Результаты табл. 16.5 и уравнения (16.54) мы получили, воспользовавшись тем, что дейтрон состоит из нейтрона и протона. Правильность уравнений не зависит от этого особого обстоятельства. Для любого объекта со спином 1, объединяемого с объектом со спином 1/2, законы объединения (и коэффициенты) одни и те же. Совокупность уравнений в табл. 16.5 означает, что если система координат поворачивается, скажем, вокруг оси у, так что состояния частицы со спином 1/2и частицы со спином 1 изменяются согласно табл. 16.1 и 16.2, то линейные комбинации по правую сторону знака равенства будут изменяться так, как это свойственно объекту со спином 3/2. При таком же повороте состояния (16.54) будут меняться как состояния объекта со спином 1/2. Результаты зависят только от свойств относительно поворотов (т. е. от спиновых состояний) двух исходных частиц, но отнюдь не от происхождения их моментов количества движения. Мы этим происхождением воспользовались лишь для вывода формул, выбрав частный случай, в котором одна из составных частей сама состоит из двух частиц со спином 1/2 в симметричном состоянии. Все наши результаты мы свели в табл. 16.6, изменив индексы е и d на а и b, чтобы подчеркнуть их общность.
Таблица 16.6 · ОБЪЕДИНЕНИЕ ЧАСТИЦЫ СО СПИНОМ 1/2( ja=1/2) С ЧАСТИЦЕЙ СО СПИНОМ 1 (jb=1)
Поставим теперь себе общую задачу найти состояния, которые можно образовать, объединяя два объекта с произвольными спинами. Скажем, у одного спин ja(так что его z-компонента mа пробегает 2jа+1 значений от -jaдо +ja, а у другого jb(с z-компонентой mb, пробегающей значения от - jbдо+jb).
Объединенные состояния суть | а, mа; b, mb>, их всего (2ja+1)(2jb+1). Какие же состояния с полным спином / мы обнаружим?
Полная z-компонента М момента количества движения равняется mа+mb, и все состояния можно перечислить, опираясь на величину М [как в (16.42)]. Наибольшое М является единственным; оно отвечает значениям ma=jaи mb=jbи равно попросту ja+jb. Это означает, что наибольший полный спин J также равен сумме jа+jb:
J=Ммакс=ja+jb.
Следующему значению М, меньшему чем Ммакс на единицу, будут соответствовать два состояния (либо mа, либо mbменьше своих максимальных значений на единицу). Из них должно быть образовано одно состояние, принадлежащее совокупности с J=ja+jb, и останется еще одно, которое будет принадлежать новой совокупности с J=ja+jb-1. Следующее значение М (третье сверху) можно составить тремя путями (из ma=ja — 2, mb=jb, из ma=ja-1, mb=jb-1 и из ma=ja, mb=jb -2). Два из них принадлежат к уже начавшим составляться группам; третье говорит нам, что надо включить в рассмотрение и состояния с J=ja+jb-2. Такие рассуждения будут продолжаться до тех пор, пока уже нельзя будет, меняя то одно, то другое т, получать новые состояния.
Пусть из jаи jbменьшим является jb(а если они одинаковы, возьмите любое из них); тогда понадобятся только 2jb значений полного спина J, идущих единичными шагами от jа+jb вниз к jа-jb. Иначе говоря, когда объединяются два объекта со спинами jа и jb, то полный момент количества движения J их системы может равняться одному из значений:
(Написав | ja-jb|вместо ja-jb, мы можем избежать напоминания о том, что jaіjb.)
Для каждого из этих значений J имеется 2J+1 состояний с различными значениями М; М меняется от +J до -J. Каждое из них образовано из линейных комбинаций исходных состояний | а, mа; b, mb> с соответствующими коэффициентами — коэффициентами Клебша — Гордона для каждого отдельного члена. Можно считать, что эти коэффициенты дают «количество» состояния | ja, ma; jb, mb>, проявляющегося в состоянии
Таблица 16.7 ·ОБЪЕДИНЕНИЕ ДВУХ ЧАСТИЦ СО СПИНОМ 1 (ja=1, jb=1)
I /, My. Так что каждый из коэффициентов Клебша — Гордона обладает, если угодно, шестью индексами, указывающими его положение в формулах типа приведенных в табл. 16.3 и 16.6. Иначе говоря, обозначая, скажем, эти коэффициенты С (J, М; ja, ma; jb, mb), можно выразить равенство во второй строчке табл. 16.6 так:
Мы не будем здесь подсчитывать коэффициенты для других частных случаев. Но вы обнаружите такие таблицы во многих книжках. Попробуйте сами подсчитать другой случай, например объединение двух объектов со спином 1. Мы же просто привели в табл. 16.7 окончательный результат.
Эти законы объединения моментов количества движения имеют очень важное значение в физике частиц, их приложениям поистине нет конца. К сожалению, у нас нет сейчас больше времени на другие примеры.
Добавление 1. Вывод матрицы поворота
Для тех, кто хотел бы разобраться в этом поподробнее, мы вычислим сейчас общую матрицу поворота для системы со спином (полным моментом количества движения) j. В расчете общего случая на самом деле большой необходимости нет; важно понять идею, а все результаты вы сможете найти в таблицах, которые приводятся во многих книжках. Но, с другой стороны, вы зашли уже так далеко, что у вас, естественно, может возникнуть желание убедиться, что вы и впрямь в состоянии понять даже столь сложные формулы квантовой механики, как (16.35).