根据粒子物理的标准模型,光子是所有电场和磁场的产生原因,而它们本身的存在,则是满足物理定律在时空内每一点具有特定对称性要求的结果
Weinberg量子场论书摘及笔记 (3)
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两个“无穷大”的例子
P31讲的是电子自能的无穷大问题。没有查阅相关文献,因而我对具体细节不是很了解。总而言之,是通过二阶微扰论的方法计算电子自能的。涉及到的过程似乎是这样的:能量为的电子,放出一个动量的光子后能量变成,随后又吸收了这个光子,所以末能量仍旧是。这样计算出来的电子自能,随着光子动量的增加,是呈对数发散的。
P32,“An infinity of...”开始讲的是真空极化,Dirac的模型是负能级上填满了电子,正能级上,有一定的电荷密度。负能级上填满电子,即是我们所说的“真空”;正能级上的电荷则是我们所观察到的电荷。电荷和真空相互作用,产生真空极化现象,从而改变我们观察到的电荷密度,其值如Eq. (1.3.3)所示,其中的是对数发散的。
修补量子场论
P33上长长的一段讲了几种人们想到的解决无穷大问题的方案。当时的人们普遍认为,是量子场论理论本身的问题导致了无穷大的出现,因此解决问题,就必须对理论进行修改。
Heisenberg的方案是最直接的。避免发散的最直接方法是做截断,Heisenberg假设存在基本长度,量子场论只在大于这个基本长度的尺度上成立。
有人猜想量子场论应有non-local的结构,因此建议场论的形式应由态矢、场算符的描述改为仅由可观察量(例如S矩阵)所作的描述。
Wheeler和Feynman在研究电磁场时发现,计算推迟势时,除了考虑源和试探电荷,还应把宇宙中所有电荷都考虑在内。
Dirac则假设存在一些负几率的态(an 'indefinite metric' in Hilbert space),在对所有态求和时,这些态可以消除无穷大。
重整化
相比于上面的方案,重整化是一个“more conservative idea”。Perhaps these infinities could all be absorbed into a redefinition, a 'renormalization' of the parameters of the theory. 重整化要求改变的是我们对理论的认识,而非量子场论理论本身。
例子:我们认为电子的裸电荷是无穷大,(即对电子电荷做了redefinition)。而真空极化导致我们观察到的电荷和电子的裸电荷不同,其修正是Eq. (1.3.3),也有一个无穷大。两个无穷大抵消,于是我们观察到的电荷(物理电荷)是有限的。
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电磁场的量子化
在人们对粒子的认识过程当中,光子是很特殊的。人们首先用场的观念去考察光,然后再认识到它的粒子性。因此,电磁场成为了最先被量子化的场。
Born, Heisenberg和Jordan在1926年的文章中讨论了一维的电磁场,将电磁场的哈密顿量写成为不同振动频率的谐振子的迭加形式。(Eq. (1.2.4))而谐振子的运动则是量子力学中所熟知的。
Eq. (1.2.5)上面的一个方程式相当于给出了正则动量的定义:给定坐标,找一个物理量,使之符合哈密顿正则方程,这样的物理量就称为该坐标的正则共轭动量。
由此,类比量子力学中的对易关系,可以得到电磁场的对易关系。再根据量子力学中对谐振子的处理方法,定义升降算符,可以得到升降算符的对易关系。
P16出现的,应该还只是解释为谐振子的能级。升降算符使谐振子的能级升高/降低1。如果把场看成是粒子组成的,就是粒子数,升降算符的作用是产生/湮灭一个粒子。因此,这样的场是量子化的。
由此可见,场量子化,在数学上相当于给场加上一个正则对易关系。这些对易关系是Lorentz-invariant的。(具体计算在第5章。)
(需要说明的是,此时其实并没有给出场的对易关系,给出的实际上是各个简振模的系数(把系数看成是广义坐标)的对易关系。Heisenberg和Pauli在1929年才把对易关系直接加到场上。)
随后将电磁场量子化的方法运用到同步辐射上去,最终的计算结果是Dirac在1927年给出的,可以得到Einstein在1917年给出的一个结果。(Eq. (1.2.21))
二次量子化
之后,人们将量子化方法推广到其它场,这种推广称为“二次量子化”:量子力学中,给算符加上对易关系,是一次量子化,而量子力学中的波函数实际上是经典场。(事实上,相对论及非相对论量子力学中讨论的都是单粒子问题,或者是粒子数守恒的问题,这些问题和场是否量子化根本就没有关系。)现在给场加上对易关系,是又一次量子化。
个人感觉一次量子化和二次量子化并没有什么太大的区别。以谐振子为例,量子力学中,将算符量子化,(先有的是坐标和动量的对易关系,然后得到升降算符的对易关系,)于是可以得到量子化的能级;量子场论中,由场的对易关系可以得到产生、湮灭算符的关系,于是可知产生、湮灭的粒子都是一份一份的,即场是量子化的。可见主要区别在于物理图象的不同。量子力学中以做简谐振动的粒子为研究对象,能量是粒子带有的;量子场论中,并不关心振动的粒子——这只是一个基底,一般来说,我们并不关心这个基底本身。基底的振动产生了一个场,能量是这个场带有的。场论中,这个场才是我们感兴趣的对象。
反对易关系
由于Pauli不相容原理,电子场量子化应该遵循的应是反对易关系,而非对易关系。The choice between commutation and anticommutation relations is dictated solely by the particle's spin: commutators must be used for particles with integer spin like the photon, and the anticommutators for particles with half-integer spin like the electron.
The Heisenberg-Pauli formalism
P21举了复标量场的例子,给定拉格朗日量,通过最小作用量原理,可得到场方程。计算出场的正则共轭动量,就能写出场量子化条件。并且不难写出哈密顿量表达式。
解决负能级问题
虽然电子存在负能级解,但实际上我们并没有观察到带有负能量的电子,(只能观察到带有正能量的正电子。)但Eq. (1.2.41)的哈密顿算符并不是正定的——电子的产生算符可能会产生能量为负的电子。
很容易想到对于负能级电子,我们可以直接考虑正电子。既然产生一个正电子等于消灭一个处于负能级的电子,湮灭一个正电子等于在负能级上填充一个电子,于是就可以通过Eq. (1.2.42)定义正电子的产生、湮灭算符。这样做的好处是,电子和正电子的产生算符都会产生一个能量为正的粒子,而且这样的处理方式对电子和正电子显得更为“公平”。
对Dirac场做展开,必须注意到电子是带有“荷”的,正电子带的荷和电子相反。Eq. (1.2.43)等号左边的场算符所“带”的荷和等号右边是相符的——这个场算符作用到某个态上,可以使态的荷+1。
Eq. (1.2.44)是哈密顿量,等号右边的前两项都是正的。是所有负能级都被电子填满后,处于负能级的电子的能量。可测的能量,the physical energy operator是,即我们认为负能级都被电子填满后的能量为0。这样,无论产生电子还是空穴(正电子),我们测得的能量都是正的。
spin-0粒子的负能级问题
以P21提到的复标量场为例。Eq. (1.2.55)中,以二次形式出现,结合Eq. (1.2.59) 的表达式,可知spin-0粒子的能量必定是正的。事实上,谐振子能量为,这就决定了谐振子可以有负频解,但不会有负能级。
(谐振子和玻色子都满足对易关系,所以可以通过和谐振子的对比知玻色子不存在负能级问题。而费米子满足的是反对易关系,因此不能用这样的对比。)
复标量场有两个自由度,因此存在两种粒子,解释为粒子和反粒子。对于标量场而言,粒子和反粒子仍然是带有不同的“荷”的,(但是可以不带有电荷。)
哈密顿量用产生湮灭算符表达的形式是Eq. (1.2.64)。这里也有,是零点能的贡献。注意到这里的是正的,而前面电子场的是负的。
负几率问题的解决
并不是粒子数密度,而是“荷”密度。对全空间积分,得到的算符也不是粒子数算符,而是总的“荷”数的算符,或:粒子数减去反粒子数。粒子数不守恒,“荷”数守恒。
波函数的再认识
The wave fields ,, etc, are not probability amplitudes at all, but operators which create or destroy particles in the various normal modes.