derselben gehörigen Liealgebra im Hilbertraum der quantenmechanischenZustĂ€nde betrachtet. Die reellen Observablen werden dabei durch hermitesche Operatoren re-prĂ€sentiert. Die mit i multiplizierten Observablen erzeugen dann unitĂ€re Darstellungen derTransformationsgruppe. Die Poissonklammerbeziehungen sind als Strukturrelationen der zurGruppe gehörigen Liealgebra zu lesen, d.h. in der Hilbertraumdarstellung durch Kommuta-torrelationen der Observablen gegeben. Damit ist der kanonische Formalismus dadurch ge-rechtfertigt, daĂ die die Geometrie charakterisierenden Transformationsgruppen homomorphin der als Hilbertraumtheorie formulierten Quantentheorie auftreten und das quantenmecha-nische Verhalten bestimmen. Insbesondere die Zeitentwicklung der ZustĂ€nde ist durch denHamiltonoperator gegeben (Propagatortheorie).
23
Um diese Ăberlegungen zur kanonischen Quantisierung auf die Teilchen und Pole anwendenzu können, haben wir zunĂ€chst in der oben allgemein besprochenen Weise vom Lagrange- zumHamiltonformalismus ĂŒberzugehen. FĂŒr die Wirkung der freien Teilchen und Pole und denWechselwirkungsterm der Ladungen mit dem Feld können wir unmittelbar Gl. (145) anwen-den, wobei wir das Integral nach der gewöhnlichen Zeit t (die vom gewĂ€hlten BezugssystemabhĂ€ngt) zu parametrisieren haben:
âI1 = ââ
[âe+gmc
2â« tt0
â1â
(1cd~xdt
)2dtâČ
]â âI1 =
âe+bm
d~xdÏ â~xâ mc2â
1âÎČ2(154)
mit ÎČ = 1c
âŁâŁâŁd~xd~t
âŁâŁâŁ (155)
Mit dem obigen Verfahren zur Identifikation der kanonischen Impulse und dem Energieintegralfinden wir:
~p1 = md~x
dÏ; W1 =
mc2â1â ÎČ2
. (156)
FĂŒr die Variation des Wechselwirkungspotentials einer Ladung mit dem elektromagnetischenFeld ergibt sich:
âI3 = âe
c
â« t
t0
AadzadÏ
dÏ =e
c~Aâ~z â eÏÎŽtâ ~p3 =
e
c~A; W3 = eÏ. (157)
Dabei haben wir uns wieder der allgemeinen Gleichung (145) bedient.Bei der Berechnung von âI2 muĂ das Verfahren abgewandelt werden um die relativistischeKovarianz zu sichern (sie tritt nicht mehr als Tensorformalismus auf!). Der vierdimensionaleBereich, ĂŒber den die Lagrangedichte integriert wird, wird mit einer raumartigen dreidimen-sionalen FlĂ€che Sp begrenzt. Eine raumartige FlĂ€che ist dadurch definiert, daĂ sie ĂŒberall einezeitartige Normale besitzt. Es werden nun die Stringvariablen variiert. Aus den Lagrangeglei-chungen, die aus der Variation der ĂŒber den unbegrenzten Raum erstreckten Integrale folgen,ergibt sich, daĂ bei der Integration der Variation âI2 alle Terme verschwinden auĂer denen,die sich bei der Anwendung des Stokesschen Satzes als Randintegral ĂŒber die Schnittliniedes Blattes mit Sp ergeben. Wir können nun (auĂer entlang der Weltlinie des Teilchens, wowir uns mit der Parametrisierung festgelegt haben) die Parametrisierung so wĂ€hlen, daĂ dieSchnittlinien durch Ï1 parametrisiert sind. Dann erhĂ€lt man schlieĂlich die besagte Variationzu
âI2âČ = âgc
â« â0
(F â )âabÎŽyaâyb
âÏ1dÏ1. (158)
Die kanonischen Impulse fĂŒr die Strings sind also durch Impulsdichten (Dichten bzgl. des We-gintegrals entlang des Strings, der als Schnitt mit der FlĂ€che Sp definiert ist, hier parametrisiertmit Ï1) gegeben:
ÎČa =g
c(F â )ba
âyb
âÏ1. (159)
Die Poissonklammern fĂŒr solche Variablen sind definiert durch
ya(Ï1); pb(Ï1âČ) = gabÎŽ(Ï1 â Ï1âČ). (160)
24
5 Die Quantisierung
Bevor wir uns mit der Quantisierung der oben entwickelten klassischen Theorie befassen,wollen wir uns kurz ĂŒber die Grundlagen der relativistischen Quantentheorie klar werden, dennwie nicht anders zu erwarten, ergeben sich bei der Quantisierung der klassisch relativistischenTheorie eine relativistische Quantentheorie.Wir betrachten zunĂ€chst noch einmal die Formulierung der nichtrelativistischen Quantentheo-rie, wobei wir die konkrete Darstellung der ZustĂ€nde als L2 Funktionen im Ortsraum (Orts-darstellung) und der Operatoren als Differential- bzw. Multiplikationsoperatoren verwenden.Wir wiederholen kurz die Interpretation der nichtrelativistischen Quantentheorie:
(1) Die Wellenfunktion ist eine Wahrscheinlichkeitsamplitude, d.h. die Wahrscheinlichkeit,ein Teilchen in einem Volumenelement dxdydz um den Punkt (x; y; z) zur Zeit t zufinden, ist |Ï(x; y; z; t)|2dxdydz.
(2) Die Zeitentwicklung der Wellenfunktion wird durch den Hamiltonoperator erzeugt:
~i
âÏ
ât= HÏ (161)
Die Wellenfunktion muà wegen der Wahrscheinlichkeitsinterpretation notwendig normierbarsein, und zwar in dem Sinne, daà diese Normierung mit der Zeitentwicklung, die durch dieSchrödingergleichung gegeben ist, nicht zerstört wird. Das ist in der Tat der Fall. Aus derHermitezitÀt des Hamiltonoperators folgt nÀmlich sofort:
â
ât
â«VÏâÏd3~x =
â«V
âÏâ
âtÏ + Ïâ
âÏ
âtd3~x =
=~
2mi
â«V
(ÏâÏâ â ÏââÏ)d3~x =~
2mi
â«V
~â(Ï~âÏâ â Ïâ~âÏ)d3~x
(162)
Definiert man nun einen Strom zu
~j =i~2m
(Ï~âÏâ â Ïâ~âÏ)â â
ât(ÏâÏ) + div~j = 0, (163)
haben wir eine KontinuitĂ€tsgleichung gewonnen, die in der ĂŒblichen Weise interpretiert werdenkann. Insbesondere ist das Raumintegral ĂŒber die positiv semidefinite Wahrscheinlichkeitsdich-te ÏâÏ mit der Zeit konstant, weil der Beitrag des Stromes nach dem Stokesschen Satz beider Integration ĂŒber die im Unendlichen gelegene OberflĂ€che verschwindet, d.h. die Wahr-scheinlichkeitsnormierung ist konsistent mit der Zeitentwicklung. Die KontinuitĂ€tsgleichunglĂ€Ăt sich physikalisch als Erhaltungssatz fĂŒr die Masse bzw. die Teilchenzahl deuten.Charakteristisch fĂŒr die relativistische Quantentheorie ist aber gerade das Versagen der ebengegebenen Wahrscheinlichkeitsinterpretation. Betrachten wir etwa die einfachste relativistischeWellengleichung, die wir unten noch nĂ€her herleiten werden, die Klein-Gordon-Gleichung fĂŒrdas freie Teilchen
pipiÏ = m2c2Ï; pi = i~âi. (164)
Dabei ist die Form dieser Gleichung durch reine InvarianzĂŒberlegungen zu rechtfertigen. Jederelativistische Wellenfunktion muĂ nĂ€mlich eine relativistisch kovariante GröĂe sein, d.h. sich
25
nach einer Darstellung der Lorentzgruppe transformieren. Die einfachste Möglichkeit fĂŒr dieWellenfunktion ist ein Skalar. Soll sie ein freies Teilchen beschreiben, muĂ die Wellenfunktioninvariant gegenĂŒber Translationen von Raum und Zeit sein (Erhaltung des Viererimpulsesnach dem Noethertheorem), d.h. bei DurchfĂŒhrung einer solchen Transformation darf sich dieWellenfunktion nur mit einem Phasenfaktor multiplizieren. Das kann aber nur die ebene Welleleisten:
Ï = N exp(âipixi
~). (165)
Dabei ist der Impulsoperator ein Differentialoperator bzgl. der Raumzeitkoordinaten, weil erinfinitesimaler Erzeugendenoperator von Raum-Zeittranslationen ist (s.o.). Betrachtet mandie Klein-Gordongleichung, zeigt sich in der Tat, daĂ die ebene Welle, die ein Teilchen mitkonstantem Impuls und konstanter Energie (eben ein freies Teilchen) beschreibt, zur richtigenEnergie-Impulsbeziehung dieses freien Teilchens fĂŒhrt.Betrachten wir in Analogie zur Stromdichte der nichtrelativistischen Quantenmechanik dieGröĂe
Ja = i[ÏââaÏ â ÏâaÏâ], (166)
so ergibt sich fĂŒr diese GröĂe aus der Klein-Gordon-Gleichung eine KontinuitĂ€tsgleichung derobigen Form. Die Nullkomponente ist jedoch nicht mit |Ï|2 identisch, so daĂ aufgrund derKontinuitĂ€tsgleichung der Stromdichte |Ï|2 nicht zeitlich konstant und demzufolge nicht alsWahrscheinlichkeitsdichte fĂŒr die Lokalisierung eines Teilchens interpretierbar ist. Anders aus-gedrĂŒckt ist die Erhaltung der Teilchenzahl in einer nichtrelativistischen Theorie nicht mehrgegeben, was damit zusammenhĂ€ngt, daĂ in relativistischen Theorien nicht die Ruhemasse fĂŒrsich sondern die Gesamtenergie des Systems, zu der auch die Ruheenergie zĂ€hlt, eine Erhal-tungsgröĂe ist. Eine relativistische Theorie ist demzufolge notwendig eine Vielteilchentheorie.Die mit der obigen Stromdichte formulierte KontinuitĂ€tsgleichung muĂ als Erhaltungssatzeiner Ladung (z.B. der elektrischen Ladung) interpretiert werden.Behandelt man die Vielteilchentheorie, die durch Anwendung des Verfahrens der zweitenQuantisierung des Klein-Gordon-Feldes Ï entsteht, so hat man eine weitere Schwierigkeitzu beheben:Grundlösung der Gleichung fĂŒr das freie Teilchen sind ebene Wellen der Form exp(ipx/~).Die dem Teilchen zugeordnete Energie Δ muĂ lediglich der Gleichung Δ2 = pαpαc
2 + (mc2)2
genĂŒgen. Das folgt zwanglos aus der Klein-Gordon-Gleichung, wenn man nach dem Quadratdes Hamiltonoperators
H2Ï = â~2â2
ât2Ï = c2(m2c2 â ~2â)Ï (167)
auflöst. Die Lösungen dieser Gleichung sind aber gegeben durch
Ï(+)p = A exp
(i~p~xâ Δt
~
);Ï(â)
p = B exp
(i~p~x+ Δt
~
). (168)
Die zweite Lösung bereitet in ihrer Interpretation insofern Probleme als ihr ein Teilchen mitnegativer Energie entspricht (Δ ist als die positive Wurzel der obigen Gleichung vorausge-setzt). Bei der Entwicklung des Operators der Wellenfunktion der zweiten Quantisierung kannman dieses Problem dadurch beheben, daĂ man den Erzeugungsoperator der Teilchen, diezu solchen Fourierkomponenten mit negativer Energie gehören, als Vernichtungsoperator vonanderen Teilchen positiver Energie interpretiert (Feynman-StĂŒckelberg-Formalismus). Dieseandere Teilchensorte stellt das Antiteilchen zu den betrachteten Teilchen dar.
26
Ein weiteres Ergebnis der relativistischen Quantentheorie sei hier nur qualitativ erörtert. Stelltman eine Lagrangetheorie der freien Klein-Gordon-Gleichung auf, so erhĂ€lt man durch Berech-nung des kanonischen Energie-Impulstensors fĂŒr die Energie des Feldes eine positiv definiteGröĂe, so wie es sein muĂ. Wendet man diese Definition der Energie beim quantisierten Feldan, so erkennt man, daĂ nur die zweite Quantisierung mit Kommutatorregeln zu einer positivdefiniten Gesamtenergie der Teilchen und Antiteilchen fĂŒhrt. Die Teilchen vom Spin 0 sind alsonotwendig Bosonen. Eine Quantisierung nach Antikommutatoren fĂŒhrt zu einer nicht positivdefiniten Gesamtenergie des Systems und ist somit nicht konsistent mit der physikalischen In-terpretation der Vielteilchentheorie. Dies ist Ausdruck des Spin-Statistik-Theorems, das vonPauli 1940 erstmals bewiesen wurde. Demnach mĂŒssen Teilchen mit ganzzahligen Spins Bo-sonen, mit halbzahligen Spins Fermionen sein. Dieser Sachverhalt war lange vor dem Beweisdes Theorems empirisch bekannt und muĂ in der nichtrelativistischen Quantentheorie als zu-sĂ€tzliche Annahme eingefĂŒhrt werden, denn die zweite Quantisierung des Schrödingerfeldeskann sowohl mit Kommutator- als auch mit Antikommutatorregeln konsistent durchgefĂŒhrtwerden.Nach diesem Ausflug in die relativistische Quantenmechanik kehren wir zu unserer Betrach-tung der Teilchen und Pole zurĂŒck, wobei wir das elektromagnetische Feld, wie bereits obenerwĂ€hnt, nicht quantisieren, also als klassisches Feld in der Theorie weiterverwenden wol-len. Dies ist der Standpunkt, den wir auch bisher in der nichtrelativistischen Quantentheoriebenutzt haben. Wie oben bereits angedeutet, ergibt sich als Operator fĂŒr pa in der Ortsdar-stellung des Hilbertraums:
pa =~iâa =
~i
â
âxa, (169)
weil die Viererimpulse Translationen in Raum und Zeit erzeugen. Es ist leicht nachzurechnen,daĂ diese Operatoren die kanonischen Vertauschungsrelationen, die wir als die Poissonklam-mern (153) der klassischen Theorie formuliert haben, erfĂŒllen. FĂŒr die Ladungen folgt, wennwir hier die Teilchen als skalare Bosonen betrachten (also skalare Wellenfunktionen benutzen):
(pa â e
cAa)(pa â
e
cAa)Ï = (mc)2Ï â
[(~iâa â e
cAa)(
~iâae
cAa)âm2c2
]Ï = 0. (170)
Man erhĂ€lt also die bereits oben betrachtete Klein-Gordon-Gleichung, allerdings unter BerĂŒck-sichtigung der Wirkung des klassischen Maxwellfeldes. Die Feldgleichung fĂŒr die Pole sieht aufden ersten Blick wie fĂŒr die des freien Teilchens aus:[(
~iâa)(
~iâa
)âm2c2
]Ï = 0â (~22 +m2c2)Ï = 0. (171)
Dazu kommt aber noch die Gleichung fĂŒr die Strings. Die Stringvariablen sind als kontinuierli-che Zahl von Parametern (parametrisiert durch Ï1) anzusehen. Das haben wir schon beim obenbei der Herleitung Hamiltonformalismusâ gesehen, wo sich die ÎČi als Impulsdichten ergaben.Man hat die Wirkung dieser Dichten also durch die sog. Funktionalableitung zu definieren. Istalso f die Dichte einer GröĂe F , so definiert man als Funktionalableitung von F
ÎŽF
ÎŽya=
âf
âya. (172)
Die Dichte der Wellenfunktion istΚΎ(Ï1 â Ï1âČ). (173)
27
Man erhĂ€lt damit als Gleichung fĂŒr die Strings
~i
ÎŽÏ
ÎŽya=g
c(F â )ba
âya
âÏ1Ï, (174)
wie man unmittelbar der Definition (159) fĂŒr die Impulsdichten der Strings entnimmt.Wir kommen nun zu der wesentlichen Folgerung aus der Annahme der Existenz der Pole.Dazu deformieren wir den String in der oben definierten raumartigen FlĂ€che. Aus der klassi-schen Elektrodynamik ist klar, daĂ eine Deformation des Strings nur eine Eichtransformationder Felder bewirken kann. Wir deformieren den String in der beim Ăbergang zum Hamil-tonformalismus eingefĂŒhrten dreidimensionalen raumartigen FlĂ€che, so daĂ er am Ende desDeformationsprozesses wieder auf den alten String zu liegen kommt. Der vorigen Gleichungentnimmt man unmittelbar, daĂ dann
~i
â
âybÏ|Ï1=0 =
â«g
c(F â )ba
dya
dÏ1dÏ1Ï â ln
(ÏâČ
Ï
)= â gi
2~c
â«Ï(F â )badÏba (175)
sein muĂ. Dabei ist Ï die von der Stringdeformation umschlossene FlĂ€che und dÏab ihr an-tisymmetrisches FlĂ€chenelement. WĂ€hlt man die raumartige FlĂ€che senkrecht zur Zeitachse,erkennt man, daĂ es sich bei dem Integral um das FluĂintegral des elektrischen Feldes handelt,also 4Ïe ergibt, falls die FlĂ€che eine Ladung e enthĂ€lt. In diesem Falle Ă€ndert sich Ï also umeinen Phasenfaktor:
ÏâČ = Ï exp
(4Ïieg
~c
). (176)
Damit Ï eindeutig ist, muĂ also gelten
eg =n
2~c mit n â Z, (177)
d.h. aus der Existenz eines Pols folgt die Quantelung der elektrischen Ladung. Das ist deshalbso bemerkenswert, weil man auĂer der Diracschen Hypothese der Existenz magnetischer Mo-nopole (einer im Universum wĂŒrde auch schon reichen!) keine andere theoretische ErklĂ€rungfĂŒr dieses PhĂ€nomen gefunden hat.
6 Eichtheoretischer Zugang zur Quantisierung der Ladung
Im folgenden soll die Quantisierung der Ladung bei Existenz magnetischer Monopole unterVermeidung des bisher benutzten Konzepts des Strings hergeleitet werden.Dazu betrachten wir einen im Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems (wir verwendenim folgenden den Dreierformalismus) ruhenden magnetischen Monopol mit der magnetischenLadung g. Wie wir bereits in §2 im AnschluĂ an die diese Situation beschreibende Gleichung(100) bemerkt haben, gilt wegen des GauĂschen Satzes (wie bei der analogen Situation beimelektrischen Feld) fĂŒr jedes Volumen V , das den Monopol enthĂ€lt:â«
âV
~Bd~S = 4Ïg. (178)
Ein solches Feld kann nicht von einem in ganz R3 definierten, singularitĂ€tenfreien Vektorpo-tential als Rotation dargestellt werden, denn fĂŒr ein solches Vektorpotential mĂŒĂte gelten:
28
â«âV
~Bd~S =
â«âV
rot ~Ad~S =
â«V
divrot ~Ad3~x = 0 (179)
im Widerspruch zu (178).Um dieses Problem zu umgehen (und die EinfĂŒhrung von singulĂ€ren Linien (Strings) zu ver-meiden), nutzen wir die Eichfreiheit des Vektorpotentials aus und definieren in zwei ĂŒberlap-penden Gebieten G1 und G2, die gemeinsam den R3 ĂŒberdecken, Vektorpotentiale ~A1 und ~A2,die sich gemĂ€Ă
~A1 = ~A2 â âÏ (180)
um den Gradienten eines Eichfeldes Ï unterscheiden. Wir verlangen weiter, daĂ die Potentialein ihrem Gebiet singularitĂ€tenfrei sind. Aus diesen Forderungen können wir nun ~A1 und ~A2
bestimmen.Entsprechend dem elektrostatischen Fall folgt aus Gl. (100), daĂ das vom Monopol erzeugteMagnetfeld die Form
~B =g
r2r mit r =
~r
r(181)
besitzt. Die Rotation schreibt sich in Kugelkoordinaten r;Ï;Ï
g
r2=
1
r sinÏ
[â
âÏ(AÏ sinÏ)â âAÏ
âÏ
],
0 =1
r sinÏ
âArâÏâ 1
r
â
âr(rAÏ),
0 =1
r
[â
âr(rAÏ)â âAr
âÏ
].
(182)
Wir können nun wegen der Eichfreiheit des Potentials ~B â„ ~A verlangen, also Ar = 0 setzen.Damit folgt aus den beiden letzten Gleichungen, daĂ AÏ, AÏ â 1/r oder 0 sind. Wir versuchennun den Ansatz AÏ = 0. Wir werden sehen, daĂ dieser Ansatz eine einfache Kartierung desR3, d.h. die Wahl der Gebiete G1 und G2, erlaubt. Aus der ersten Gleichung von (182) ergibtsich mit diesem Ansatz die Bestimmungsgleichung fĂŒr AÏ:
g
rsinÏ =
â
âÏ(AÏ sinÏ). (183)
Als Lösung ergibt sich das Vektorpotential
~A = g
[k â cosÏ
r sinÏ
]Ï (184)
mit einer Integrationskonstanten k, deren Wahl einer speziellen Eichung entspricht. Die Wahlvon k = ±1 erlaubt es uns, je ein Vektorpotential zu erhalten, das fĂŒr Ï = 0 bzw. Ï = ÏsingulĂ€r ist. Entsprechend wĂ€hlen wir die Gebiete G1 und G2 so, daĂ G1 : 0 â€ Ï < Ï/2 + ÎŽund G2 : Ï/2â ÎŽ < Ï â€ Ï sowie die dazugehörigen Vektorpotentiale wie folgt:
~A1 = g
[1â cosÏ
r sinÏ
]Ï; ~A2 = âg
[1 + cosÏ
r sinÏ
]Ï (185)
Diese Gebiete besitzen die in Abb. 4 gezeigte Gestalt.
29
G1
G2
~xÏ
xy-Ebene
2ÎŽ
z
Abbildung 4: Zur Wahl der KartenG1 undG2 zur Ăberdeckung des R3 und der entsprechendenzu einem im Ursprung des Koordinatensystems ruhenden magnetischen Monopol gehörigenVektorpotentiale ~A1 und ~A2.
Das Eichfeld, das die beiden Vektorpotentiale im Ăberlappungsbereich der beiden Regionenverbindet, ist damit zu wĂ€hlen als:
âÏ =â2g
r sinÏÏâ Ï = â2gÏ. (186)
Um nun zu unserem Ziel, der Quantisierung der elektrischen Ladung, zu gelangen, betrachtenwir das Verhalten der quantenmechanischen GröĂen unter Eichtransformationen.Der Hamiltonoperator fĂŒr ein Teilchen der Ladung e im Feld des Monopols lautet:
H =1
2m(~pâ e
c~A)2. (187)
Eine Eichtransformation ~Aâ ~A+ ~âÏ darf die Physik nicht Ă€ndern, d.h. zwischen den ZustĂ€n-den |Ïă des nichttransformierten und |ÏâČă des transformierten Systems muĂ es eine unitĂ€reTransformation Δ geben mit
|ÏâČă = Δ|Ïă. (188)
DemgemÀà transformiert sich der Hamiltonoperator unitÀr:
Δâ H âČΔ =1
2mΔâ (~pâ e
c~AâČ)2Δ =
1
2m[Δâ (~pâ e
c~AâČ)Δ]2 =
1
2m(~pâ e
c~A)2 = H. (189)
Setzen wir nun Δ = exp[if(x)], so folgt:
Δâ (pâ e
c~Aâ e
câÏ)Δ =
~iâf + ~pâ e
c~A+
e
câÏ !
= ~pâ e
c~Aâ f = â e
~cÏ. (190)
30
Dabei wurde die Vertauschungsregel fĂŒr Operatorfunktion von ~x mit dem Impulsoperator ~pverwandt. Die unitĂ€re Transformation ist also durch die folgende (lokale) Phasentransforma-tion gegeben:
Δ = exp
[â ie~cÏ(~x)
]. (191)
Im Ăberlappungsbereich der beiden Karten des R3 transformieren sich also die Zustandsketsunter Anwendung von (186) gemÀà (191):
Δ = exp
[â ie~cÏ(~x)
]; |Ï2ă = Δ|Ï1ă. (192)
DurchlĂ€uft man nun im Ăberlappungsbereich eine geschlossene Kurve um die z-Achse (z.B.einen Kreis in der Ebene Ï = Ï/2) n-mal (n â N), so Ă€ndert sich Ï um 2Ïn. Wegen derEindeutigkeit des Zustandskets im Ăberlappungsbereich muĂ aber fĂŒr diesen Fall Δ = 1 werden,d.h. die Phase muĂ ein ganzzahliges Vielfaches von 2Ï sein:
exp
[2ige
~c2Ïn
]= 1â 2eg
~câ Z (193)
Damit haben wir wieder die bereits in Abschnitt 4 hergeleitete Quantisierung der elektrischenLadung e bei gegebener MonopolstĂ€rke g gefunden.Es soll hier nur bemerkt werden, daĂ das Konzept der Eichfelder ein wichtiges Werkzeug in derQuantenfeldtheorie und der Theorie der Elementarteilchen darstellt. Dabei werden allgemeinekompakte i.a. nichtkommutative Eichgruppen und deren Algebren betrachtet. Die Elektrody-namik stellt in diesem Sinne die spezielle Eichfeldtheorie dar, die aus der Verwendung derU[1] (die isomorph zur mit der Menge aller komplexen Zahlen vom Betrag 1 und der Multi-plikation gebildeten Kreisgruppe ist) als (abelsche=kommutative) Eichgruppe resultiert. Dieentsprechende quantisierte Theorie fĂŒhrt zur Quantenelektrodynamik. Kompliziertere Grup-pen fĂŒhren zu anderen wichtigen Theorien, z.B. die Gruppe U[1] Ă SU[2] zum Standardmodellder elektroschwachen Wechselwirkung und die SU[3] zur Quantenchromodynamik.
Literatur
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