resolvent, outgoing Green 함수, T-matrix를 도입해 입사파에서 산란파가 생성되는 적분방정식을 유도합니다.
산란상태는 자유입자 plane wave에 potential이 모든 지점에서 방출한 구면파를 중첩한 형태로 만들어집니다.
시간독립 Schrödinger 방정식 하나에서 들어오는 상태와 나가는 상태를 어떻게 구별할까요?
이번 글의 답에너지 resolvent에 ±i0 경계조건을 넣습니다. (E−H₀±i0)^{-1}의 극점 우회방향이 멀리서 outgoing 또는 incoming spherical wave를 선택하고 물리적 산란상태를 정의합니다.
01직관부터 완전 전개 계산까지
Lippmann–Schwinger 방정식: 기호를 외우기 전에 질문부터 세우기
H=H₀+V의 연속 스펙트럼에서 단순한 고유값 섭동론은 에너지 분모의 pole 때문에 실패합니다. 산란이론은 이 pole을 없애는 것이 아니라 어떤 경계조건으로 통과할지를 지정합니다. Lippmann–Schwinger 방정식은 미분방정식을 Green 함수 적분방정식으로 바꾸어 incident wave와 scattered wave를 명확히 분리하고 Born series와 T-matrix의 출발점을 제공합니다.
이 글을 읽기 전에 확인할 세 가지
Green 함수
학부 산란이론
보손·페르미온 대칭화
resolvent
복소 에너지 z에서 G(z)=(z−H)^{-1}로 정의되며 spectrum, 시간발전, 응답함수 정보를 담는 연산자입니다.
outgoing 경계조건
멀리서 입사 plane wave와 바깥으로 퍼지는 e^{ikr}/r 구면파만 남도록 고르는 조건입니다.
T-matrix
potential에 의한 한 번 및 모든 반복산란 V+VG₀V+…을 하나의 연산자로 합친 양입니다.
관찰에서 식과 예측으로 가는 흐름
각 화살표는 단순한 목차가 아니라 다음 단계가 왜 필요한지를 보여줍니다.
에너지 shell
경계조건
구면파 생성
반복산란 합
$$ |\psi_{\boldsymbol k}^{(+)}\rangle=|\boldsymbol k\rangle+G_0^{(+)}(E)V|\psi_{\boldsymbol k}^{(+)}\rangle,\qquad T(E)=V+VG_0^{(+)}(E)T(E) $$
핵심 식을 네 단계로 읽고 유도합니다
정지 산란식 (E−H₀−V)|ψ⟩=0을 (E−H₀)|ψ⟩=V|ψ⟩로 다시 씁니다.
E가 H₀의 연속스펙트럼 위에 있으므로 역연산자에 ±iε를 넣고 ε→0⁺ 극한을 취해 경계조건을 지정합니다.
동차해 |k⟩를 더해 |ψ^(+)⟩=|k⟩+G₀^(+)V|ψ^(+)⟩를 얻고 이를 반복 대입해 Born series를 만듭니다.
좌표표현에서 G₀^(+)(r,r′)=−(m/2πℏ²)e^{ik|r−r′|}/|r−r′|를 쓰고 r→∞ 점근형을 취해 f(k′,k)=−(m/2πℏ²)⟨k′|T|k⟩를 읽습니다.
대입에서 끝내지 않고 결과의 뜻까지 확인합니다
각 예제는 식 세우기 → 계산 → 단위·극한 점검 → 물리적 해석의 순서로 읽으세요.
3차원 자유 outgoing Green 함수
q 평면의 pole을 +i0 규약에 맞게 contour 적분하면 e^{+ikr}/r가 남습니다. −i0을 택하면 e^{-ikr}/r의 incoming Green 함수가 됩니다.
rank-1 separable potential의 정확한 T
Born series가 기하급수로 정확히 합쳐집니다. 분모가 0에 가까우면 T가 커져 bound state 또는 resonance pole이 나타나는 일반 구조를 보여줍니다.
T-matrix와 미분단면적
on-shell 조건은 탄성산란의 에너지보존입니다. normalization convention에 따라 앞계수 모양이 달라질 수 있으므로 plane-wave 정규화와 함께 사용해야 합니다.
스스로 확인하기 · 시간독립 Schrödinger 방정식 하나에서 들어오는 상태와 나가는 상태를 어떻게 구별할까요?
에너지 resolvent에 ±i0 경계조건을 넣습니다. (E−H₀±i0)^{-1}의 극점 우회방향이 멀리서 outgoing 또는 incoming spherical wave를 선택하고 물리적 산란상태를 정의합니다.
02문제와 물리적 직관
H=H₀+V의 연속 스펙트럼에서 단순한 고유값 섭동론은 에너지 분모의 pole 때문에 실패합니다. 산란이론은 이 pole을 없애는 것이 아니라 어떤 경계조건으로 통과할지를 지정합니다. Lippmann–Schwinger 방정식은 미분방정식을 Green 함수 적분방정식으로 바꾸어 incident wave와 scattered wave를 명확히 분리하고 Born series와 T-matrix의 출발점을 제공합니다.
- resolvent — 복소 에너지 z에서 G(z)=(z−H)^{-1}로 정의되며 spectrum, 시간발전, 응답함수 정보를 담는 연산자입니다.
- outgoing 경계조건 — 멀리서 입사 plane wave와 바깥으로 퍼지는 e^{ikr}/r 구면파만 남도록 고르는 조건입니다.
- T-matrix — potential에 의한 한 번 및 모든 반복산란 V+VG₀V+…을 하나의 연산자로 합친 양입니다.
03수학적 모형과 핵심 방정식
(E−H)|ψ⟩=0을 (E−H₀)|ψ⟩=V|ψ⟩로 옮기고 자유 resolvent G₀^(±)(E)=(E−H₀±i0)^{-1}를 작용합니다. 그러면 |ψ_k^(±)⟩=|k⟩+G₀^(±)V|ψ_k^(±)⟩입니다. T(E)=V+VG₀^(+)T를 정의하면 on-shell matrix element가 산란진폭을 줍니다.
04유도와 계산 전략
공식은 외우는 대상이 아니라 가정과 정의에서 따라 나오는 결과입니다. 아래 순서를 따라 각 항의 출처와 계산 조건을 확인합니다.
- 정지 산란식 (E−H₀−V)|ψ⟩=0을 (E−H₀)|ψ⟩=V|ψ⟩로 다시 씁니다.
- E가 H₀의 연속스펙트럼 위에 있으므로 역연산자에 ±iε를 넣고 ε→0⁺ 극한을 취해 경계조건을 지정합니다.
- 동차해 |k⟩를 더해 |ψ^(+)⟩=|k⟩+G₀^(+)V|ψ^(+)⟩를 얻고 이를 반복 대입해 Born series를 만듭니다.
- 좌표표현에서 G₀^(+)(r,r′)=−(m/2πℏ²)e^{ik|r−r′|}/|r−r′|를 쓰고 r→∞ 점근형을 취해 f(k′,k)=−(m/2πℏ²)⟨k′|T|k⟩를 읽습니다.
05적용 범위·한계·다음 연결
Coulomb potential처럼 장거리 상호작용은 멀리서 자유 plane wave라는 가정이 깨져 표준 Lippmann–Schwinger 점근형을 수정해야 합니다. potential이 너무 singular하면 regularization과 renormalization이 필요할 수 있습니다. 또한 plane wave는 정규화 불가능하므로 엄밀한 산란확률은 wave packet limit로 이해해야 합니다.
- 다음 글에서 T≈V인 Born 근사와 angular momentum으로 정확히 unitary인 partial-wave 방법을 비교합니다.
- Fermi golden rule은 on-shell T-matrix의 가장 낮은 차수와 상태밀도로 전이율을 만듭니다.
- many-body Green 함수의 self-energy와 spectral function도 resolvent의 pole·branch cut 구조를 분석합니다.
06이 글의 용어 사전
본문을 읽다가 “그래서 이 말이 정확히 뭐지?”라는 질문이 생기면 여기에서 다시 확인할 수 있습니다.
- resolventresolvent operator
- 복소 에너지 z에서 G(z)=(z−H)^{-1}로 정의되며 spectrum, 시간발전, 응답함수 정보를 담는 연산자입니다.
- outgoing 경계조건outgoing boundary condition
- 멀리서 입사 plane wave와 바깥으로 퍼지는 e^{ikr}/r 구면파만 남도록 고르는 조건입니다.
- T-matrixtransition operator
- potential에 의한 한 번 및 모든 반복산란 V+VG₀V+…을 하나의 연산자로 합친 양입니다.
- 생성자generator
- 연속 변환을 무한소 수준에서 만들며 대응하는 보존량과 연결되는 Hermitian 연산자입니다.
- 표현representation
- 추상 대칭 연산을 상태공간에서 작용하는 행렬이나 연산자로 구현한 것입니다.
- propagator
- 초기 상태가 주어진 시간 뒤 어떤 상태로 이동하는지를 나타내는 시간발전 kernel입니다.
07참고자료와 더 읽을거리
- Sakurai & Napolitano, Modern Quantum Mechanics, 3rd ed. — 추상 형식, 동역학, 대칭성, 근사법, 산란과 상대론적 양자역학을 다루는 대학원 기준 교재입니다.
- MIT OpenCourseWare, Quantum Theory I — Sakurai를 주교재로 Hilbert 공간, 합성계, 대칭성, 경로적분과 근사법을 전개합니다.
- MIT OpenCourseWare, Quantum Theory II — 고급 산란, 동일입자와 상대론적 양자이론으로 이어지는 두 번째 대학원 과목입니다.
- KAIST 물리학과 대학원 교과과정 — PH503·PH504 양자역학 I·II와 고체·통계·장론 과목 사이의 공식 연결을 확인합니다.