An Exact Quantum Theory of the Time-Dependent Harmonic Oscillator and of a Charged Particle in a Time-Dependent Electromagnetic Field

哈密顿量(控制论) 物理 电磁场 谐振子 特征向量 量子谐振子 量子力学 薛定谔方程 绝热不变量 经典力学 绝热过程 数学 数学优化
作者
Harry R. Lewis,W. B. Riesenfeld
出处
期刊:Journal of Mathematical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:10 (8): 1458-1473 被引量:1684
标识
DOI:10.1063/1.1664991
摘要

The theory of explicitly time-dependent invariants is developed for quantum systems whose Hamiltonians are explicitly time dependent. The central feature of the discussion is the derivation of a simple relation between eigenstates of such an invariant and solutions of the Schrödinger equation. As a specific well-posed application of the general theory, the case of a general Hamiltonian which settles into constant operators in the sufficiently remote past and future is treated and, in particular, the transition amplitude connecting any initial state in the remote past to any final state in the remote future is calculated in terms of eigenstates of the invariant. Two special physical systems are treated in detail: an arbitrarily time-dependent harmonic oscillator and a charged particle moving in the classical, axially symmetric electromagnetic field consisting of an arbitrarily time-dependent, uniform magnetic field, the associated induced electric field, and the electric field due to an arbitrarily time-dependent uniform charge distribution. A class of explicitly time-dependent invariants is derived for both of these systems, and the eigenvalues and eigenstates of the invariants are calculated explicitly by operator methods. The explicit connection between these eigenstates and solutions of the Schrödinger equation is also calculated. The results for the oscillator are used to obtain explicit formulas for the transition amplitude. The usual sudden and adiabatic approximations are deduced as limiting cases of the exact formulas.
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