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标量场论

理论物理学中,标量场论可以指相对论不变的经典量子标量场理论。标量场在任何洛伦兹变换下都是不变的。[1]

自然界中唯一观测到的基本标量量子场是希格斯场。标量量子场也出现在很多物理现象的有效场论描述中,例如π介子,实际上是伪标量[2]

由于不涉及极化的复杂问题,标量场往往最容易理解二次量子化。所以,标量场论常用于介绍新概念和新技术。[3]

下面所用的度量的符号为 (+, −, −, −)

经典标量场论 编辑

本节的一般参考文献是Ramond, Pierre (2001-12-21). Field Theory: A Modern Primer (Second Edition). USA: Westview Press. ISBN 0-201-30450-3, Ch 1.

线性(自由)理论 编辑

最基本的标量场论是线性理论。通过场的傅立叶分解,可表示无穷多耦合谐振子简正模,其中谐振子的序号i缩放极限现表示为x。则,相对论不变的标量场论的作用量可写作

 

其中 称作拉格朗日密度 表示三个空间坐标; 克罗内克δ函数 表示第 个坐标 

这是二次作用量的一个例子,因为每项都是场φ的二次项。与 成比例的项有时称作质量项,这是因为它在量子化版本中被解作粒子质量。

理论的运动方程由极限化上述作用得到,形式如下,与φ呈线性关系:

 

其中∇2拉普拉斯算子。这就是克莱因-戈尔登方程,被解释为经典场方程,而非量子力学波动方程。

非线性(相互作用)理论 编辑

上述线性理论最常见的推广是在拉格朗日量中加入标量势 ,通常除了质量项之外,V还是 的多项式。这种理论有时被称作相互作用理论,因为欧拉-拉格朗日方程现在是非线性的,意味着自相互作用。最一般的此类理论的作用量是

 

如下所述,在量子理论的费曼图展开中,引入n!因子是有用的。

相应的欧拉-拉格朗日方程是

 

维度分析与缩放 编辑

这些标量场论中的物理量可能具有长度、时间或质量维度,或三者的某种组合。

不过,相对论中,任何具有时间维度的量t都可用光速c轻易转换为长度 ;任何长度l也可由普朗克常数 表示为 。自然单位制中,可以将时间看做长度,将它们看做质量的倒数。

总之可以认为,任何物理量的维度都由一个独立的维度定义,而非由所有三个维度定义,这通常称为物理量的质量维。知道了每个量的维度,就可从自然单位表达式中唯一地恢复常规维度,重新插入维度一致所需的 c的幂即可。

可以预想反对意见:这理论是经典理论,因此普朗克常数的地位不明显。我们确实可以无质量维地重构它,但这会稍微模糊语量子标量场的关系。鉴于有质量维,普朗克常数这里被认为是本质上随机地固定的作用参考量(不一定与量子化有关),于是其维度适于在质量和逆长度之间转换。

缩放维度 编辑

φ的经典缩放维度或质量维度Δ描述了坐标缩放变换下的场变换:

 
 

作用量单位与ħ的单位相同,因此作用量本身的质量维为零。这就将场φ的缩放维度固定为

 

标度不变性 编辑

某些标量场论在某种意义上是标度不变的。虽然上述作用都被构造为零质量维,但并非所有作用都在缩放变换

 
 

下不变。

并非所有作用量都不变,这是因为人们常把参数m 视作定值,在上述变换下不变。因此,标量场论具有标度不变性的条件非常明显:作用量的所有参数都应是无量纲量。 即,标度不变理论就是没有任何固定尺度的理论。

D维时空的标量场论,唯一的无量纲参数 满足 。例如,D=4维时空中,只有 是经典无量纲的,因此D=4时空中唯一经典标度不变的标准标量场论是无质量的φ4理论。

不过,由于涉及重整化群,经典标度不变通常不意味着量子标度不变,详见下文贝塔函数的讨论。

共形不变性 编辑

变换

 

若对某函数 ,满足

 

则称作共形的。

共形群包含度量 等距子群(庞加莱群),以及上文提到的标度变换(或标度不变性)。事实上,前述标度不变理论也是共形不变的。

φ4理论 编辑

φ4理论说明了标量场论中的许多有趣现象。拉格朗日密度为

 

自发对称破缺 编辑

这拉格朗日量在变换 下有 对称性。这是内部对称性的一个例子,与时空对称性不同。

 为正,势

 

在原点有单一极小值。解  对称下显然是不变的。

反之,若 为负,则很容易看到势

 

有两个极小值。这就是所谓双阱势,这种理论中,最低能态(量子场论称作空穴)在 对称下并不是不变的(实际上会将两个空穴映射到对方)。这时, 对称发生自发破缺

扭状解 编辑

具有负 φ4理论也有扭状解(kink solution),是孤波的典型例子。这种解的形式为

 

其中x是空间变量之一(φt及其他空间变量彼此无关)。解在双阱势的两个不同空穴之间插值。若没有能量无穷大的解,就无法将扭变形为恒定解,因此扭状解也称作稳定解。对D>2(即具有多个空间维度的理论),这种解称作畴壁(domain wall)。

另一个具有扭状解的标量场论的著名例子是正弦-戈尔登方程理论。

复标量场论 编辑

在复标量场论中,标量场在复数中取值。复标量场表示自旋为零的粒子和带点和的反粒子。通常考虑的作用形式为

 

具有U(1)对称性,等价于O(2)对称性,对场空间的作用是旋转 ,相角α为实数。

而实标量场,若 为负,就会发生自发对称破缺。这产生了戈德斯通的墨西哥帽势,是实标量场的双阱势绕 轴旋转2π弧度。对称性破缺发生在更高维度,即空穴的选择,打破了连续的U(1)对称性,而非离散的。标量场的两分量被重构为大规模模型(massive mode)与无质量戈德斯通玻色子

O(N)理论 编辑

可用两个实场表示复标量场论: ,在U(1) = O(2)内部对称的向量表示下进行变换。虽然这些场在内部对称下转换为向量,但仍是洛伦兹标量。

这可以推广到在O(N)对称的向量表示下变换的N个标量场。O(N)不变的标量场论的拉格朗日量通常是以下形式的:

 

内积需要是适当O(N)不变的。该理论也可用复向量场表示,即 ,这时对称群是李群SU(N)

规范场耦合 编辑

标量场论以一种规范不变的方式与杨-米尔斯作用耦合,就得到了超导的金兹堡-朗道方程。这理论的拓扑孤子对应超导体中的涡流;墨西哥帽势的极小值对应超导体的阶参数。

量子标量场论 编辑

本节的一般参考文献为Ramond, Pierre (2001-12-21). Field Theory: A Modern Primer (Second Edition). USA: Westview Press. ISBN 0-201-30450-3, Ch. 4

量子场论中,场与所有可观测量都表示为希尔伯特空间上的量子算子。这希尔伯特空间建立在真空态上,动力学受到量子哈密顿算符支配,是湮灭真空的正定算符。量子标量场的构造详见正则量子化条目,依赖于场之间的正则对易关系。根本上,在标量场中作为其(解耦)简正模组合成的经典谐振子现在以标准方式进行了量子化,于是相应的量子算符场描述了作用于相应福克空间的量子谐振子

总之,基本变量是量子场φ及其正则动量π。这两个算子值场都是厄米的。在空间点 、时间相等时,其正则对易关系

 

而自由哈密顿算符则与之相似,

 

空间傅立叶变换产生动量空间

 

解析为湮灭与创生算子

 

其中 

算子满足对易关系

 

被所有算子a湮灭的状态 称作裸真空,对真空施加 就会产生动量为 的粒子。

将所有可能创生算子组合应用于真空,就能构建出相关的希尔伯特空间:这种构造称作福克空间。真空由哈密顿算符

 

湮灭,其中零点能Wick排序消除。(见正则量子化

相互作用可由相互作用哈密顿量实现。对φ4理论,这相当于给哈密顿量添加Wick有序项 ,并对x积分。散射振幅可用相互作用绘景中的哈密顿量计算,是由戴森级数在微扰理论中构建的,戴森级数给出了时间有序积或n粒子格林函数 。格林函数也可从求解施温格-戴森方程所构建的生成函数中获得。

费曼路径积分 编辑

费曼图展开也可从费曼路径积分表述中获得。[4]φ多项式的时序真空期望值,即n粒子格林函数,是对所有可能的场进行积分,并以无外场时的真空期望值归一化得到的:

 

所有这些格林函数都可通过扩展生成函数中 的指数来获得:

 

可用威克转动将时间变为虚数。将符号变为(++++)后,费曼积分即变为欧氏空间中的配分函数

 

通常,这适于定动量粒子的散射,这时傅立叶变换往往有用,可得

 

其中 狄拉克δ函数

评估这泛函积分的标准技巧是将其写成指数因子之积,即

 

后两个指数因子可展开为幂级数,这种展开的组合可用四次相互作用的费曼图表示。

g = 0的积分可视作无穷多基本高斯积分之积:结果可用费曼图之和表示,计算时使用以下费曼法则:

  • n点欧氏格林函数中的每个场 都由图中的一条外线(半边)表示,并与动量p相关联。
  • 每个顶点用因子−g表示。
  • 在给定阶 时,所有具有n条外线和k个顶点的图都是这样构造的:流入顶点的动量均为零。每条内线表示为传播子 ,其中q是流经线的动量。
  • 任何无约束动量都对所有值积分。
  • 结果除以对称性系数,即在不改变连通性的前提下,重排图的线与顶点的方式数。
  • 不包括函“真空泡”的图,即无外线的联通子图。

最后一条规则考虑了除以 的影响。闵氏空间的费曼法则与此类似,只是顶点用−ig表示,内线用传播子 表示, 项代表使{闵氏空间高斯积分收敛的微小威克旋转。

重整化 编辑

费曼图中对无约束动量的积分(称为“环路积分”,loop integral)通常会发散。这一般用重整化处理,即在拉格朗日量中加入发散的相反项,从而使原拉格朗日量和反项构建的图收敛。[5]这过程中必须引入重整化标度, 耦合常数与质量都取决于它。

耦合常数g在标度 上的依赖由β函数 编码,定义是

 

这种对能量标度的依赖称作“耦合参数的运行”,量子场论中这种系统标度依赖的理论由重整化群描述。

β函数通常用近似方法计算,最常见的是微扰理论,即假定耦合常数很小。然后,便可以对耦合参数进行幂级数展开,并截去高阶项(也称为高贡献。与相应费曼图的环数有关)。

φ4理论的一环β函数(第一微扰贡献)是

 

最低阶项前面的符号为正,表明耦合常数随着能量增加。这种行为在大规模耦合时若也存在,将表明在有限能量下存在朗道极点,是由量子平凡性引起的。然而,这问题只能以非微扰形式回答,因为涉及强耦合。

当由β函数计算得重整化耦合在紫外截止被移除后归零时,称相应的量子场论是平凡的。这样,传播子变成了自由粒子的,场不再相互作用。

Michael Aizenman证明,在时空维度D ≥ 5的情形下,φ4相互作用理论是平凡的。[6]

D = 4,平凡性尚未得到严格证明,但晶格计算为此提供了有力证据。这一事实非常重要,因为量子平凡性可用于约束、甚至预测希格斯玻色子质量等量的参数。这也可以导致在渐进安全情形下的可预测希格斯玻色子质量。[7]

另见 编辑

脚注 编辑

  1. ^ 即,在洛伦兹群的平凡(0, 0)表示下发生变换,使得场在任何时空点上的值保持不变,这与向量场张量场、旋子张量不同,后者的分量在洛伦兹变换下会发生混合。由于粒子或场的自旋由其变换所据的洛伦兹表示决定,因此所有标量(及伪标量)场和粒子的自旋都为零,因此根据自旋统计定理,它们都是玻色子。参见Weinberg 1995,Chapter 5
  2. ^ 这意味着它在反转空间方向的宇称变换下会变化,与宇称不变的真标量有别。见Weinberg 1998,Chapter 19
  3. ^ Brown, Lowell S. Quantum Field Theory. Cambridge University Press. 1994. ISBN 978-0-521-46946-3.  Ch 3.
  4. ^ 本节的一般参考文献是Ramond, Pierre. Field Theory: A Modern Primer Second. USA: Westview Press. 2001-12-21. ISBN 0-201-30450-3. 
  5. ^ See the previous reference, or for more detail, Itzykson, Zuber; Zuber, Jean-Bernard. Quantum Field Theory . Dover. 2006-02-24. ISBN 0-07-032071-3. 
  6. ^ Aizenman, M. Proof of the Triviality of ϕ4
    d
    Field Theory and Some Mean-Field Features of Ising Models for d > 4. Physical Review Letters. 1981, 47 (1): 1–4. Bibcode:1981PhRvL..47....1A. doi:10.1103/PhysRevLett.47.1.
     
  7. ^ Callaway, D. J. E. Triviality Pursuit: Can Elementary Scalar Particles Exist?. Physics Reports. 1988, 167 (5): 241–320. Bibcode:1988PhR...167..241C. doi:10.1016/0370-1573(88)90008-7. 

参考文献 编辑

  • Peskin, M.; Schroeder, D. An Introduction to Quantum Field Theory. Westview Press. 1995. ISBN 978-0201503975. 
  • Weinberg, S. The Quantum Theory of Fields  I. Cambridge University Press. 1995. ISBN 0-521-55001-7. 
  • Weinberg, S. The Quantum Theory of Fields  II. Cambridge University Press. 1998. ISBN 0-521-55002-5. 
  • Srednicki, M. Quantum Field Theory. Cambridge University Press. 2007. ISBN 9780521864497. 
  • Zinn-Justin, J. Quantum Field Theory and Critical Phenomena. Oxford University Press. 2002. ISBN 978-0198509233. 

外部链接 编辑

  • The Conceptual Basis of Quantum Field Theory Click on the link for Chap. 3 to find an extensive, simplified introduction to scalars in relativistic quantum mechanics and quantum field theory.

标量场论, 理论物理学中, 可以指相对论不变的经典或量子的标量场理论, 标量场在任何洛伦兹变换下都是不变的, 自然界中唯一观测到的基本标量量子场是希格斯场, 标量量子场也出现在很多物理现象的有效场论描述中, 例如π介子, 实际上是伪标量, 由于不涉及极化的复杂问题, 标量场往往最容易理解二次量子化, 所以, 常用于介绍新概念和新技术, 下面所用的度量的符号为, 目录, 经典, 线性, 自由, 理论, 非线性, 相互作用, 理论, 维度分析与缩放, 缩放维度, 标度不变性, 共形不变性, 4理论, 自发对称破缺, 扭. 理论物理学中 标量场论可以指相对论不变的经典或量子的标量场理论 标量场在任何洛伦兹变换下都是不变的 1 自然界中唯一观测到的基本标量量子场是希格斯场 标量量子场也出现在很多物理现象的有效场论描述中 例如p介子 实际上是伪标量 2 由于不涉及极化的复杂问题 标量场往往最容易理解二次量子化 所以 标量场论常用于介绍新概念和新技术 3 下面所用的度量的符号为 目录 1 经典标量场论 1 1 线性 自由 理论 1 2 非线性 相互作用 理论 1 3 维度分析与缩放 1 3 1 缩放维度 1 3 2 标度不变性 1 3 3 共形不变性 1 4 f 4理论 1 4 1 自发对称破缺 1 4 2 扭状解 1 5 复标量场论 1 6 O N 理论 1 7 规范场耦合 2 量子标量场论 2 1 费曼路径积分 2 2 重整化 3 另见 4 脚注 5 参考文献 6 外部链接经典标量场论 编辑更多信息 拉格朗日量 本节的一般参考文献是Ramond Pierre 2001 12 21 Field Theory A Modern Primer Second Edition USA Westview Press ISBN 0 201 30450 3 Ch 1 线性 自由 理论 编辑 最基本的标量场论是线性理论 通过场的傅立叶分解 可表示无穷多耦合谐振子的简正模 其中谐振子的序号i的缩放极限现表示为x 则 相对论不变的标量场论的作用量可写作 S d D 1 x d t L d D 1 x d t 1 2 h m n m ϕ n ϕ 1 2 m 2 ϕ 2 d D 1 x d t 1 2 t ϕ 2 1 2 d i j i ϕ j ϕ 1 2 m 2 ϕ 2 displaystyle begin aligned mathcal S amp int mathrm d D 1 x mathrm d t mathcal L amp int mathrm d D 1 x mathrm d t left frac 1 2 eta mu nu partial mu phi partial nu phi frac 1 2 m 2 phi 2 right 6pt amp int mathrm d D 1 x mathrm d t left frac 1 2 partial t phi 2 frac 1 2 delta ij partial i phi partial j phi frac 1 2 m 2 phi 2 right end aligned nbsp 其中L displaystyle mathcal L nbsp 称作拉格朗日密度 d 4 1 x d x d y d z d x 1 d x 2 d x 3 displaystyle rm d 4 1 x equiv rm d x cdot rm d y cdot rm d z equiv rm d x 1 cdot rm d x 2 cdot rm d x 3 nbsp 表示三个空间坐标 d i j displaystyle delta ij nbsp 是克罗内克d函数 r x r displaystyle partial rho partial partial x rho nbsp 表示第r displaystyle rho nbsp 个坐标x r displaystyle x rho nbsp 这是二次作用量的一个例子 因为每项都是场f 的二次项 与m 2 displaystyle m 2 nbsp 成比例的项有时称作质量项 这是因为它在量子化版本中被解作粒子质量 理论的运动方程由极限化上述作用得到 形式如下 与f 呈线性关系 h m n m n ϕ m 2 ϕ t 2 ϕ 2 ϕ m 2 ϕ 0 displaystyle eta mu nu partial mu partial nu phi m 2 phi partial t 2 phi nabla 2 phi m 2 phi 0 nbsp 其中 2是拉普拉斯算子 这就是克莱因 戈尔登方程 被解释为经典场方程 而非量子力学波动方程 非线性 相互作用 理论 编辑 上述线性理论最常见的推广是在拉格朗日量中加入标量势V F displaystyle V Phi nbsp 通常除了质量项之外 V还是F displaystyle Phi nbsp 的多项式 这种理论有时被称作相互作用理论 因为欧拉 拉格朗日方程现在是非线性的 意味着自相互作用 最一般的此类理论的作用量是 S d D 1 x d t L d D 1 x d t 1 2 h m n m ϕ n ϕ V ϕ d D 1 x d t 1 2 t ϕ 2 1 2 d i j i ϕ j ϕ 1 2 m 2 ϕ 2 n 3 1 n g n ϕ n displaystyle begin aligned mathcal S amp int mathrm d D 1 x mathrm d t mathcal L 3pt amp int mathrm d D 1 x mathrm d t left frac 1 2 eta mu nu partial mu phi partial nu phi V phi right 3pt amp int mathrm d D 1 x mathrm d t left frac 1 2 partial t phi 2 frac 1 2 delta ij partial i phi partial j phi frac 1 2 m 2 phi 2 sum n 3 infty frac 1 n g n phi n right end aligned nbsp 如下所述 在量子理论的费曼图展开中 引入n 因子是有用的 相应的欧拉 拉格朗日方程是 h m n m n ϕ V ϕ t 2 ϕ 2 ϕ V ϕ 0 displaystyle eta mu nu partial mu partial nu phi V phi partial t 2 phi nabla 2 phi V phi 0 nbsp 维度分析与缩放 编辑 主条目 自然单位制 自然單位制 粒子物理學 这些标量场论中的物理量可能具有长度 时间或质量维度 或三者的某种组合 不过 相对论中 任何具有时间维度的量t都可用光速c轻易转换为长度l c t displaystyle l ct nbsp 任何长度l也可由普朗克常数ℏ displaystyle hbar nbsp 表示为ℏ l m c displaystyle hbar lmc nbsp 自然单位制中 可以将时间看做长度 将它们看做质量的倒数 总之可以认为 任何物理量的维度都由一个独立的维度定义 而非由所有三个维度定义 这通常称为物理量的质量维 知道了每个量的维度 就可从自然单位表达式中唯一地恢复常规维度 重新插入维度一致所需的ℏ displaystyle hbar nbsp 与c的幂即可 可以预想反对意见 这理论是经典理论 因此普朗克常数的地位不明显 我们确实可以无质量维地重构它 但这会稍微模糊语量子标量场的关系 鉴于有质量维 普朗克常数这里被认为是本质上随机地固定的作用参考量 不一定与量子化有关 于是其维度适于在质量和逆长度之间转换 缩放维度 编辑 f 的经典缩放维度或质量维度D 描述了坐标缩放变换下的场变换 x l x displaystyle x rightarrow lambda x nbsp ϕ l D ϕ displaystyle phi rightarrow lambda Delta phi nbsp 作用量单位与ħ 的单位相同 因此作用量本身的质量维为零 这就将场f 的缩放维度固定为 D D 2 2 displaystyle Delta frac D 2 2 nbsp 标度不变性 编辑 某些标量场论在某种意义上是标度不变的 虽然上述作用都被构造为零质量维 但并非所有作用都在缩放变换 x l x displaystyle x rightarrow lambda x nbsp ϕ l D ϕ displaystyle phi rightarrow lambda Delta phi nbsp 下不变 并非所有作用量都不变 这是因为人们常把参数m g n displaystyle g n nbsp 视作定值 在上述变换下不变 因此 标量场论具有标度不变性的条件非常明显 作用量的所有参数都应是无量纲量 即 标度不变理论就是没有任何固定尺度的理论 对D维时空的标量场论 唯一的无量纲参数g n displaystyle g n nbsp 满足n 2 D D 2 displaystyle n frac 2D D 2 nbsp 例如 D 4维时空中 只有g 4 displaystyle g 4 nbsp 是经典无量纲的 因此D 4时空中唯一经典标度不变的标准标量场论是无质量的f 4理论 不过 由于涉及重整化群 经典标度不变通常不意味着量子标度不变 详见下文贝塔函数的讨论 共形不变性 编辑 变换 x x x displaystyle x rightarrow tilde x x nbsp 若对某函数l x displaystyle lambda x nbsp 满足 x m x r x n x s h m n l 2 x h r s displaystyle frac partial tilde x mu partial x rho frac partial tilde x nu partial x sigma eta mu nu lambda 2 x eta rho sigma nbsp 则称作共形的 共形群包含度量h m n displaystyle eta mu nu nbsp 的等距子群 庞加莱群 以及上文提到的标度变换 或标度不变性 事实上 前述标度不变理论也是共形不变的 f 4理论 编辑 f 4理论说明了标量场论中的许多有趣现象 拉格朗日密度为 L 1 2 t ϕ 2 1 2 d i j i ϕ j ϕ 1 2 m 2 ϕ 2 g 4 ϕ 4 displaystyle mathcal L frac 1 2 partial t phi 2 frac 1 2 delta ij partial i phi partial j phi frac 1 2 m 2 phi 2 frac g 4 phi 4 nbsp 自发对称破缺 编辑 参见 自发对称破缺 这拉格朗日量在变换f f displaystyle varphi to varphi nbsp 下有Z 2 displaystyle mathbb Z 2 nbsp 对称性 这是内部对称性的一个例子 与时空对称性不同 若m 2 displaystyle m 2 nbsp 为正 势 V ϕ 1 2 m 2 ϕ 2 g 4 ϕ 4 displaystyle V phi frac 1 2 m 2 phi 2 frac g 4 phi 4 nbsp 在原点有单一极小值 解f 0 displaystyle varphi 0 nbsp 在Z 2 displaystyle mathbb Z 2 nbsp 对称下显然是不变的 反之 若m 2 displaystyle m 2 nbsp 为负 则很容易看到势 V ϕ 1 2 m 2 ϕ 2 g 4 ϕ 4 displaystyle V phi frac 1 2 m 2 phi 2 frac g 4 phi 4 nbsp 有两个极小值 这就是所谓双阱势 这种理论中 最低能态 量子场论称作空穴 在Z 2 displaystyle mathbb Z 2 nbsp 对称下并不是不变的 实际上会将两个空穴映射到对方 这时 Z 2 displaystyle mathbb Z 2 nbsp 对称发生自发破缺 扭状解 编辑 具有负m 2 displaystyle m 2 nbsp 的f 4理论也有扭状解 kink solution 是孤波的典型例子 这种解的形式为 ϕ x t m 2 g 4 tanh m x x 0 2 displaystyle phi vec x t pm frac m 2 sqrt frac g 4 tanh left frac m x x 0 sqrt 2 right nbsp 其中x是空间变量之一 f t及其他空间变量彼此无关 解在双阱势的两个不同空穴之间插值 若没有能量无穷大的解 就无法将扭变形为恒定解 因此扭状解也称作稳定解 对D gt 2 即具有多个空间维度的理论 这种解称作畴壁 domain wall 另一个具有扭状解的标量场论的著名例子是正弦 戈尔登方程理论 复标量场论 编辑 在复标量场论中 标量场在复数中取值 复标量场表示自旋为零的粒子和带点和的反粒子 通常考虑的作用形式为 S d D 1 x d t L d D 1 x d t h m n m ϕ n ϕ V ϕ 2 displaystyle mathcal S int mathrm d D 1 x mathrm d t mathcal L int mathrm d D 1 x mathrm d t left eta mu nu partial mu phi partial nu phi V phi 2 right nbsp 具有U 1 对称性 等价于O 2 对称性 对场空间的作用是旋转ϕ e i a ϕ displaystyle phi rightarrow e i alpha phi nbsp 相角a 为实数 而实标量场 若m 2 displaystyle m 2 nbsp 为负 就会发生自发对称破缺 这产生了戈德斯通的墨西哥帽势 是实标量场的双阱势绕V ϕ displaystyle V phi nbsp 轴旋转2p弧度 对称性破缺发生在更高维度 即空穴的选择 打破了连续的U 1 对称性 而非离散的 标量场的两分量被重构为大规模模型 massive mode 与无质量戈德斯通玻色子 O N 理论 编辑 主条目 sigma模型 可用两个实场表示复标量场论 f 1 R e f f 2 I m f displaystyle varphi 1 rm Re varphi varphi 2 rm Im varphi nbsp 在U 1 O 2 内部对称的向量表示下进行变换 虽然这些场在内部对称下转换为向量 但仍是洛伦兹标量 这可以推广到在O N 对称的向量表示下变换的N个标量场 O N 不变的标量场论的拉格朗日量通常是以下形式的 L 1 2 h m n m ϕ n ϕ V ϕ ϕ displaystyle mathcal L frac 1 2 eta mu nu partial mu phi cdot partial nu phi V phi cdot phi nbsp 内积需要是适当O N 不变的 该理论也可用复向量场表示 即 ϕ C n displaystyle forall phi in mathbb C n nbsp 这时对称群是李群SU N 规范场耦合 编辑 标量场论以一种规范不变的方式与杨 米尔斯作用耦合 就得到了超导的金兹堡 朗道方程 这理论的拓扑孤子对应超导体中的涡流 墨西哥帽势的极小值对应超导体的阶参数 量子标量场论 编辑主条目 正則量子化 场算符 本节的一般参考文献为Ramond Pierre 2001 12 21 Field Theory A Modern Primer Second Edition USA Westview Press ISBN 0 201 30450 3 Ch 4量子场论中 场与所有可观测量都表示为希尔伯特空间上的量子算子 这希尔伯特空间建立在真空态上 动力学受到量子哈密顿算符支配 是湮灭真空的正定算符 量子标量场的构造详见正则量子化条目 依赖于场之间的正则对易关系 根本上 在标量场中作为其 解耦 简正模组合成的经典谐振子现在以标准方式进行了量子化 于是相应的量子算符场描述了作用于相应福克空间的量子谐振子 总之 基本变量是量子场f 及其正则动量p 这两个算子值场都是厄米的 在空间点X y displaystyle vec X vec y nbsp 时间相等时 其正则对易关系为 ϕ x ϕ y p x p y 0 ϕ x p y i d x y displaystyle begin aligned left phi left vec x right phi left vec y right right left pi left vec x right pi left vec y right right amp 0 left phi left vec x right pi left vec y right right amp i delta left vec x vec y right end aligned nbsp 而自由哈密顿算符则与之相似 H d 3 x 1 2 p 2 1 2 ϕ 2 m 2 2 ϕ 2 displaystyle H int d 3 x left 1 over 2 pi 2 1 over 2 nabla phi 2 m 2 over 2 phi 2 right nbsp 空间傅立叶变换产生动量空间场 ϕ k d 3 x e i k x ϕ x p k d 3 x e i k x p x displaystyle begin aligned widetilde phi vec k amp int d 3 xe i vec k cdot vec x phi vec x widetilde pi vec k amp int d 3 xe i vec k cdot vec x pi vec x end aligned nbsp 解析为湮灭与创生算子 a k E ϕ k i p k a k E ϕ k i p k displaystyle begin aligned a vec k amp left E widetilde phi vec k i widetilde pi vec k right a dagger vec k amp left E widetilde phi vec k i widetilde pi vec k right end aligned nbsp 其中E k 2 m 2 displaystyle E sqrt k 2 m 2 nbsp 算子满足对易关系 a k 1 a k 2 a k 1 a k 2 0 a k 1 a k 2 2 p 3 2 E d k 1 k 2 displaystyle begin aligned left a vec k 1 a vec k 2 right left a dagger vec k 1 a dagger vec k 2 right amp 0 left a vec k 1 a dagger vec k 2 right amp 2 pi 3 2E delta vec k 1 vec k 2 end aligned nbsp 被所有算子a湮灭的状态 0 displaystyle 0 rangle nbsp 称作裸真空 对真空施加a k displaystyle a dagger vec k nbsp 就会产生动量为k displaystyle vec k nbsp 的粒子 将所有可能创生算子组合应用于真空 就能构建出相关的希尔伯特空间 这种构造称作福克空间 真空由哈密顿算符 H d 3 k 2 p 3 1 2 a k a k displaystyle H int d 3 k over 2 pi 3 frac 1 2 a dagger vec k a vec k nbsp 湮灭 其中零点能被Wick排序消除 见正则量子化 相互作用可由相互作用哈密顿量实现 对f4理论 这相当于给哈密顿量添加Wick有序项g f 4 4 displaystyle g varphi 4 4 nbsp 并对x积分 散射振幅可用相互作用绘景中的哈密顿量计算 是由戴森级数在微扰理论中构建的 戴森级数给出了时间有序积或n粒子格林函数 0 T ϕ x 1 ϕ x n 0 displaystyle langle 0 mathcal T phi x 1 cdots phi x n 0 rangle nbsp 格林函数也可从求解施温格 戴森方程所构建的生成函数中获得 参见 量子諧振子 耦合諧振子 费曼路径积分 编辑 费曼图展开也可从费曼路径积分表述中获得 4 f 多项式的时序真空期望值 即n粒子格林函数 是对所有可能的场进行积分 并以无外场时的真空期望值归一化得到的 0 T ϕ x 1 ϕ x n 0 D ϕ ϕ x 1 ϕ x n e i d 4 x 1 2 m ϕ m ϕ m 2 2 ϕ 2 g 4 ϕ 4 D ϕ e i d 4 x 1 2 m ϕ m ϕ m 2 2 ϕ 2 g 4 ϕ 4 displaystyle langle 0 mathcal T phi x 1 cdots phi x n 0 rangle frac int mathcal D phi phi x 1 cdots phi x n e i int d 4 x left 1 over 2 partial mu phi partial mu phi m 2 over 2 phi 2 g over 4 phi 4 right int mathcal D phi e i int d 4 x left 1 over 2 partial mu phi partial mu phi m 2 over 2 phi 2 g over 4 phi 4 right nbsp 所有这些格林函数都可通过扩展生成函数中J x f x displaystyle J x varphi x nbsp 的指数来获得 Z J D ϕ e i d 4 x 1 2 m ϕ m ϕ m 2 2 ϕ 2 g 4 ϕ 4 J ϕ Z 0 n 0 i n n J x 1 J x n 0 T ϕ x 1 ϕ x n 0 displaystyle Z J int mathcal D phi e i int d 4 x left 1 over 2 partial mu phi partial mu phi m 2 over 2 phi 2 g over 4 phi 4 J phi right Z 0 sum n 0 infty frac i n n J x 1 cdots J x n langle 0 mathcal T phi x 1 cdots phi x n 0 rangle nbsp 可用威克转动将时间变为虚数 将符号变为 后 费曼积分即变为欧氏空间中的配分函数 Z J D ϕ e d 4 x 1 2 ϕ 2 m 2 2 ϕ 2 g 4 ϕ 4 J ϕ displaystyle Z J int mathcal D phi e int d 4 x left 1 over 2 nabla phi 2 m 2 over 2 phi 2 g over 4 phi 4 J phi right nbsp 通常 这适于定动量粒子的散射 这时傅立叶变换往往有用 可得 Z J D ϕ e d 4 p 2 p 4 1 2 p 2 m 2 ϕ 2 J ϕ g 4 d 4 p 1 2 p 4 d 4 p 2 2 p 4 d 4 p 3 2 p 4 d p p 1 p 2 p 3 ϕ p ϕ p 1 ϕ p 2 ϕ p 3 displaystyle tilde Z tilde J int mathcal D tilde phi e int d 4 p over 2 pi 4 left 1 over 2 p 2 m 2 tilde phi 2 tilde J tilde phi g over 4 int d 4 p 1 over 2 pi 4 d 4 p 2 over 2 pi 4 d 4 p 3 over 2 pi 4 delta p p 1 p 2 p 3 tilde phi p tilde phi p 1 tilde phi p 2 tilde phi p 3 right nbsp 其中d x displaystyle delta x nbsp 是狄拉克d函数 评估这泛函积分的标准技巧是将其写成指数因子之积 即 Z J D ϕ p e p 2 m 2 ϕ 2 2 e g 4 d 4 p 1 2 p 4 d 4 p 2 2 p 4 d 4 p 3 2 p 4 d p p 1 p 2 p 3 ϕ p ϕ p 1 ϕ p 2 ϕ p 3 e J ϕ displaystyle tilde Z tilde J int mathcal D tilde phi prod p left e p 2 m 2 tilde phi 2 2 e g 4 int d 4 p 1 over 2 pi 4 d 4 p 2 over 2 pi 4 d 4 p 3 over 2 pi 4 delta p p 1 p 2 p 3 tilde phi p tilde phi p 1 tilde phi p 2 tilde phi p 3 e tilde J tilde phi right nbsp 后两个指数因子可展开为幂级数 这种展开的组合可用四次相互作用的费曼图表示 g 0的积分可视作无穷多基本高斯积分之积 结果可用费曼图之和表示 计算时使用以下费曼法则 n点欧氏格林函数中的每个场 f p displaystyle sim varphi p nbsp 都由图中的一条外线 半边 表示 并与动量p相关联 每个顶点用因子 g表示 在给定阶g k displaystyle g k nbsp 时 所有具有n条外线和k个顶点的图都是这样构造的 流入顶点的动量均为零 每条内线表示为传播子1 q 2 m 2 displaystyle 1 q 2 m 2 nbsp 其中q是流经线的动量 任何无约束动量都对所有值积分 结果除以对称性系数 即在不改变连通性的前提下 重排图的线与顶点的方式数 不包括函 真空泡 的图 即无外线的联通子图 最后一条规则考虑了除以 Z 0 displaystyle sim Z 0 nbsp 的影响 闵氏空间的费曼法则与此类似 只是顶点用 ig表示 内线用传播子i q 2 m 2 i e displaystyle i q 2 m 2 i varepsilon nbsp 表示 e displaystyle varepsilon nbsp 项代表使 闵氏空间高斯积分收敛的微小威克旋转 重整化 编辑 主条目 B函數 物理學 和重整化群 费曼图中对无约束动量的积分 称为 环路积分 loop integral 通常会发散 这一般用重整化处理 即在拉格朗日量中加入发散的相反项 从而使原拉格朗日量和反项构建的图收敛 5 这过程中必须引入重整化标度 耦合常数与质量都取决于它 耦合常数g在标度l displaystyle lambda nbsp 上的依赖由b函数b g displaystyle beta g nbsp 编码 定义是 b g l g l displaystyle beta g lambda frac partial g partial lambda nbsp 这种对能量标度的依赖称作 耦合参数的运行 量子场论中这种系统标度依赖的理论由重整化群描述 b函数通常用近似方法计算 最常见的是微扰理论 即假定耦合常数很小 然后 便可以对耦合参数进行幂级数展开 并截去高阶项 也称为高环贡献 与相应费曼图的环数有关 f 4理论的一环b函数 第一微扰贡献 是 b g 3 16 p 2 g 2 O g 3 displaystyle beta g frac 3 16 pi 2 g 2 O left g 3 right nbsp 最低阶项前面的符号为正 表明耦合常数随着能量增加 这种行为在大规模耦合时若也存在 将表明在有限能量下存在朗道极点 是由量子平凡性引起的 然而 这问题只能以非微扰形式回答 因为涉及强耦合 当由b函数计算得重整化耦合在紫外截止被移除后归零时 称相应的量子场论是平凡的 这样 传播子变成了自由粒子的 场不再相互作用 Michael Aizenman证明 在时空维度D 5的情形下 f 4相互作用理论是平凡的 6 对D 4 平凡性尚未得到严格证明 但晶格计算为此提供了有力证据 这一事实非常重要 因为量子平凡性可用于约束 甚至预测希格斯玻色子质量等量的参数 这也可以导致在渐进安全情形下的可预测希格斯玻色子质量 7 另见 编辑重整化 量子平凡性 标量电动力学脚注 编辑 即 在洛伦兹群的平凡 0 0 表示下发生变换 使得场在任何时空点上的值保持不变 这与向量场 张量场 旋子张量不同 后者的分量在洛伦兹变换下会发生混合 由于粒子或场的自旋由其变换所据的洛伦兹表示决定 因此所有标量 及伪标量 场和粒子的自旋都为零 因此根据自旋统计定理 它们都是玻色子 参见Weinberg 1995 Chapter 5 这意味着它在反转空间方向的宇称变换下会变化 与宇称不变的真标量有别 见Weinberg 1998 Chapter 19 Brown Lowell S Quantum Field Theory Cambridge University Press 1994 ISBN 978 0 521 46946 3 Ch 3 本节的一般参考文献是Ramond Pierre Field Theory A Modern Primer Second USA Westview Press 2001 12 21 ISBN 0 201 30450 3 See the previous reference or for more detail Itzykson Zuber Zuber Jean Bernard Quantum Field Theory nbsp Dover 2006 02 24 ISBN 0 07 032071 3 含有內容需登入查看的頁面 link Aizenman M Proof of the Triviality of ϕ4d Field Theory and Some Mean Field Features of Ising Models for d gt 4 Physical Review Letters 1981 47 1 1 4 Bibcode 1981PhRvL 47 1A doi 10 1103 PhysRevLett 47 1 Callaway D J E Triviality Pursuit Can Elementary Scalar Particles Exist Physics Reports 1988 167 5 241 320 Bibcode 1988PhR 167 241C doi 10 1016 0370 1573 88 90008 7 参考文献 编辑Peskin M Schroeder D An Introduction to Quantum Field Theory Westview Press 1995 ISBN 978 0201503975 Weinberg S The Quantum Theory of Fields nbsp I Cambridge University Press 1995 ISBN 0 521 55001 7 含有內容需登入查看的頁面 link Weinberg S The Quantum Theory of Fields nbsp II Cambridge University Press 1998 ISBN 0 521 55002 5 含有內容需登入查看的頁面 link Srednicki M Quantum Field Theory Cambridge University Press 2007 ISBN 9780521864497 Zinn Justin J Quantum Field Theory and Critical Phenomena Oxford University Press 2002 ISBN 978 0198509233 外部链接 编辑The Conceptual Basis of Quantum Field Theory Click on the link for Chap 3 to find an extensive simplified introduction to scalars in relativistic quantum mechanics and quantum field theory 取自 https zh wikipedia org w index php title 标量场论 amp oldid 80308624, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

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