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--- 물리:경로적분_계산 [2026/03/10 14:28] – [경로적분] admin
+++ 물리:경로적분_계산 [2026/03/10 16:48] (current) – [단순조화진동자] admin
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 \end{align}
-으로 바꿀 수 있다. 여기서 전체 경로 적분에 대한 시간을 $U$, 각 부분 $\epsilon$ 으로 쪼갠 부분의 시간을 u로 썼다.
+으로 바꿀 수 있다. 여기서 전체 경로 적분에 대한 시간을 $U$, 각 부분 $\epsilon$ 으로 쪼갠 부분의 시간을 $u$로 썼다.
 여기서 $\Phi[x(u)] \,, \mathcal{D}x(u)$ 는
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 ====== 자유입자의 경로적분 ======
-===== 식 3.36의 계산 =====
+작은 $\epsilon$만큼 진행한다면 자유입자의 밀도행렬로서 다음을 얻는다:
-p80 에 있는 식 3.36 은 식 $F(U)$ 에 대한 일반적인 해라고 소개하고 있다. $F(U)$ 는 아래와 같이
+$$\rho(x,x';\epsilon) \approx \sqrt{\frac{m}{2\pi\hbar \epsilon}} \exp\left[ \frac{m}{2\hbar\epsilon} (x-x')^2 \right].$$
+자유입자의 해밀토니안이 다음과 같으므로
+$$H = -\frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2}{\partial x^2}$$
+$U$만큼 진행했을 때의 밀도행렬은
+\begin{eqnarray*}
+\rho(x,x';U) &=& \lim_{\epsilon\to 0} \int \cdots \int \exp\left\{ -\frac{m\epsilon}{2\hbar} \left[ \left(\frac{x-x_{n-1}}{\epsilon}\right)^2 + \left(\frac{x_{n-1}-x_{n-2}}{\epsilon}\right)^2 + \ldots + \left(\frac{x_1-x'}{\epsilon}\right)^2 \right] \right\} \frac{dx_1}{\sqrt{2\pi\hbar\epsilon/m}} \frac{dx_2}{\sqrt{2\pi\hbar\epsilon/m}} \cdots \frac{dx_{n-1}}{\sqrt{2\pi\hbar\epsilon/m}}.
+\end{eqnarray*}
+따라서, 자유입자에 대해
+$$\Phi\left[x(u)\right] = \lim_{\epsilon\to 0} \exp\left\{ -\frac{m\epsilon}{2\hbar} \left[ \left(\frac{x-x_{n-1}}{\epsilon}\right)^2 + \left(\frac{x_{n-1}-x_{n-2}}{\epsilon}\right)^2 + \ldots + \left(\frac{x_1-x'}{\epsilon}\right)^2 \right] \right\}.$$
+간격 $\epsilon$이 작아지면
+$$\frac{x_k - x_{k-1}}{\epsilon} \to \left. \frac{dx(u)}{du} \right|_{u=k\epsilon} \equiv \left. \dot{x} (u)\right|_{u=k\epsilon}$$
+이므로 다음처럼 적을 수 있다:
+$$\Phi\left[x(u)\right] = \exp \left\{ -\frac{1}{\hbar} \int_0^U \frac{m}{2} \left[ \dot{x}(u) \right]^2 du \right\}.$$
+자유입자 밀도행렬의 다음과 같은 원소를 생각하자:
+$$\rho(x_2, x_1, U) = \int \cdots \int \exp \left\{ -\frac{1}{\hbar} \int_0^U \frac{m}{2} \left[ \dot{x}(u) \right]^2 du \right\} \mathcal{D}x(u)$$
+여기에서 $x(0)=x_1$이고 $x(U)=x_2$이다. 직선 경로 $\tilde{x}(u)$를 생각해서
+$$\frac{d\tilde{x}(u)}{du} = \frac{x_2-x_1}{U} = v$$
+로 놓고 각각의 경로는 $x(u) = \tilde{x}(u) + y(u)$로 쓰도록 하자.
+\begin{eqnarray*}
+\int_0^U \left[ \dot{x}(u) \right]^2 du &=& \int_0^U \frac{m}{2} \left[ v+\dot{y}(u) \right]^2 du\\
+&=& \int_0^U \frac{m}{2} \left[ v^2 + 2v\dot{y} + \dot{y}^2 \right]^2 du\\
+&=& v^2 U + 2v\left[ y(U) - y(0) \right] + \int_0^U \dot{y}^2 du.
+\end{eqnarray*}
+$y(U) = y(0) = 0$으로 놓으면 두 번째 항은 사라진다. 따라서
+$$\rho(x_2, x_1, U) = \exp\left( -\frac{mv^2 U}{2\hbar} \right) \int\cdots\int \exp\left(- \frac{m}{2\hbar} \int_0^U \dot{y}^2 du \right) \mathcal{D}y.$$
+이 중 적분 부분을 $F(U)$로 적으면
+$$\rho(x_2, x_1, U) = F(U) \exp\left[ -\frac{m (x_2-x_1)^2}{2\hbar U} \right].$$
+===== $F(U)$의 계산 =====
+$F(U)$ 는 일반적으로
 \begin{align}
-    F(U) = \sqrt{m/2\pi\hbar U} e^{\alpha U}
+    F(U) = \sqrt{\frac{m}{2\pi\hbar U}} e^{\alpha U}
 \end{align}
-으로 주어지는데, 이것을 유도해보도록 하자. 먼저 자유입자의 경로적분 표현으로 부터 얻는 밀도행렬의 식
+으로 주어지는데, 이것을 유도해보도록 하자. 여기에서 $\alpha$는 임의의 상수이며, 퍼텐셜의 영점을 바꾸는 것에 해당하여 물리를 바꾸지 않는다. 간단히 $\alpha=0$으로 놓아도 된다.
-.34 가
+본래의 양자역학적인 계산을 수행한다면
+$$F(U) = \sqrt{\frac{-im}{2\pi\hbar U}}.$$
+이 식을 유도하기 위해 자유입자의 경로적분 표현으로부터 얻는 밀도행렬의 식
 \begin{align}
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 \end{align}
-으로 주어진다. 그리고 위의 식의 $F(U)$ 를 얻는 방법은 아래의 식
+에서 시작하자. 그리고 위의 식의 $F(U)$는
 \begin{align}
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 \end{align}
-으로 부터 얻을 수 있다고 한다. 밀도행렬 $\rho$ 를 두 번째 식을 이용하여 나타내면, 좌변은
+으로부터 얻을 수 있다. 밀도행렬 $\rho$ 를 두 번째 식을 이용하여 나타내면, 좌변은
 \begin{align}
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 이며 등식을 만족시키기 위해서는 처음에 소개한 $F(U)$ 같은 식이 된다.
+======단순조화진동자======
+양자역학적 단순조화진동자에 대한 경로적분은 다음과 같은 양이 된다:
+$$F(U) = \int\cdots\int \exp\left[ -\frac{1}{i\hbar} \int_0^U \left(\frac{m}{2} \dot{y}^2 - \frac{m\omega^2}{2} y^2 \right) du \right] \mathcal{D}y(u).$$
+이때 $y(0) = y(U) = 0$이다.
+여기에서 부분적분을 시행하면 다음 결과를 얻는데,
+$$\int \dot{y}^2 du = \left[ y \dot{y} \right]_{u=0}^U - \int y \ddot{y} du$$
+$y(0)=y(U)=0$이므로 우변 첫 번째 항은 사라진다.
+따라서 다음과 같은 형태로 쓸 수 있게 된다:
+\begin{eqnarray*}
+F(U) &=& \int\cdots\int \exp\left[ -\frac{1}{i\hbar} \int_0^U \left(-\frac{m}{2} y\ddot{y} - \frac{m\omega^2}{2} y^2 \right) du \right] \mathcal{D}y(u)\\
+&=& \int\cdots\int \exp\left[ -\frac{1}{2} \int_0^U y \hat{C} y ~du \right] \mathcal{D}y(u).
+\end{eqnarray*}
+이때 $\hat{C}$는 다음과 같은 연산자이다:
+$$\hat{C} \equiv -\frac{m}{i\hbar} \frac{\partial^2}{\partial u^2} - \frac{m\omega^2}{i\hbar} = \frac{m}{i\hbar} \left(-\frac{\partial^2}{\partial u^2} - \omega^2 \right).$$
+[[수학:윅의_정리|1차원 가우스 함수의 적분]]으로부터, $N\times N$ 실수 대칭 행렬 $\alpha$가 있을 때 다음이 성립함을 알고 있다:
+$$\int^{\infty}_{-\infty} \Big[\prod^{N}_{k=1} dx_{k} \Big] \exp\left(-\frac{1}{2}\sum^{N}_{m,n=1}  x_{m}\alpha_{mn}x_{n}\right) = \sqrt{\frac{(2\pi)^{N}}{\det\alpha}}.$$
+$\hat{C}$의 고윳 구조를 찾아보면 고유벡터가
+$$y(u) = c\sin(\omega_n u)$$
+일 때
+$$\lambda_n = \frac{m}{i\hbar} (\omega_n^2 - \omega^2)$$
+이며, $y(0)=y(U)=0$의 경계조건을 만족하기 위해서는 $\omega_n = n\pi/U$이다 ($n=1,2,\ldots$).
+따라서 $F(U)$는 어떤 계수가 붙어서 다음처럼 표현될 것이다:
+$$F(u) \propto \left\{ \prod_{n=1}^{\infty} \left[ 1-\left(\frac{\omega U}{n\pi}\right)^2 \right] \right\}^{-1/2} = \sqrt{\frac{\omega U}{\sin \omega U}}.$$
+그런데 $\omega\to 0$의 극한에서 자유입자를 얻으므로, 앞의 자유입자 결과를 통해 계수를 결정할 수 있다. 최종 결과는 아래와 같다:
+$$F(U) = \sqrt{\frac{-im\omega}{2\pi \hbar \sin \omega U}}.$$
 ======함께 보기======
   * [[물리:포커-플랑크_방정식|포커-플랑크 방정식]]
   * [[물리:양자기체의_밀도행렬|양자기체의 밀도행렬]]
+  * [[수학:윅의_정리|1차원 가우스 함수의 적분]]
 ======참고문헌======
   * Richard P. Feynman, //Statistical Mechanics// (Westview Press, 1972).
   * Tom Lancaster & Stephen J. Blundell, //Quantum Field Theory for the Gifted Amateur// (Oxford University Press, Oxford, 2014).