HAL Id: jpa-00233093
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Quelques observations concernant un article intitulé “
sur l’équation de Dirac ”
Al. Proca
To cite this version:
QUELQUES
OBSERVATIONS CONCERNANT UN ARTICLEINTITULÉ
« SUR
L’ÉQUATION
DE DIRAC »(1)
Par Al. PROCA.Institut
Henri-Poincaré,
Paris.Sommaire. 2014 L’auteur précise, du point de vue mathématique la relation qui existe entre les quatre composantes classiques de la fonction d’onde de Dirac, et les seize compo-santes introduites dans l’article cité.
1. Position du
problème. -
Soit H l’hamiltonien de l’électron de Dirac. Oninter-prète généralement l’équation symbolique
de Diraccomme
l’équivalent
dequatre
équations
aux dérivéespartielles
entre lesquatre composantes
de~.
Cela revient au fond à admettreque ~
est une matrice à une seule colonne unproduit
matriciel.L’idée fondamentale de l’article cité consiste en l’observation
que ~
étant inconnue dansl’équation Flf == Gon
ne sait rienà JJr1’ori
surle nombre de sescomposantes ;
doit donc?être en
général
considéré comme une matrice àquatre
lignes
etquatre
colonnes. Onpeut
observer que F est unquadri uaternion ; b
doit doncêtre,
luiaussi,
unquadriquater-nion et
l’expression
li§
sera alorssimplement
leproduit
algébrique
de F et de’f.
Le but de laprésente
note est de mettre en évidence les différencesqui
existent entrela manière
classique
deprocéder
et celleproposée
dans l’articlecité,
et depréciser
ainsi le caractère de lagénéralisation
obtenue. Accessoirement nous montrerons comment onpeut,
’
en utilisant les
quadriquaternions,
retomber sur le casparticulier
qui
conduit aux résultatsclassiques
deDirac ;
en effetle ~
classique,
ensemble de deuxspineurs,
peut
parfaitement
être
représenté
par unquadriquaterninn
àrestrictions,
c’est-à-dire par unquadriquaternion
dont les
composantes
sont soumises à certaines conditions. Ils’agit précisément
de trouverces conditions et de leur donner une forme
simple.
En dehors du fait
qu’elle
nousrenseigne
sur la différencequ’il
y a entre leclassique,
et le ~
général,
cette manièred’interpréter l’équation
de Dirac la rendbeaucoup
plus
maniable etsimplifie
énormément sa résolution surtout dans le casgénéral,
ainsi que nousessaierons de le montrer dans un
prochain
article.2.
Changement
de base. - Lesystème
desquadriquaternions
est défini par 16quel-conques d’entre eux,
qui
forment cequ’on
appelle
une base.Jusqu’à
présent
nous avions choisi comme base les 16 unités suivantes(2) :
où les a sont définis par
(1) Journal de
Physique,
t. 1. (1930), p. 2’~5.(2) Nous utilisons ici la notation généralement adoptée pour les matrices de Dirac.
Toute combinaison linéaire de ces nombres est un
quadriquaternion
etpeut
êtreprise
-comme base.
Or, d’après
un théorème tout-à-faitgénéral,
lesystème simple
d’ordre 16 - 4,que forment les
quadriquaternions,
peut
se définir aumoyen des
16 unités(i, ~; =1, ~,
.3,
4)
idempotentes,
telles queD’après
cethéorème,
il existe donc des combinaisons linéaires des a, satisfaisant à(3),
eut
inversement,
des combinaisons linéaires des e~~ satisfaisant à(2).
Il est facile de former,-effectivement une telle combinaison.
Prenons,
en effet :Les zk
définis par(4)
satisfont à(2)
si l’on tientcompte
de(3).
La solution
(4)
n’est évidemment pas la seule : les nombresS-1akS
satisfontégalement
:à(2),
les étantégaux
à(4)
et S étant unquadriquaternion quelconque
de la forme S =!.Sike il.’
Le
système
d’unités(3)
a uneinterprétation
extrêmementsimple.
Les matricesayant
des éléments nulspartout
sauf au croisement de la iièmeligne
avec lacolonne,
satisfont .à(3)
etpeuvent
doncreprésenter
les unités(3).
Le passage des x aux ei, est doncparallèle
àla
représentation
matricielle des a.k.Si les ei, sont
représentés
par de tellesmatrices,
(4)
représentent justement
les matrices.,des ak
dans lareprésentation
danslaquelle a*
estdiagonale;
parexemple
Le
système
des eik n’a pas seulementl’avantage
d’êtreplus général;
il est aussi d’un..emploi beaucoup plus
commode(1).
En
partant
desexpressions (4)
onpeut
écrire toutes les unités x en fonction des eik etvice-versa. On a, en effectuant les calculs :
~
Tout
quadriquaternion
peut
s’exprimer
maintenant en fonction des eik’(t) F. SAUTER, Z.
Physik.,
63 (1930), p. 803; 64(~930),
p. 295; 69 (i93~), p. ’~~2, employant au fond cesystème, sans le mentionner explicitement, a résolu élégamment un certain nombre de problèmes sans
Par
exemple,
prenons celuiqui apparaît
dansl’équation
de Dirac écrite sous la formeclassique :
On aura :
3. Formules
générales. -
Unquadriquaternion
quelconque
’~
s’écrit :les
§
étant des nombres ordinaires. Il seracommode,
pour lasuite,
deséparer
les indiceset d’écrire
ou
donc
Dans
chaque
C;
tous les e ont le second indiceégal
à s,
et danschaque
L,,
tous les e ont leurpremier
indiceégal
à r.On a, en tenant
compte
de(3) :
et
Comme cas
particulier,
onpeut
prendre
qui
donne,
au facteur euprès,
la valeur descomposantes
YSi’
Si l’on veut se débarrassser de ce facteur on
prendra :
On
peut
aussi écrire : 1’
Posons
on aura :
4.
Equation
symbolique
deDirac ;
interprétation générale. -
Celaétant,
con-sidérons
l’équation
deDirac,
que nousécrirons,
pourabréger
h ~ po
+
~--
a~~~., -~-
(J..3PJ + est unquadriquaternion
qui
s’écrit dans la base eiksous la forme F =
1 +°j,e;j, ;
lesF,,
sont donnés par lesexpressions
(6).
Considérons
l’expression
(13)
dans son sens leplus
général :
~! doit
être unquadriqua-ternion à 16
composantes
de la formeet F,~
unproduit
algébrique.
Enmultipliant
F et en annulant les coefficients des 16 unitéshypercomplexes
a,,, on obtient 16équations,
qui
ont étéindiquées
dans notre articleprécédent.
Par addition
après multiplication
avec des facteurs convenables onpeut
voirqu«elles se
réduisent en
fait,
àquatre
équations
distinctes.Ce
résultat,
indiqué
dans l’articlecité,
n’estcependant
pas commode à obtenir enpartant
de lareprésentation
x, mais ilapparaît
immédiatement et’~
sont écrits aumoyen de la base e;~. En
effet,
écrivons Fet ~
comme suit :En tenant
compte
de(3),
on voit que les termesrectangles
se détruisent et il resteLes 16
équations équivalentes
à(13)
separtagent
donc enquatre
groupes de 4équations
chacun
Il est inutile
d’insister,
ce calcul consistant àmultiplier lignes
par colonnes les matricesreprésentatives
de F et deIf.
Onpeut
en tirercependant
des résultats intéressants.Remarquons
que lesquatre équations
du groupe 1 sont distinctes engénéral;
mais leséquations
des autres groupes n’endiffèrent
que par le des inconnues. Deplus
ceséquations
sonthomogènes.
Il est donc clair
qu’il
suffira de trouver la solution dequatre
équation
seulement,
pour résoudrel’équation générale
deDirac,
avec à 16composantes,
Soitla solution des
équations
du groupe1 ;
elledépend
d’un certain nombre decons-tantes et de fonctions arbitraires. Les solutions des autres groupes différeront de celle-ci
uniquement
par le choix de ces constantes et fonctions arbitraires.Le
général
sera alors une fonction de(17)
contenant en outre des fonctions arbitraires dont on ne voit pas clairement le rôle de lafaçon
dont nous avons conduit le calcul. Mais cela ne nous occupera pas pour l’instant(1).
Deux cas
particuliers
sont intéressants. Lepremier
est celui où l’on choisitles mêmes
j’onctions
arbitraiJ’es pour les solutions de tous lesquatre
groupes. On a alorsc’est-à-dire
.1 j
~.et
le ~ général
s’écritNous
appellerons
solution « normale ».Mais on
peut
encoreprendre
comme solution dusystème
(16)
la solution(17)
du pre-mier groupe et pour les autres inconnues’fuv
(u
=1,
2,
3,
4 ; v
=2,
3,
4)
la valeurzéro,
,qui
est manifestement une solution de(16).
Le1-
correspondant
est alorsYD-ejlAj
-~-
+
e3j A, ~’
(
Dans la
représentation
par matricesle ~
dupremier
cas,(19),
est une matrice dont toutes les colonnes sontidentiques,
tandis que celui du deuxième cas est une matrice dont les éléments des trois dernières colonnes sont nuls. Onpourrait envisager
évidemment descas intermédiaires. ’
Revenons au cas
général.
Pour trouver la solutiongénérale
il suffit donc de résoudredans toute sa
généralité
lesystème
du groupe 1 et trouver lesquatre
fonctions inconnuesA1, ~42, A3,
A4.
Or,
cesystème d’équations
fondamentales estidentique
ausystème
deDarwin,
c’est-à-dire auxéquations
ordinairesqu’on
déduit del’équation
symbolique
par le
procédé
de Dirac. Il suffit pour s’en assurer d’écrireexplicitement
leséquations
du groupeI,
compte
tenu des valeurs deF,,,
qui
sont données par(6).
..Les
A,, A2, A3, A,
sont doncidentiques
à cequ’on appelle
lesquatre cOlnposantes
classiques
de lafonction
d’onde. Il suffira de connaitre dans toute leurgénéralité
cesquatre
composante,
pour en déduire la solutiongénérale.
Mais du faitqu’il n’y
a quequatre
grandeurs qui déterminent Û
ne découle en aucunefaçon
uneexpression
définiepour
celui-~i;
cetteexpression
peut
être(19),
(20)
ou une autre.5.
Equation
symbolique
de Dirac.Interprétation classique. -
Leséquations
.de Darwin se déduisent del’équation
(F~~ )
~ 0 en considérant comme une matrice et endéfinissant le «
produit
»(F~)
aumoyen de
quatre composantes
g, , ~2,
~4-
de la fonction -d’ondepar les
relations de définition duproduit
matriciel(h,c~) :
Avec ces notations si l’on écrit
l’équation
Dirac il est inutile de passer par la définition
(21);
il suffit d’écrirel’équation générale
sousforme d’un
produit algébrique
de deuxquadriquaternions F et ~
.et de restreindre
la ,généralité
de dont toutes lescomposantes,
sauf celles de la forme doivent être nulles :Les
quatre composantes
non nulles sont lescomposantes
de Dirac.Mais remarquons que,
d’après (3),
spi 9
est unquadriquaternion quelconque
on auratoujours
-Donc
l’équation
où F est connu
et ~
unquadriquaternion
général
inconnu,
nous conduira auxéquations
deDarwin entre les
composantes
les
autrescomposantes
étant arbitraires.La solution de Dirac n’est
donc
qu’un
casparticulier
de la solutiongénérale ;
ellecor-respond
à(20).
Nous pouvons enfin tirer larègle pratique
suivante : Pour résoudrel’équa-tion
classique
deDirac,
il suffit de trouver unesolution
del’équation générale
"F 0
(où
lepremier
membre est unproduit
de deuxquadriquaternions) et de
lan’lultiplier à
droite par err, r étant l’un
quelconque
des nombres1, 2,
8,
4. Cetterègle
semble réduire lesimple
aucompliqué; quelquefois cependant
lasymétrie plus grande
del’équation générale
rend le calcul et la notation
plus
faciles etpermettent
en tout cas de mieux saisir lesrap-ports
entre les diversesgrandeurs
duproblème.
Passons maintenant aux oc. - Posonsou encore, en
remplaçant
les e par les a et enposant bii == ~i
Il suffira de
multiplier algébriquemeîzt
cetteexpression
avecet d’annuler les
coefficients,
pour résoudre suivant la manière même de Dirac sonéquation
et retrouver les
quatre composantes
classiques (1)
’ft, ’f2’ ~3, ’f4’
Ce
procédé
n’a pas seulementl’avantage
de ne paspréciser
la nature desopéra-teurs a
(2);
ilpermet
d’écrire lepremier
membreF ~
comme unproduit algébrique,
forme
beaucoup
plus
maniable que celle de Dirac. C’est de cettepropriété
que nous auronsbesoin ultérieurement.
6.
Expressions
adjointes
et calcul des moyennes. - Une foisl’équation
des ondes (1) Voir par exemple F. SAUTER, toc. -cita(2) Plusieurs auteurs se sont posé ce problème; cf. SAUTER, loc. cit. Temple, Proc. Roy. Soc. A,127 (1930), p. 339.
résolue,
onpeut
calculer les densités des moyennesphysiquement
intéressantes,
comme lecourant,
etc. Celles-ci seprésentent,
comme l’a montréDirac,
sous la forme d’unproduit
symbolique
de la formeoù
est unopérateur
lagrandeur
imaginaire conjuguée
de
,j¡.
Nous allons écrire ces
grandeurs
comme desproduits
aloébî-iques.
Nous verrons que, toutequestion
deprincipe
mise àpart,
le ’~
à i6composantes
présente
desavantages
mar-qués,
aupoint
de vue de larapidité
et commodité descalculs,
mêmequand
on se limite à laconception
de Dirac.Considérons d’abord
un ~
à 16composantes
Nous définirons le
quadriquaternion
«adjoint
» 4Spar la condition
Si :
L’astérisque
désigne
laquantité complexe
conjugué; si ~
était unematrice, ~
serait lamatrice
transposée
etconjuguée. +
satisfait à uneéquation qu’il
est facile d’écrire enpartant
de
l’équation
deDirac,
mais que nous laisserons de côté pour le moment.Considérons maintenant la solution
particulière
de Dirac :les
Ar
étant lescomposantes classiques
de la fonctiond’onde.
Le
correspondant
sera- J ...II , ..,... , ,
Une autre solution
particulière
est cellequi correspond
à une matriceayant
toutes les colonnesidentiques.
Nous l’avonsappelée
solution «normale » ;
les diverses fonctionsarbi-traires sont choisies
égales
entre elles.Le Y
« normal » estet le ~ « normal » :
Considérons
quelques
formulesintéressantes ;
dans cequi
suit lesproduits
considéréset en
général, d’après
(3l’)
Les relations
(34),
(35), (36)
sont très intéressantes parcequ’elles
nouspermettent
decalculer immédiatement les covariants
quadratiques
bien connues au moyendesquels
oncompare la théorie à
l’expérience.
Prenons par
exemple,
une descomposantes
ducourant ;
symboliquement,
Dirac lacalcule par le
produit (~
a1~).
Nous avons vuqu’on
arrive au même résultat si l’on effectuealgébriquement
le mêmeproduit
entrequadriquaternions,
à condition deprendre
pour P
et ~
une solutionparticulière,
à savoir(DD
et~D.
Or,
d’après (4),
on a :*
donc .
ou,
d’après (34) :
Or,
laquantité
entre crochets estjustement
lapremière composante
classique
ducou-rant,
à un facteurnumérique près.
Demême,
avec la solution « normale »,4)N et
§N
Il est alors extrêmement facile de calculer les
composantes
classiques
ducourant,
duspin,
etc.,
c’est-à-dire les densités des moyennes des 16opérateurs
(~ 0152J
ou
engénéral
d’un
opérateur
quelconque.
Soit $
unpareil opérateur;
dèsqu’on
a sonexpression
en fonction des eik(par
letableau
(4),
parexemple)
onpeut
immédiatement en déduirel’expression
de4JD i
’~D
ou4JN i
Y~r
en fonction desproduits
At Ak ;
ilsuffit de reniplacer
dansl’evpression
deç.
Par
exemple,
on déduit de(4)
On
adonc,
immédiatementimmé-diatement et leur
façon
de secomporter
parrapport
aux transformations de Lorentz sedéduit
beaucoup
plus
aisémentqu’on
nepouvait
le’fairejusqu’à
présent.
7. Cas
général.
- SoientAi,
A2,
A3,
~4
lesquatre
composantes
de la fonction d’ondeclassique
de Dirac. Calculonsl’expression
en
remplaçant
les ers par leursexpressions
en fonction des a,d’après
les relations(4).
Ona, ainsi
qu’on peut
facilement le vérifier en utilisant lesrègles
que nous avonsdonnées,
Toutes les
quantités
écrites entreparenthèses
sontréelles ;
ellesreprésentent
les 16
cova-riants
quadratiques
de la théorieclassique
deDirac,
c’est-à-dire les densités des moyenne des 16opérateurs indépendants
formés enmultipliant
les ak.(On
voit que pour obtenir desquantités
réelles il faut mettre en évidence un i =yi -
1 dans les unités a1 a,, .... dont lescarrés sont
égaux
à- ~ ;
de cettefaçon
les carrés de tous les coefficients desparenthèses
sont
égaux
à+
i. Cetterègle
est àretenir.)
On
peut
donc obtenir â lafois
toutes les moyennes relatives àl’électron,
donc toutes lesquantités susceptibles
de mesure, enpartant
simplement
descomposantes
duquadriquater-nion N == 4
Iers Ar
As*.
Cela
étant,
prenons la solutionclassique ~.1.~D
del’équation
générale ;
on aPrenons la solution
normale;
on aégalement
Pour calculer les
grandeurs
quadratiques
d’un électron de Dirac ilsuffit donc
deprendre
lescomposantes
duproduit
~D
(DD =
’fN
onpourrait appeler
cescomposantes
les «Passons maintenant à la solution
générale.
Ici nous n’avonsplus
quatre
fonctionsd’onde distinctes
Ar,
mais bienseize;
nous savonscependant
qu’elles satisfont,
par groupes dequatre,
auxéquations
de Darwin, On a, engénéral :
qu’on
peut
écriresi l’on pose
Remarquons
que lescomposantes
de K et de Jsatisfont précisément
auxéquations
de Darwin. On a alors dans le casgénéral :
qu’on
peut
encore écrireCette
expression
est dutype
1On
peut
passer aux x enremplaçant
les e~k par leursexpressions
(4)
et l’on obtiendraa,lors les cc tensions » dans le cas
,qénéral.
Onpeut
aussi observer que(45)
s’écritMais les
~i,
’.(i
=1, 2, 3,
4)
sontquatre
grandeurs
qui satisfont
auxéquations de
Darwin;
il en est de mêmede ’fi2
~i3,
~i~~
Parconséquent,
donne par ses
composantes
lesgrandeurs quadratiques, identiques
à celles deDirac,
etprovenant
du groupe 1 deséquations ;
de mêmeT2
correspond
au groupe II et ainsi desuite;
correspon-dants à chacun des
quatre
groupesd’équations
de Darwin enlesquelles
se résolvent les16
équations fonda>iieiitales.
°
Lorsqu’on
passe à la solutionclassique,
on doit poseret
(45)
se réduit à(41).
Ceci montre clairement ia différence entre les covariantsquadra-tiques
généraux
et ceux de Dirac.8.
Comparaison
avec le cas durayonnement. -
Pour lerayonnement
lasituation est tout à fait
analogue ;
leséquations
durayonnement
peuvent
s’écrire
(1) :
où F
et ~
sont desbiquaternions :
les ~,
satisfaisant à et enparticulier
àet les p étant
définis,
comme d’habitude parPassons à des unités eik telles que
On
peut
exprimer
les ~,
en fonction des eik(i, k = 1,2);
nous pouvonsprendre
parexemple
(’) :
Avec cela on
peut
écrireFormons
F§
et annulons les coefficients des e; ; nous auronsquatre
équations
qui
sescindent en deux groupes de deux
équations
chacun.
(1) Voir Journal de
Physique,
t. 111, (1932), p. 83.1 et II ne
difèi-e>it
que par le nom desinconnues;
+ e!r3,
Çj
+
ivs
d’unepart
et~1
-- 1 ~"
vo
-’f3
d’autrepart
ne différent que par des fonctions arbitrairesd’intégration.
Pour
résoudre
complètement
leproblème
durayonnement
il suffira deconnaître,
daz2s touteleur
généralité,
les solutions du groupe1,
donc dequatre
équations
réelles seuleutent. 10.Equations
de Maxwell pour le vide. - Si l’on fait =0,
leséquations
déduites de
(46)
sontidentiques
auxéquations
de Maxwell(1).
Les conclusions
dupara-graphe
précédent
doivent donc subsister pour ceséquations
et nous conduire à des théo-rèmes tout à faitindépendants
del’interprétation particulière adoptée
dans ceparagraphe :
onpeut
parexemple
conclurequ’il
estpossible
deséyarer
leséquations
de Maxicell en deuxgroupes,
lesquels
ne que par le nom des inconnues.Il
en est ainsi effectivement. Les huitéquations
de Maxwell dans levide,
écrites avec lanotation
habituelle,
sontet les deux groupes sont formés
d’équations identiques
lepremier
entre(-
E)
etH,
le second entre H et E. Mais ces deux groupes necorrespondent
pas exactement à ladécom-position
choisie(50).
On
peut
écrire(51)
en deux groupes comme suit :Ces deux groupes sont formés
d’équations identiques
entre des inconnuesqui
portent
des noms différents. Il suffit pour s’en rendrecompte
de mettre enévidence,
dans le groupeI,
les nouvelles inconnues suivantes :Le groupe II sera
identique
aupremier,
à celaprès
que les inconnuess’appelleront
maintenant
et
qu’elles correspondront
une à une aux inconnues(53).
Il est inutile d’écrire ceséquations.
On n’a
qu’à
poser dans(52)
IJ IlLa
première équation
devientDonc dans la théorie
classique
de Maxwell lesgrandeurs suivantes,
formées àpartir
descomposantes
duchamp électromagnétique
et
satis font
aux mênleséquations
aux dérivéespartielles ;
cela ne veut évidemment pas direqu’elles
sontidentiques.
Mais en tout cas, on voitqu’il
suffit de savoirrésoudre,
dans touteleur
généralité
quatre
équations,
pour avoir la solution deséquations
de Maxwell pour le vide.Les
équations
classiques
deDirac,
àquatre composantes
nepeuvent
pas seséparer
endeux groupes ne différant que par le nom des inconnues. Il y a là une différence de struc-ture d’avec les
équations
deMaxwell,
qui
montre clairementjusqu’où
peut
allerl’analoqie
entre
photon
et un électron. ,°