A. Zee的《简明量子场论》是一本很“讲物理”的场论书,用来入门非常合适。
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/blog/images/2011/1/201117153137476.jpg)
首先,提供
勘误链接,还有
Clarifications。这份笔记中也会提到一些勘误。
这本书的书名叫“QFT in a nutshell”,直译过来应是《果壳中的量子场论》。现在有很多书名字都叫《果壳中的……》,据徐教授说,这类名字是他首创的。
场量子化有三种方法:比较常见的(比如说Peskin的书中一开始用到的)是正则量子化方法;本书则从路径积分方法讲起。(还有种方法我忘了。)I.2回顾了量子力学中的路径积分方法。
高斯积分路径积分方法中经常要用到的数学运算:高斯积分,收录在Appendix 1中。其中出现的重要概念是Wick contraction,在P13的最后。求
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/2011171611623.gif)
的平均值,得到的结果是
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111716615866.gif)
,这个结果可以理解成6个
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111716154616.gif)
两两收缩,并对所有可能的收缩求和(后文中出现的
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117161039679.gif)
即表示这个求和)后得到的结果。每两个
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/2011171638273.gif)
收缩得到的结果是
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/2011171646116.gif)
,共有三对,即
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111716439726.gif)
。可能的收缩方式有
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/2011171671470.gif)
种,于是就得到
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111716615866.gif)
。P15的Eq. (16)是Eq. (10)的推广,Eq. (18)是一个具体例子。在这里,Eq. (18)的意义是求矢量
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111716154616.gif)
的4个分量的乘积的平均值,这样的说法比较难理解。实际上,这样的运算是用来求格林函数的。比如P47的Eq. (10),如果令
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162028366.gif)
,得到的自由传播的四点格林函数形式和P15的Eq. (18)一致,其物理意义是两个粒子传播的几率幅:等号右边第一项表示粒子1从坐标
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162627304.gif)
传播到坐标
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162647476.gif)
的几率幅(等于
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162757726.gif)
),乘以粒子2从坐标
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162823257.gif)
传播到坐标
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162841710.gif)
的几率幅
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111716297632.gif)
。由于粒子的全同性,粒子1的末坐标也可能是
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162823257.gif)
,于是粒子2从坐标
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162647476.gif)
传播到坐标
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117162841710.gif)
。另外还有第三种可能。把三种情况相加,就得到了两个粒子传播的总几率幅。
量子力学中的路径积分量子力学中,粒子在两点间的运动没有确定的轨道。对于“没有确定的轨道”,一般人就直接理解成“没有轨道”了,而Feynman独辟蹊径,理解成“有许多条(事实上,是无限条)轨道”。路径积分的思想是:对于从一点运动到另一点的任意一条轨道(用
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117163916679.gif)
描述粒子运动的轨道),可以用
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111716413866.gif)
算出这条轨道的几率幅。其中
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117164140179.gif)
是作用量。粒子在两点间运动的总几率幅就是所有可能的轨道的几率幅之和。在经典极限下,
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117164340351.gif)
与
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117164411210.gif)
相比是巨大的,路径的微小改变会造成几率幅的剧烈振荡,使得临近路径的总几率幅会相互抵消掉。只有在
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117164340351.gif)
取极值的路径附近几率幅不能抵消,这就是可以通过最小作用量原理求出的经典路径。
量子场论中的路径积分量子力学中的研究对象是粒子,用坐标
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117163916679.gif)
描述,量子场论中的研究对象则是场。所谓“场”,其实是一个数学概念。给定一个流形...或者不用“流形”这样的名词,我们生活的这个宇宙,每一点都可以用时间-空间四维坐标
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117165551507.gif)
来描述。在每一个时空点之上都给定一个数
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717059960.gif)
,就得到了一个标量场。(也可以在每一点上给定一个矢量
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717151116.gif)
,得到矢量场;还可以得到张量场等等。)当然,在场论中研究的场,都是一些有物理意义的动力学函数。
给定一个场
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717059960.gif)
,对不同的
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717942976.gif)
,
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717104788.gif)
不同,
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717104788.gif)
对时间的偏导数是场的动能;对空间的不同点,
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717104788.gif)
也不同,在场论中,
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717104788.gif)
对空间坐标的偏导数是场的动能。(其实应该是场的动量。但动能和动量实际上是同一四维矢量的分量。)总之,场的动能源于场在时空中的“变化”。除此之外,场自身也有相互作用,称为势能。比较重要的势能项,有
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117172213726.gif)
,其大小和场的平方成正比,系数
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717211632.gif)
表征这项作用的强弱。这项势能是场因为自身存在即具有的能量。因为能量即质量,可见
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717211632.gif)
其实就是我们熟悉的[静止]质量。还有一个重要的势能项是和
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117172639991.gif)
成正比的。玻色气体中,每两个气体原子之间具有相互作用,假设相互作用能量是
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117172815132.gif)
。对于有
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117172835351.gif)
个原子的玻色气体,总相互作用能量就是
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117172956663.gif)
,
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117172835351.gif)
很大时约等于
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717310351.gif)
。考虑到
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117173137757.gif)
,玻色气体原子之间的相互作用其实就是
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117172639991.gif)
相互作用。
知道了场的动能和势能,就能写出拉格朗日量以及作用量,即P17的Eq. (5)。同样,可以算出这个场的几率幅。量子场论中的路径积分方法是:认为所有的场函数
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717059960.gif)
都是可能出现的,计算出所有
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717059960.gif)
的几率幅,把它们相加,得到一个总几率幅。
和量子力学中类似,如果
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717059960.gif)
做微小变化,一般来说,会导致几率幅的剧烈振荡,使得“相邻”的
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111717059960.gif)
贡献的几率幅会相互抵消——除非在作用量取极值处。因此,在场论中,同样可以用最小作用量原理,求出“实际出现的”场。对于标量场,这个“实际出现的”场满足Klein-Gordon方程。
源对场的作用后文开始,保持和书上用的记号一致,用
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117181152398.gif)
代替
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117181222554.gif)
。
如P20所述。源
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117181116679.gif)
会和场
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111718135929.gif)
耦合,使得场和无源时不同。其原因在于源与场的耦合会改变场的能量,(比如说真空中放入一个电子,就会改变电磁场的能量,)从而改变场的几率幅。作用量取极值的场也会相应地变化。
这里有个观念上的变化。初次接触场,应该是中学里学到的电磁场。那时候,场被描述为源“产生”的东西,比如说电荷产生电场,电流产生磁场等。而按场论的观点,电荷和电场,一个是spin-1/2 Dirac场,一个是spin-1 电磁场,完全是两样东西。电荷并不会产生电场,而是因为和电场耦合,从而改变了电场——把电磁场从我们称之为“真空”的状态(这种状态我们以前认为是“没有场”的状态)变成另一种状态。
Wick转动
P12提到了Wick转动,是对时间轴做一个
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111718322523.gif)
的变换,其目的是把度规从闵氏的
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111833710523.gif)
变成欧氏的
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111833735179.gif)
,这样,在做积分时,可以“平等地”对待四个坐标,从而简化积分运算。有个需要注意的地方:变换不能是
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117184313929.gif)
,尽管这个变换也能达到同样的目的。其中的原因可以参考P23的Eq. (22):积分项的奇点在复
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/201117184434991.gif)
平面的第二、四象限,Wick转动要避开奇点,因此只能是
![](http://bbs.sciencenet.cn/upload/math/20111718322523.gif)
。