クライン-ゴルドン方程式

クライン–ゴルドン方程式 (クライン–ゴルドンほうていしき、) は、スピン0の相対論的な自由粒子を表す場（クライン–ゴルドン場）が満たす方程式である。スウェーデン人物理学者オスカル・クラインとドイツ人物理学者ヴァルター・ゴルドンにちなんで名づけられた。

概要 
質量m の自由粒子を表すクライン–ゴルドン場をとすると、クライン–ゴルドン方程式は

 
と表される。但し、∇2はラプラス作用素、c は光速度、はプランク定数を2πで割った定数(ディラック定数)である。クライン–ゴルドン方程式は、ローレンツ変換に対して形を変えない、相対論的に不変な方程式である。

ここで、ダランベールの演算子

 

と新たな量

 

を導入すれば、クライン–ゴルドン方程式は

 

と簡明に表すことができる。

なお、クライン–ゴルドン方程式の記述においては、とする自然単位系が採用されることも多い。

歴史 
量子論の形成において、相対論的波動方程式は波動力学の基礎を築いたエルヴィン・シュレーディンガーによって、最初に考察された。シュレーディンガーは、波動力学の基礎方程式を導出する過程の中で、相対論的な方程式を考えたが、これは水素原子のスペクトル構造を正しく与えることができず、1926年に非相対論的なシュレーディンガー方程式を導くに至った。また、ルイ・ド・ブロイはド・ブロイ波の理論の中で、粒子性と波動性を持つ物質場を相対論的に論じた。

シュレーディンガー方程式による量子力学の定式化が成功を収めて間もなく、非相対論的なシュレーディンガー方程式の相対論的な方程式への拡張として、クライン–ゴルドン方程式がオスカル・クライン、ヴァルター・ゴルドンによって提案された。また、同時期にウラジミール・フォック、J. Kudar、テオフィル・ド・ドンデらも同様な提案を行った。

しかしながら、当初、クライン–ゴルドン方程式が記述するは波動関数として解釈されたため、いくつかの問題を抱えていた。を波動関数と見なした場合、クライン–ゴルドン方程式は時間について二階の微分方程式であり、確率密度が負の値を取りうるため、量子力学における確率解釈が困難であった。また、正のエネルギーの解に加えて、負のエネルギーの解が現れるため、粒子が安定な状態をとれない問題を抱えていた。こうした問題から、クライン–ゴルドン方程式は一旦、理論から放棄されることとなった。

1928年にポール・ディラックは、この確率解釈の困難を解消すべく、クライン–ゴルドン方程式に代わる基礎方程式として、時間について一階の微分方程式であるディラック方程式を導いた。ディラック方程式にも負のエネルギーが現れるものの、これは波動関数ではなく、正負の電荷をもつスピン1/2のフェルミ粒子の場（ディラック場）を記述する方程式と理解され、相対論的量子力学の基礎方程式と位置付けられるようになった。

ディラック方程式のみならず、クライン–ゴルドン方程式が、相対論的な場が満たす正しい方程式であることは、1934年にウォルフガング・パウリとヴィクター・ワイスコップによって示された。パウリとワイスコップは、正準量子化したスピン0のボース粒子の場の満たす方程式がクライン–ゴルドン方程式であることを明らかにした。後に、クライン–ゴルドン方程式を満たすスカラー場の理論は、パイ中間子の理論の発展に寄与することとなった。

導出 
相対論的な粒子のエネルギーを、運動量をp とすると、

 

が成り立つ。ただし、m は粒子の静止質量、c は光速度である。ここで、非相対論的量子力学とのアナロジーによって、
及びという置き換えをすると、

 

となる。この式を、クライン-ゴルドン場に作用する演算子に対する等式とみなすと、

 

を得る。上式の両辺をで割り、整理すると、クライン–ゴルドン方程式が得られる。

変分原理による導出 
物理における他の基礎方程式と同様に、クライン–ゴルドン方程式も作用積分に対する変分から導くことができる（変分原理）。
クライン–ゴルドン方程式において、作用積分
 
のラグランジアン密度は、
 
 
で与えられる。但し、添え字μについてはアインシュタインの記法に従った和を取るものとする。このとき、場の量に対するオイラー＝ラグランジュ方程式
 
より、上述のクライン–ゴルドン方程式が導かれる。

脚注

参考文献 
 J. J. Sakurai, Advanced Quantum Mechanics, Addison Wesley(1967) ISBN 978-0201067101
 Silvan S. Schweber, An Introduction to Relativistic Quantum Field Theory, Dover Publications (2005) ISBN 978-0486442280

関連項目 
 相対論的量子力学
 波動方程式 - 電信方程式
 クライン＝ゴルドン方程式 - スピン0の相対論的ボース粒子。スカラー場。
ディラック方程式 - スピン1/2の相対論的フェルミ粒子。スピノル場。
マクスウェル方程式 - スピン1、質量0の相対論的ボース粒子。ベクトル場。
プロカ方程式 - スピン1、質量が0でない相対論的ボース粒子。ベクトル場。
ラリタ＝シュウィンガー方程式 - スピン3/2。ベクトル・スピノル場（ラリタ＝シュウィンガー場）。
アインシュタイン方程式 - スピン2。

相対論的量子力学
微分方程式
物理学の方程式
場の量子論
オスカル・クライン
物理学のエポニム