ウィグナー・エッカルトの定理の証明

こんにちは。 山師です。
最近は研究で忙しく、ブログを更新できていませんでした。 6月も末になり、ようやく時間に余裕ができたので、また物理に関する記事を書こうと思います。 今回は長らくサボっていたウィグナー・エッカルトの定理 (Wigner-Eckart theorem) の証明です。

ウィグナー・エッカルトの定理とは何か

ウィグナー・エッカルトの定理については、以前の記事で書きました。 ここでは、ウィグナー・エッカルトの定理の言っていることを再掲します。

既約テンソル演算子 (irreducible tensor operator) Tkq があったとき、その角運動量についての行列要素は、クレプシュ・ゴルダン係数 (Clebsch-Gordan coefficients) とある定数とを用いて、次のように表すことができます。 τJM|Tkq|τJM=12J+1τJ||Tk||τJJMkq|JM ここで、τJ||Tk||τJ は縮約行列要素 (reduced matrix element) と呼ばれる定数です。 縮約行列要素は、MMqには依存しません。

このように、MMqに依存する部分をすべてクレプシュ・ゴルダン係数に押し込めることができるのが、ウィグナー・エッカルトの定理のもっとも重要な部分です。

仮定

ウィグナー・エッカルトの定理が適用できるためには、Tkq が既約テンソル演算子である必要があります。 ここでは、既約テンソル演算子を次のように定義します。 kを0以上の整数としたとき、k階の既約テンソル演算子とは、2k+1 個の演算子 Tkq (q=k,k+1,,k) の集まりであって、交換関係 {[Jz,Tkq]=qTkq[J±,Tkq]=k(k+1)q(q±1)Tkq±1 を満たすものをいいます[1]この定義は、Budker、Kimball、DeMille『Atomic Physics』による。。 ただし、J±=Jx±iJy は昇降演算子です。

証明

それでは、ウィグナー・エッカルトの定理を証明してみましょう。 証明は基本的にはメシア[2]メシア『量子力学』第13章によります。 なお、以下では簡単のため、=1 とします。

まず、(2k+1)(2J+1)個のベクトル Tkq|JM を考えましょう。 いささか天下り式ですが、これらのベクトルの線型結合 |AJM を次のように作ってみます。 |AJM=MqTkq|JMJMkq|JM クレプシュ・ゴルダン係数の直交関係より Tkq|JM=JM|AJMJMkq|JM が成り立ちます。

さて、Tkq|JM に角運動量演算子を作用させてみましょう。 まず、J+ を作用させると、 J+Tkq|JM=[J+,Tkq]|JM+TkqJ+|JM=k(k+1)q(q+1)Tk(q+1)|JM+J(J+1)M(M+1)Tkq|J(M+1) これより、J+|AJM=Mq[k(k+1)q(q+1)Tk(q+1)|JM+J(J+1)M(M+1)Tkq|J(M+1)]JMkq|JM=Mq[k(k+1)(q1)q)JMk(q1)|JM+J(J+1)(M1)MJ(M1)kq|JM]Tkq|JM が得られます。 最後の行ではqおよびMを1つずつずらしました。 ここで、かっこ内にクレプシュ・ゴルダン係数に関する漸化式 j(j+1)m(m+1)j1m1j2m2|j(m+1)=j1(j1+1)(m11)m1j1(m11)j2m2|jm+j2(j2+1)(m21)m2j1m1j2(m21)|jm を適用すると、J+|AJM=J(J+1)M(M+1)MqJMkq|J(M+1)Tkq|JM=J(J+1)M(M+1)|AJ(M+1) が得られます。 同じような計算で、 J|AJM=J(J+1)M(M1)|AJ(M1)Jz|AJM=M|AJM が成り立つことがわかります。

以上の結果から、|AJM は角運動量 (J,M) を持つ (規格化されていない) 固有関数である (さもなくば恒等的に0である) ことがわかります。 したがって、内積に関して JM|AJM=Ck(J,J)δJJδMM が成り立ちます。 ここで、定数 CkMおよびMに依存しません。 もし依存したとするなら、昇降演算子によってMを変化させるときに余分な定数が出てくるので、上述の関係式が成り立たなくなってしまいます。 よって、JM|Tkq|JM=JMCk(J,J)δJJδMMJMkq|JM=Ck(J,J)JMkq|JM が成り立ち、Ck(J,J)2J+1=J||Tk||J を縮約行列要素と呼びます。

まとめ

この記事では、ウィグナー・エッカルトの定理の証明について書きました。 既約テンソル演算子に対しては、クレプシュ・ゴルダン係数の漸化式をうまく使うことができるため、このような美しい定理が成り立ちます。 ウィグナー・エッカルトの応用については、拙ブログの過去記事を参照してください。

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脚注

脚注
1 この定義は、Budker、Kimball、DeMille『Atomic Physics』による。
2 メシア『量子力学』第13章

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