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停留位相と WKB:この部の環を閉じる

2026年10月15日2分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第7部 第8章 ◆経路積分:作用で量子力学を書き直す

AI 生成・木下が未勉強

量子力学入門 第7部 第8章 §7.8.4 ★★ 経路積分と WKB のつながり(発展だが核心)

一般の VV では (7.8.1) は厳密に閉じないが、ℏ→0\hbar\to0 の停留位相近似が使える:積分は δS=0\delta S=0 の古典経路の近傍が支配し、2次のゆらぎまで拾うと

K ≃ 12πiℏ∣∂2Scl∂xi∂xf∣ eiScl(xf,xi;T)/ℏK\ \simeq\ \sqrt{\frac{1}{2\pi\mathrm{i}\hbar}\Bigl|\frac{\partial^2S_{\rm cl}}{\partial x_i\partial x_f}\Bigr|}\ \mathrm{e}^{\mathrm{i} S_{\rm cl}(x_f,x_i;T)/\hbar}

(van Vleck の公式;自由粒子と調和振動子ではこれが厳密になる——作用が2次だからで、調和振動子で WKB が厳密だった第5章の事実の経路積分側の顔である)。位相は Hamilton の主関数 SclS_{\rm cl}(§7.2.6)、振幅は ∂2Scl/∂xi∂xf=−∂pi/∂xf\partial^2S_{\rm cl}/\partial x_i\partial x_f=-\partial p_i/\partial x_f——「終点を動かしたとき始運動量がどれだけ変わるか」=古典軌道の束の広がり具合であり、WKB の 1/p1/\sqrt p(流れの保存)の多次元版にあたる。エネルギー表示に Fourier 変換(停留位相=§7.2.3 の Legendre 変換 S→W−EtS\to W-Et…の逆)すれば、第3章の WKB 波動関数 1pe±i∫p dx/ℏ\frac{1}{\sqrt p}\mathrm{e}^{\pm\mathrm{i}\int p\,\mathrm{d} x/\hbar} がそのまま回収される。

経路積分のまとめ——この部の三位一体

  • Trotter 分解+完全性の挿入で K=∫Dx eiS/ℏK=\int\mathcal Dx\,\mathrm{e}^{\mathrm{i} S/\hbar} が導出される。位相空間版の pp 積分=Legendre 変換(§7.2.3)。
  • 自由粒子・調和振動子は厳密に解け、K=(ゆらぎ)×eiScl/ℏK=(\text{ゆらぎ})\times\mathrm{e}^{\mathrm{i} S_{\rm cl}/\hbar}。Mehler 核のトレースから En=ℏω(n+12)E_n=\hbar\omega(n+\frac12) が固有値問題なしで出る。
  • ℏ→0\hbar\to0 の停留位相(van Vleck)が WKB を再現:経路積分(大域的な和)・Hamilton–Jacobi(古典の偏微分方程式)・WKB(波動方程式の ℏ\hbar 展開)は同じ半古典物理の3つの言語である。
  • 虚時間 T→−iℏβT\to-\mathrm{i}\hbar\beta で分配関数へ(Wick 回転)——統計力学との橋。

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