S-maтрица, совокупность величин (
Матрица), описывающая процесс перехода квантовомеханических систем из одних состояний в другие при их взаимодействии (рассеянии). Понятие "М. р." введено В.
Гейзенбергом в 1943.
При рассеянии система переходит из одного квантового состояния, начального (его можно отнести к моменту времени
t = -∞) в другое, конечное (
t = +∞). Если обозначить набор квантовых чисел (См.
Квантовые числа), характеризующих начальное состояние, через
i, а конечное - через
f, то
Амплитуда рассеяния (квадрат модуля которой определяет вероятность данного
рассеяния) может быть записана как
Sfi. Совокупность амплитуд
рассеяния образует таблицу с двумя входами (
i - номер строки,
f - номер столбца), которая и называется М. р.
S. Каждая амплитуда является элементом этой матрицы (матричным элементом). Наборы квантовых чисел
i,
f могут содержать как непрерывные величины (энергию, угол
рассеяния и другие), так и дискретные (орбитальное квантовое число,
Спин,
Изотопический спин, массу и т. д.). В простейшем случае системы двух бесспиновых частиц в нерелятивистской квантовой механике состояние определяется относительным импульсом частиц
р; тогда амплитуда
рассеяния представляет собой функцию двух переменных - энергии
Е и угла
рассеяния ϑ
Sfi = F (E, ϑ).
В общем случае М. р. содержит элементы, отвечающие как упругому рассеянию, так и процессам превращения и рождения частиц. Квадрат модуля матричного элемента ∣Sfi∣2 определяет вероятность соответствующего процесса (или его эффективное поперечное сечение).
Нахождение М. р. - основная задача квантовой механики и квантовой теории поля. М. р. содержит всю информацию о поведении системы, если известны не только численные значения, но и аналитические свойства (см.
Аналитические функции) её элементов; в частности, её полюсы (см.
Особая точка) определяют связанные состояния системы (а следовательно, дискретные уровни энергии). Из основных принципов квантовой теории следует важнейшее свойство М. р. - её унитарность. Оно выражается в виде соотношения
SS+ = 1 [
S+ - матрица, эрмитово сопряжённая
S, то есть (
S+)
fi =
S*if, где знак* означает комплексное сопряжение] или
и отражает тот факт, что сумма вероятностей рассеяния по всем возможным каналам реакции должна равняться единице. Соотношение унитарности позволяет устанавливать важные соотношения между различными процессами, а в некоторых случаях даже полностью решить задачу. В релятивистской квантовой механике существует направление, в котором М. р. считается первичной динамической величиной; требования унитарности и аналитичности М. р. должны служить при этом основой построения полной системы уравнений, определяющей матрицу S.
В. Б. Берестецкий.