시간 의존 섭동론 (Time-Dependent Perturbation Theory)
1. 기본 설정
정의6.4시간 의존 섭동론의 설정
시간에 의존하는 섭동이 가해진 해밀토니안:
H^(t)=H^(0)+H^′(t)t<0에서 H^′=0이고, 시스템은 비섭동 고유상태 ∣i⟩에 있다. t=0부터 섭동이 켜진다.
상태를 비섭동 고유상태로 전개한다:
∣Ψ(t)⟩=n∑cn(t)e−iEn(0)t/ℏ∣n(0)⟩초기 조건: ci(0)=1, cn(0)=0 (n=i)
2. 전이 진폭
슈뢰딩거 방정식에 대입하면:
iℏc˙f(t)=n∑Hfn′(t)eiωfntcn(t)
여기서 ωfn=(Ef(0)−En(0))/ℏ이고 Hfn′=⟨f(0)∣H^′∣n(0)⟩이다.
1차 근사: cn(t)≈δni를 우변에 대입:
cf(1)(t)=−ℏi∫0tHfi′(t′)eiωfit′dt′
전이 확률:
Pi→f(t)=∣cf(1)(t)∣2=ℏ21∫0tHfi′(t′)eiωfit′dt′2
3. 상수 섭동
4. 조화 섭동 (주기적 섭동)
정의6.5조화 섭동
H^′(t)=Ve−iωt+V†eiωt 형태의 주기적 섭동에 대해:
1차 전이 진폭:
cf(1)(t)=−ℏi[Vfiωfi−ωei(ωfi−ω)t−1+Vfi†ωfi+ωei(ωfi+ω)t−1]흡수 (Ef>Ei): ωfi−ω≈0일 때 첫째 항이 지배적
Pi→fabs≈ℏ2∣Vfi∣2(ωfi−ω)24sin2[(ωfi−ω)t/2]방출 (Ef<Ei): ωfi+ω≈0일 때 둘째 항이 지배적
5. 상호작용 표현 (디랙 표현)
참고상호작용 표현
시간 의존 섭동론은 상호작용 표현(interaction picture)에서 가장 자연스럽게 정리된다:
∣ΨI(t)⟩=eiH^(0)t/ℏ∣ΨS(t)⟩H^I′(t)=eiH^(0)t/ℏH^S′(t)e−iH^(0)t/ℏ운동 방정식:
iℏ∂t∂∣ΨI(t)⟩=H^I′(t)∣ΨI(t)⟩형식적 해 (다이슨 급수, Dyson series):
∣ΨI(t)⟩=T^exp[−ℏi∫0tH^I′(t′)dt′]∣ΨI(0)⟩여기서 T^는 시간 순서 곱(time-ordering operator)이다.
6. 아디아바틱 근사와 급격한 근사
시간 의존 문제의 두 가지 극한적 경우:
아디아바틱 근사 (섭동이 매우 천천히 변할 때): 계는 순간 고유상태에 머무른다 (아디아바틱 정리).
급격한 근사 (섭동이 매우 빠르게 변할 때): 파동함수는 변하지 않고, 해밀토니안만 갑자기 바뀐다.