S行列

S行列（Sぎょうれつ）または散乱行列（さんらんぎょうれつ、）とは、散乱過程の始状態と終状態に関係する行列である。量子力学、散乱理論、場の量子論、マイクロ波工学などで用いられる。
量子論における散乱演算子は、ヒルベルト空間上の粒子の漸近的な状態をつなぐユニタリ演算子として定義される。
つまり、始状態 formula_2 の後に散乱過程が起こり、終状態 formula_3 に到達したときの、時間発展演算子 formula_4が散乱演算子である。この散乱演算子を行列表示したものがS行列である。
設定・定義.
散乱過程を始状態から終状態への転移としてとらえる散乱理論では、その転移確率を時間依存シュレディンガー方程式を用いて求める（時間発展についてはシュレディンガー描像から相互作用描像に書き換えてから計算することもある）。この方法は量子力学の考え方に沿った方法であり、非弾性散乱なども扱えるため一般性がある。
このとき状態の時間変化は時間発展演算子を用いて以下のように表せる。
この表式は、はじめ時刻formula_5において状態formula_16にあった系が、時刻formula_17においては相互作用の影響によって状態formula_18に変わっていることを表すものである。
2粒子の衝突が終わり、それらの粒子がたがいに遠くに離れた時刻をformula_19とすると、その状態は
で与えられる。この式によって形成された状態ベクトルformula_21を、formula_22の固有ベクトルの完全系formula_23で展開し、その展開係数をformula_24と書くと、
である。すなわち
は、時刻formula_5にformula_22の固有状態formula_23にあった系が、相互作用formula_30によって、時刻時刻formula_31においてformula_22の固有状態formula_33に転移する確率振幅を与える。このformula_34をS行列と呼び、formula_35をS演算子と呼ぶ。
散乱現象に関するすべての知識はS行列によって記述される。つまり、S行列が求められれば散乱問題は解けたことになる。S行列が求まれば、その絶対値の2乗をとることにより、始状態formula_36から終状態formula_37への転移確率formula_38が求まる。
これより散乱断面積が計算できる。したがって、散乱現象を状態の転移として考える立場において、S行列はその中心的な役割をになう重要な物理量となる。
T行列・リアクタンス行列.
散乱問題を解くときにS行列の代わりに
で定義されるT行列を使うこともある。T行列は散乱振幅に直結していて便利である。
さらにケイリー変換
によってエルミート演算子formula_42を導入することがあるが、これをR行列またはリアクタンス行列という。