Квантовая механика с нелинейной суперсимметрией для одномерных эрмитовых и неэрмитовых гамильтонианов

Суперсимметричная квантовая механика (СУСИ КМ) возникла в задачах суперсимметричной теории поля [1] для описания таких сложных проблем как спонтанное нарушение суперсимметрии, свойства вакуума и т. д. [2, 3]. Впоследствии СУСИ КМ получила самостоятельное развитие как конструктивный метод нахождения новых квантовых систем с (почти) совпадающими спектральными характеристиками (изоспектральных систем) без использования методов теории возмущений [4] - [7] (см. также обзоры [8] - [12] и ссылки в них). В частности, алгебра суперсимметрии и её дифференциальная реализация в квантовой механике позволяют строить гамильтонианы с заданными спектром [13,14], данными рассеяния [15] - [19] или формой потенциала [20, 21], находить скрытые динамические симметрии [22] - [24], а также искать новые точно или почти точно [25, 26] решаемые задачи в квантовой механике [9] - [11], [22, 24], [27] - [32]. В последнее десятилетие значительный интерес вызвало обобщение стандартной СУСИ КМ на основе нелинейной (в частности, полиномиальной или .?У-образной (ЛМюЫ)) алгебры суперсимметрии [33] - [45], которая является естественной формой реализации лестничной [13, 14] или цепной [46, 47] конструкций.

Одной из основных конструкций СУСИ КМ, обеспечивающей (почти) изо-спектральность рассматриваемых в СУСИ КМ квантовых систем, являются преобразования Дарбу [48], использовавшиеся поначалу в математике [49] -[52]. Разложение гамильтониана в произведение дифференциальных операторов Дарбу первого порядка, из которого очевидным образом следуют простейшие преобразования Дарбу, можно найти в работе Шрёдингера [53, 54].

Конструкции суперсимметричной квантовой механики применимы как к эрмитовым гамильтонианам с вещественными потенциалами, так и к неэрмитовым гамильтонианам с комплексными потенциалами [55, 56]. Последние обычно используются для описания открытых систем с неполной информацией о влиянии окружающей среды. Такой вид эффективного описания применяется многие годы в физике конденсированных сред и квантовой оптике, а также в физике адронов и ядерной физике [57] - [61]. В последние годы интенсивно ведутся исследования по нестандартным представлениям квантовой механики таким как РТ-симметричная квантовая механика [62] - [68] и обобщающая её квантовая механика псевдоэрмитовых гамильтонианов [69, 70], в которых рассматриваются неэрмитовы гамильтонианы с вещественным спектром. Недавно были найдены интересные примеры неэрмитовых эффективных гамильтонианов для квантовой задачи многих тел [71, 72]. Несамосопряжённые операторы и, в частности, неэрмитовы гамильтонианы изучаются также и в математике [73] - [77].

В суперсимметричной квантовой механике важную роль играет антикоммутатор суперзарядов. В [44] была доказана теорема, в соответствии с которой в случае с эрмитовым супергамильтонианом каждый из диагональных элементов антикоммутатора суперзарядов, связанных сопряжением, представляет собой сумму многочлена от соответствующего гамильтониана (причём для разных элементов многочлены могут быть разными) и, вообще говоря, оператора симметрии меньшего порядка. При этом оставалось неясным, каким образом указанные операторы симметрии зависели от гамильтонианов и какие ограничения первые накладывали на вторых. Кроме того эта теорема неприменима к случаю с неэрмитовым супергамильтонианом, поскольку в этом случае суперзаряды не могут быть связаны сопряжением.

В настоящей диссертации в обоих случаях с эрмитовым и с неэрмитовым супергамильтонианами предложено использовать суперзаряды, связанные транспонированием, а не сопряжением, и доказана теорема, утверждающая, что антикоммутатор таких суперзарядов является многочленом от супергамильтониана. Кроме того показано, что любой симметричный относительно транспонирования оператор симметрии является многочленом от гамильтониана и произведено детальное исследование антисимметричного относительно транспонирования оператора симметрии.

В [36, 46, 78] было обнаружено, что для одной пары гамильтонианов могут существовать несколько операторов сплетания. При этом очевидно, что, исходя из имеющихся операторов (-а) сплетания с помощью операций умножения на многочлен от гамильтониана и сложения можно строить новые операторы сплетания для той же пары гамильтонианов. Возникают вопросы о существовании и свойствах базиса операторов сплетания, позволяющего получить произвольный оператор сплетания в виде суммы базисных операторов с полиномиальными по гамильтониану коэффициентами, а также о том, как узнать, допускает ли данный оператор сплетания упрощение путём отщепления от него излишнего полиномиального по гамильтониану сомножителя. Ответы на эти вопросы получены в предлагаемой диссертации.

В литературе описаны (см., например, [13, 14, 79, 80]) методы спектрального дизайна для эрмитовых (главным образом) гамильтонианов с помощью операторов сплетания первого, второго и третьего порядков. Настоящая работа содержит обобщение этих методов на случай операторов сплетания произвольного порядка, причём как для эрмитовых, так и для неэрмитовых гамильтонианов.

В теории спектрального дизайна важное место занимает вопрос о приводимости оператора сплетания, т. е. о возможности его представления в виде произведения операторов сплетания первого и/или второго порядков с гладкими коэффициентами так, чтобы все промежуточные гамильтонианы имели гладкие потенциалы, причём если исходный и конечный гамильтонианы являются эрмитовыми, то потенциалы всех промежуточных гамильтонианов должны быть вещественными. Если бы все операторы сплетания порядка большего трёх были приводимы, то любой гамильтониан, сплетаемый с исходным гамильтонианом оператором порядка большего трёх, можно было бы построить с помощью конечной последовательности простых преобразований, сводящихся на каждом шаге к сплетанию оператором первого или второго порядка.

В нескольких работах были высказаны две гипотезы о приводимости операторов, сплетающих эрмитовы гамильтонианы. Согласно первой из них [79, 81] любой такой оператор является приводимым. В соответствии со второй гипотезой [82], если оператор сплетания указанного вида умножить на подходящий многочлен от гамильтониана, то получившееся произведение будет приводимо к последовательности операторов сплетания первого порядка. В предлагаемой диссертации найдены условия, при которых эти гипотезы реализуются, и доказаны соответствующие теоремы. Кроме того в настоящей работе представлена классификация неприводимых операторов сплетания второго порядка. Частные случаи таких операторов описаны в [79], [83] - [88].

Основными целями данного диссертационного исследования являются исследование алгебро-дифференциальной структуры суперсимметрии высших порядков в квантовой механике, развитие и обоснование методов спектрального дизайна для эрмитовых и неэрмитовых гамильтонианов, проверка гипотез о приводимости операторов сплетания.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Получены результаты по базовым вопросам одномерной суперсимметричной квантовой механики такие как: сохранение гладкости потенциала гамильтониана при сплетанияхполиномиальный характер зависимости антикоммутатора суперзарядов от супергамильтонианапонятие (не)минимизуемости оператора сплетания и критерий минимизуемостипонятие (не)зависимости операторов сплетания и критерий зависимостиколичество и соотношение порядков элементов оптимального базиса операторов сплетания.

2. Доказаны теоремы о приводимости, т. е. о возможности представления дифференциального оператора произвольного порядка, сплетающего гамильтонианы с гладкими вещественными потенциалами, в виде произведения операторов сплетания первого и/или второго порядков с гладкими вещественными коэффициентами так, что все промежуточные гамильтонианы имеют гладкие вещественные потенциалы. Представлена полная классификация вещественно неприводимых операторов сплетания.

3. Исследованы свойства неминимизуемого оператора симметрии, антисимметричного относительно транспонирования, для случаев, когда эрмитов гамильтониан имеет непрерывный спектр и связанные состояния, и когда он содержит периодический потенциал. Доказана приводимость оператора симметрии и установлены спектральные свойства соответствующих промежуточных гамильтонианов.

4. Доказана теорема об индексах, связывающая при любом значении спектрального параметра количества независимых собственных и присоединённых функций сплетаемых (неэрмитовых) гамильтонианов с количествами преобразующих функций, стремящихся приfoo к нулю и к бесконечности. С помощью этой теоремы найдены необходимые и достаточные условия, которым должны удовлетворять преобразующие функции для того, чтобы построенный с их помощью гамильтониан имел при заданных значениях энергии заданные количества независимых собственных и присоединённых функций.

Краткое содержание работы по главам.

Цель главы I состоит в том, чтобы представить полученные в диссертации новые результаты по базовым вопросам одномерной суперсимметричной квантовой механики. К этим результатам относятся: сохранение гладкости потенциала гамильтониана при сплетанияхполиномиальный характер зависимости от супергамильтониана антикоммутатора суперзарядов, связанных транспонированиемпонятие о (не)минимизуемости оператора сплетания и критерий минимизуемостипонятие о (не)зависимости операторов сплетания и критерий зависимостисведения о наибольшем количестве независимых операторов сплетания и оптимальном базисе операторов сплетаниясвойства ¿—антисимметричного (т.е. антисимметричного относительно транспонирования) неминимизуемого оператора симметрии и взаимосвязь этого оператора со спектром гамильтониана.

Изложение в этой главе построено следующим образом. § 1 содержит основные обозначения и предположения, используемые в диссертации. В § 2 доказана лемма, показывающая какой гладкостью обладают потенциал одного из сплетаемых гамильтонианов и коэффициенты (дифференциальных) операторов сплетания при заданной гладкости потенциала второго гамильтониана. В § 3 показано, что если суперзаряды в алгебре суперсимметрии связаны между собой транспонированием, то антикоммутатор этих суперзарядов представляет собой многочлен от супергамильтониана. В § 4 введены понятия минимизуемого и неминимизуемого операторов сплетания, а также доказан критерий минимизуемости оператора сплетания. В § 5 даны определения зависимых и независимых операторов сплетания и приведён критерий зависимости операторов сплетания. Кроме того в этом параграфе показано, что: 1) любой ¿—симметричный оператор симметрии является многочленом от гамильтониана- 2) любые два ¿—антисимметричных оператора симметрии являются зависимыми- 3) наибольшее количество независимых операторов сплетания равно либо одному либо двум. Также в § 5 рассмотрен вопрос об оптимальном выборе базиса операторов сплетания и показано, что если оптимальный базис состоит из двух элементов, то порядки базисных операторов сплетания имеют различную чётность. В § 6 проведено исследование свойств ¿—антисимметричного неминимизуемого оператора симметрии для случаев, когда гамильтониан имеет связанные состояния, и, когда гамильтониан имеет периодический потенциал. Рассмотрена взаимосвязь между ¿—антисимметричным неминимизуемым оператором симметрии и спектром гамильтониана. Завершающий главу § 7 посвящён вопросу о расширенной алгебре суперсимметрии.

Основные результаты главы II — (1) теорема об индексах, связывающая при любом значении спектрального параметра количества независимых собственных и присоединённых функций сплетаемых (неэрмитовых) гамильтонианов с количествами преобразующих функций, стремящихся при |ж| +оо к нулю и к бесконечности, а также (2) найденые с помощью этой теоремы необходимые и достаточные условия, которым должны удовлетворять преобразующие функции для того, чтобы построенный с их помощью гамильтониан имел при заданных значениях энергии заданные количества независимых собственных и присоединённых функций.

Изложение в главе II построено следующим образом. В § 1 определены классы потенциалов Кп, п = 2, 3, 4, ., со, которые будут использованы в теореме об индексах. Кроме того в этом параграфе определены вспомогательные более широкие классы потенциалов Кп I) Кп. В § 2 получены используемые в дальнейшем оценки для потенциалов из классов 1Сп и для некоторых вспомогательных интегралов. Следующие §§ 3−7 содержат результаты, представляющие собой с одной стороны самостоятельный интерес, а с другой — лежащие в основе теоремы об индексах. Так в § 3 и § 4 выведены асимптотики при х —> ±-оо для формальных собственных и присоединённых функций гамильтонианов с потенциалами из /Сп. В § 5 доказана инвариантность классов Кп и Кп при сплетаниях. В § 6 рассмотрены свойства цепочки формальных присоединённых функций, проявляемые при действии на эту цепочку оператором сплетания. В § 7 доказана инвариантность некоторых числовых характеристик канонического базиса в ядре оператора сплетания относительно выбора такого базиса. В § 8 доказаны лемма о взаимосвязи поведения при х —> ±-оо элементов канонических базисов взаимно транспонированных операторов сплетания и теорема об индексах. Кроме того в § 8 найдены необходимые и достаточные условия, которым должны удовлетворять преобразующие функции для того, чтобы построенный с их помощью гамильтониан имел при заданных значениях энергии заданные количества независимых собственных и присоединённых функций. Наконец, в § 9 приведён пример построения гамильтониана с одной жордановой клеткой второго порядка с помощью двух преобразующих функций, являющихся формальными собственной и присоединённой функциями гамильтониана свободной частицы.

Главный результат главы III — две теоремы о приводимости сплетающего эрмитовы гамильтонианы оператора произвольного порядка:

1) теорема о приводимости неминимизуемого оператора сплетания, домно-женного на подходящий многочлен от гамильтониана, к операторам сплетания первого порядка;

2) теорема о приводимости неминимизуемого оператора сплетания к операторам сплетания первого порядка и определяемым в § 1 главы III неприводимым операторам сплетания второго порядка I, II и III рода.

Изложение в главе III построено следующим образом. В § 1 даны определения вещественно приводимых и неприводимых операторов сплетания и представлена классификация вещественно неприводимых операторов сплетания второго порядка. Цель § 2 состоит в том, чтобы доказать теорему о приводимости произвольного оператора сплетания третьего порядка с вещественными коэффициентами. Эта теорема будет использована в дальнейшем при доказательстве основных утверждений главы III — теорем о приводимости операторов сплетания произвольного порядка. В начале § 2 (пункт 2.1.) получены дифференциальные уравнения, которым удовлетворяют вронскианы подмножества элементов канонического базиса ядра оператора сплетания (частные вронскианы) произвольного порядка N. Эти уравнения лежат в основе доказательства приводимости произвольного оператора сплетания третьего порядка, а также могут быть использованы для доказательства других утверждений о приводимости. Затем (пункт 2.2.) для случая N = 3 выведены формулы, выражающие частные вронскианы через одну параметризующую функцию G{x). Далее доказана лемма о гладкости коэффициентов операторов сплетания (пункт 2.3.) и получены параметрические формулы для этих коэффициентов (пункт 2.4.). После этого выведены дополнительные соотношения между частными вронскианами и параметризующей функцией (пункт 2.5.) и оценка снизу для этой функции (пункт 2.7.). В заключительной части § 2 (пункт 2.8.) доказана теорема о приводимости операторов сплетания третьего порядка. Далее в § 3 дано определение инвариантного по отношению к преобразованиям типа Дарбу-Крама класса потенциалов ЯКп, представляющего собой подкласс вещественных потенциалов класса Кп, и приведён ряд утверждений, проясняющих основные свойства гамильтонианов с потенциалами из 11Кп. Класс 11Кп интересен тем, что теоремы о приводимости операторов произвольного порядка будут доказаны для операторов, сплетающих гамильтонианы с потенциалами именно из этого класса. Затем в § 4 доказаны вспомогательные леммы о частичной приводимости операторов сплетания. И наконец, § 5 содержит основные утверждения этой главы — теоремы о полной приводимости операторов сплетания произвольного порядка.

Общие итоги диссертации подводятся в заключении.

Основные результаты диссертации опубликованы в [89] - [95].

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на 5-ой международной конференции «Симметрия в нелинейной математической физике» (Киев, Украина, 2003), на 3-ей и 6-ой международных конференциях «Псевдоэрмитовы гамильтонианы в квантовой физике» (Стамбул, Турция, 2005 и Лондон, Великобритания, 2007), а также на семинаре в Институте ядерной физики Академии наук Чешской республики (Ржеж, Чехия, 2006).

Заключение

.

Подведём основные итоги диссертации.

В главе I получены новые результаты по базовым вопросам одномерной суперсимметричной квантовой механики такие как: сохранение гладкости потенциала гамильтониана при сплетанияхполиномиальный характер зависимости от супергамильтониана антикоммутатора суперзарядов, связанных транспонированиемпонятие (не)минимизуемости оператора сплетания и критерий минимизуемостипонятие (не)зависимости операторов сплетания и критерий зависимостисвойства оптимального базиса операторов сплетания.

Кроме того в главе I исследованы свойства антисимметричного относительно транспонирования неминимизуемого оператора симметрии для случаев, когда гамильтониан имеет связанные состояния, и, когда гамильтониан имеет периодический потенциал. Показано, что: а) волновые функции связанных состояний и состояний, соответствующих границам непрерывного спектра, принадлежат ядру оператора симметрииб) квадрат оператора симметрии является многочленом от гамильтониана, причём все двукратные корни этого многочлена совпадают с энергиями связанных состояний, однократные — с границами непрерывного спектра и других корней нет.

В главе II доказана теорема об индексах, связывающая при любом значении спектрального параметра количества независимых собственных и присоединённых функций сплетаемых гамильтонианов с количествами преобразующих функций, стремящихся при |ж| —"¦ +оо к нулю и к бесконечности, а также с помощью этой теоремы найдены необходимые и достаточные условия, которым должны удовлетворять преобразующие функции для того, чтобы построенный с их помощью гамильтониан имел при заданных значениях энергии заданные количества независимых собственных и присоединённых функций.

В главе III доказаны две теоремы о приводимости сплетающего эрмитовы гамильтонианы оператора произвольного порядка:

1) теорема о приводимости неминимизуемого оператора сплетания, домно-женного на подходящий многочлен от гамильтониана, к операторам сплетания первого порядка;

2) теорема о приводимости неминимизуемого оператора сплетания к операторам сплетания первого порядка и неприводимым операторам сплетания второго порядка.

Получена классификация неприводимых операторов сплетания второго порядка.

Таким образом, все поставленные во введении цели настоящей диссертации достигнуты.

Я искренне благодарю A.A. Андрианова за сотрудничество и многочисленные обсуждения физики спектрально эквивалентных систем. Я выражаю свою глубокую признательность М. А. Брауну и М. В. Иоффе за внимание и интерес к моей научной работе, а также кафедре физики высоких энергий и элементарных частиц за поддержку.