（3.7）

展开(3.7)式右边乘式，（注意：展开时，动量各分量 , a a 之间可以对易，但矩阵a 之间不可对易。也就 1 2, 3, a a 是p ，但是 a xp y p yp x 1 2 a 2 1 。矩阵乘法一般不满 足交换律）
（3.8）

要保证(3.8)式成立，可以让系数 a , a a 满足如下关系 1 2, 3,
玻恩，1954年获诺贝尔物理学奖
粒子在t时刻r点出现的几率
注意
(1)
概率振幅 归一化条件 态叠加、干涉
(2) (3)
干涉项
薛定谔方程
薛定谔、奥地利物理学家，1926 年建立了以薛定谔方程为基础的 波动力学，1933年获诺贝尔物理 学奖。
质点运动、电磁波(光学) 牛顿方程、麦克斯韦方程
物质波函数满足的规律
第二步：待定系数能量动量关系


为了去掉根号，狄拉克采用了一种很巧妙的思路，实际上 就是一种待定系数法。 对自由粒子，可以把相对论能量动量关系写成如下形式：
（3.4）

狄拉克假定自由粒子的能量E与动量分量 (px ,py ,pz ) 质量m 0 之间存在最简单的一次线性关系。这样，对应于(3.4)式， 可以拼凑出一个去掉根号的待定系数方程
《高等量子力学》 狄拉克方程
苏小强
内容提要
1.背景知识回顾：波函数、薛定谔方程
（非相对论的）
2.克莱因-戈尔登方程
相对论的
3.狄拉克方程
一、波函数和薛定谔方程
1. 物质波
德布罗意，1929年的诺贝尔物理学奖
2. 玻恩统计解释
电子源
感 光 屏
1926年，德国物理学家玻恩提出了几率波的概 念: 在数学上，用一函数表示描写粒子的波，这个 函数叫波函数。波函数在空间中某一点的强度（波 函数模的平方）和在该点找到粒子的几率成正比。 这样描写粒子的波叫几率波。
因为量子力学标准波动方程要求的是能量的一次项，但 是 (2)式包含有根号，如果直接作算符代换，动量算符将出 现在根号内：
（3.1）
对自由粒子，有
（3.2）
对力场中的粒子，有（注意，因为有势能项V，光速c不能 放到等号左边）
（3.3）
与薛定谔方程相比，(3.2)式和(3.3)式的潜在问题是动量 算符在根号内，这不是量子力学标准波动方程形式。
三、狄拉克方程
薛定谔方程因为不是相对论性的，它必然要向 相对论扩展。克莱因-戈登方程就是第一个相对论性 的波动方程，然而却不能计算氢原子，且一直为负 能态和负概率所困扰，所以长期不被物理学家所接 受。狄拉克方程正是在这种困境中应运而生的。它 融合了狭义相对论、海森伯矩阵力学、薛定谔波动 力学三方理论，能够计算氢原子光谱的精细结构， 并且自动产生电子的自旋量子数。更巧妙的是，狄 拉克认为负能态对应着一种电子的反粒子，由此预 言了正电子的存在，并避免了负概率的困难。下面 详细介绍狄拉克方程的建立过程。
虽然已经有了克莱因-戈尔登方程，但狄拉克认 为问题并未被解决。这个方程可能给出负值的概 率，量子力学对概率的诠释无法解释。 1928年狄拉克提出了描述电子的相对论性方程： 狄拉克方程。并独立于泡利的工作发现了描述自 旋的2x2矩阵。然而狄拉克方程与克莱因-戈登方 程有相同的问题，存在无法解释的负能量解。 这促使狄拉克预测电子的反粒子（正电子）的存 在。正电子于1932年由安德森在宇宙射线中观察 到而证实。狄拉克方程同时能够解释自旋是 作为一种相对论性的现象。 1933年、狄拉克和薛定谔共同获得了诺贝尔物理学奖。
（1）
自由粒子薛定谔方程
KG方程
3. 自由粒子解
m c 2 2 c 2 2 t
2 24
Ae
i ( k r t )
24 m c 2 2 c( k k ) 2
Ae
i ( k r t )
P k
薛定谔方程
薛定谔方程的引入
1. 单色平面波（德布罗意波）
(取实部) 2. 薛定谔方程(一维)
寻求波函数随时间空间变化的规律 从自由粒子平面单色波出发
随空间的变化：
(1)
(2)
随时间的变化：
(2), (3)
(3)
薛定谔方程
3.薛定谔方程(三维)
拉普拉斯算符
4.算符
二、克莱因-戈尔登方程
1. 简介
（3.9）

, a a 的位置关系 从(3.9)式可以看出，这四个系数 a 1 2, 3, 是完全对称的，类似这样的四个系数关系称为彼此“反 对易”，它们每一个的平方都是1。可以这么理解对易 a a a a a a a 和反对易： 称为彼此可对易， 称为彼 1 2 2 1 1 2 a 2 1 此反对易。狄拉克在量子力学中取得的第一个进展，是 借用了泊松括号 [ 来表示两个量的对易 A , B ] AB BA 关系， [ A , B ] 0表示两个量可对易。
（3.5）


其中 a β是待定系数。不过它们不是一般的系 ( a , a , a ) 1 2 3 数，因为一般的系数很难满足(3.4)式。狄拉克后来从 泡利矩阵得到启发：它们如果是4×4的矩阵，那么就 有可能满足(3.4)式。 比较(3.4)式和(3.5)式，可以得到如下对应关系
（3.6）


(3.6)式两边平方，（右边写成乘式，是考虑到矩阵的 不可对易性）
E
德布罗意波
Ae
i (r 2 c( k k ) 2
E cp m c
2 2 2
24
E cp m c
2 2
2 4
（2）
“+” 相对论
“-” 量子力学、负能量
保罗·狄拉克： 英国理论物理学家，量子力学奠基者之一。
第一步：建立相对论方程的条件
与建立薛定谔方程类似，我们也是先建立自由粒子的狄 拉克方程，然后建立力场中的狄拉克方程。这里先列出 建立狄拉克方程的两个假设条件： 第一、方程具有量子力学标准波动方程 形式， 仅哈密顿算符 Hˆ 不一样。 Pˆ 第二、方程必须满足相对论的一次能量动量关系，所以 应该是(2)式，而不是(1)式。 这两个条件归结为要确定一个合适的、满足相对论能量 动量关系的哈密顿算符 Hˆ ，这是建立狄拉克方程的关键。 因为波动方程左边是能量算符，所以右边的哈密顿算符 Hˆ 中就应该包含动量算符 Pˆ 。
克莱因-戈尔登方程（Klein-Gordon equation） 是相对论量子力学和量子场论中的最基本方程， 它是薛定谔方程的相对论形式，可用来描述自 旋为零的粒子。 克莱因-戈尔登方程是由瑞典理论物理学家 奥斯卡·克莱因和德国人沃尔特·戈尔登于 二是世纪二三十年代分别独立推导得出的。
2. 克莱因-戈尔登方程的获得