规范变换不变性的一个最基本的思想就是,体系的Lagrangian要在规范变换下保持不变,因为场量ψ是不可观测的,所以它的变换不会

来源: 2011-04-06 11:33:41 [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读:

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好吧,简单说两句,首先描述光子的是QED,那么先看QED里面的Lagrangian:
L=ψ'(iγ^μ∂_μ-m)ψ-1/4*F_μνF^μν-eψ'γ^μψ*A_μ
其中ψ'=ψ^+*γ^0(就是书中常用的“posi bra”,输入法问题打不出来那个符号,所以这么代替了);γ^μ是Dirac Matrixes~~
这个Lagrangian第一项是Dirac Field(Fermi Field),第二项是Maxwell Field,第三项代表interaction。所以可以理解成Fermion与电磁场通过交换光子来相互作用。引入一个协变导数符号D_μ=∂_μ+ieA_μ,那么上面的Lagrangian就可改写成:
L=ψ'(iγ^μ*D_μ-m)ψ-1/4*F_μνF^μν

上面都是约定,现在来说物理。规范变换不变性的一个最基本的思想就是,体系的Lagrangian要在规范变换下保持不变,因为场量ψ是不可观测的,所以它的变换不会引起物理上可观测的效应出现改变,这就要求Lagrangian不变,才能保证运动方程的不变。借助这个思想,来考察上面的这个L量,那么它的变换就应该是:L→L';而场量ψ由于是不可观测量,而|ψ|^2应该和几率密度有关,所以它的变换最多就是差一个不可观测的相位因子,即ψ’→exp(iβ)ψ,但需要注意的是,由于QED里面的相互作用是定域作用,就是说相互作用都是发生在时刻的某一点上的(这是个假设,但是基本算是合理),所以说ψ的变换应该是依赖于其时空坐标x的,也就是说在ψ’→exp(iβ)ψ这个变换下,β是一个依赖于x的函数,即:ψ’→exp{iβ(x)}ψ。而A_μ的变换方式在之前的那个帖子已经看到了,写成四维统一的形式就应该是:A'_μ=A_μ-1/e*∂_μ*β(x)(有个1/e只是单位制导致的,这里的β(x)就相当于之前帖子里面的Ψ~),把所有量的变换形式写下来:
L→L'(应该保持形式不变,并且没有剩余指标)
ψ’→exp(iβ)ψ
A'_μ=A_μ-1/e*∂_μ*β(x) (电磁矢势的规范变换)
L’在规范变换以后应该存在这样的项:
ψ'γ^μ*D_μ*ψ;F_μνF^μν;mψ'ψ,M*A^μA_μ
稍微说明一下m是Dirac场的耦合常数,也就是Fermion的质量,而M同样应该解释成电磁矢势场的耦合系数,也就是某种规范粒子的质量。但是你把上面这些变换代入L计算一下,就会发现,变换之后的L'有:
L’=(ψ')'(iγ^μ*D'_μ-m)ψ'-1/4*F'_μνF'^μν
它的形式与变换前的L一样,并不存在M*A^μA_μ这种项,也就是说M=0;换句话说如果QED的Lagrangian中存在M*A^μA_μ这种项比然导致规范变换下L的对称性被破坏。所以说,在规范变换下,QED中规范粒子的质量为零,而QED中的规范粒子正是光子,也就是说光子的质量是零。