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量子场论(7)
(目录太长了,以后只复制近几次的链接了)
本次内容:简单讨论引入重整化的动机。
1,问题回顾:
结合之前讨论我们发现,在处理相互作用场时会遇到了一些问题:
(1)和自由场酉等价的一定是自由场,由此出发,量子力学中所使用的研究方法,如相互作用表象,Dyson级数等,在量子场论中都是严格不自恰的。
(2)当我们忽略研究方法的不自恰性直接用它们来进行具体的计算时,我们会发现微扰展开中会出现发散的情况,这时物理上不允许的。
实际上,得到发散的结果我们并不意外,因为我们所用的方法本身就是严格错误的。错误的方法得到错误的结论,这是很正常的。如果用方法错误却得到了物理上可以接受的结果,这才是麻烦的事情。
2,解决方法:
我们下面要做的事是:修改我们关于相互作用场的研究方法,以至于它(至少在物理上看)是完全自恰的。同时,这个自恰的研究方法需要给出(收敛)合理的物理结果。
处理这个问题有两种显而易见的思路:
(1)先不去管理论本身的不自恰性,从计算结果的发散出发,对发散项进行修正。在得到合理的物理结果之后,再去考虑理论本身的自洽性。
(2)直接从理论本身的不自恰性出发,修改我们所用的理论,然后放到具体问题中进行计算,看能否得到合理的物理结果。
一般的QFT教材不会提及理论的不自恰性,直接去对发散的结果进行修正。这样来看重整化会给人一种钦定的感觉,似乎这只是一种物理上修正发散的技巧。下面,我们先从理论的不自恰性出发,尝试利用第二种思路来处理这个问题。
3,关于酉等价性:
我们之前在处理相互作用场的问题时,存在相互作用的场算符和自由场算符通过相互作用表象相联系: ,其中酉算子 为相互作用表象下的时间演化算符,我们可以通过微扰展开来计算它: ,进一步的我们可以得到计算S矩阵公式。
然而,HHW定理表明这种做法是不正确的,因为和质量为 的自由场酉等价的一定是同质量自由场。换句话说,联系相互作用场和自由场之间的单参数算子群 ,一定不能是酉算子群。
4,破坏酉等价性:
综上,联系相互作用场和相应的自由场的算子 不能是酉算子,那么如何在不破坏物理结果的同时使得 不是酉算子呢?
(1)一方面,以 理论为例,拉氏密度: 中相互作用的形式虽然是确定的,但参数 与 的物理意义并没有完全确定。
(2)另一方面,回忆HHW定理的推论:如果 和 分别为质量为 和 的自由标量场,它们之间的关系为: ,如果 为酉算子,则: , 两者的费曼传播子相等 。若 ,则 一定不是酉算子。
(3)以质量为 的自由标量场为例,其拉氏密度为: ,现在我们考虑另一个拉氏密度: ,其中 ,很显然这也是一个自由标量场,且其质量平方为 。
(4)如果我们把第二个拉氏密度中多出来的项视为 的相互作用项,就可以得到两个自由场之间的关系。具体来说: ,相应联系 与 之间的算符为: ,由以上定理可知,由于 ,故 不是酉算子。由此可见,对于自由场而言其质量 是系统的待定参数,加入 之后系统的参数发生了变化,同时也破坏了酉等价性。
5,重整化场:
下面以 理论为例,其拉氏密度为: ,很显然在相互作用表象下其和自由场之间的联系是酉算子 ,这在理论上是不允许的,相互作用场和相应的自由场之间一定不是酉等价的。我们可以通过以下方式来破坏这里的酉等价性:
(1)定义 ; ; ,分别称其为重整化场量,重整化耦合参数,和重整化质量。原先的 , , 称为裸场,裸参数,和裸质量。相应的重整化场对应的拉氏密度为: 。借助重整化场,我们可以将原有的拉氏密度表示为: 。由此,我们可以将原有的拉氏密度表示为: ,其中 称为抵消项。
(2)对于重整化场而言,联系相互作用场 与相应自由场 之间的算子为: ,我们很容易证明它不是酉算子。在表达式中 , ,最后两项的存在破坏了酉等价性。由此可见,对于 理论而言,引入重整化场之后, 并不是酉算子,从而也就绕开了HHW定理的限制,消除了原有处理相互作用场方法的不自恰性。
6,消除发散:
这样一个修改后的理论从物理上看消除了不自恰性,不过我们还需要看看它能不能消除原有方法中的发散结果。具体的思路如下:
(1)拉氏密度分为两项: ,对于其一部分 我们原有的处理相互作用场的方法来处理它,微扰展开中会包含发散项。我们把这些发散的积分表示为依赖某个参数的极限,这一过程称为正规化。
(2)对于抵消项 ,我们依然可以计算它的微扰展开,其中某些项依然是发散的。我们可以对其做正规化。由于抵消项的贡献,消除了原有 相关微扰展开项中的发散。
(3)原有的裸参数中包含发散,其不具有实在的物理意义,真正与实验相关的物理量是重整化参数。
以上我们讨论了重整化的动机,还有很多具体的细节以及进一步的理论需要完善。不过,至此我们以及搭建好了大部分量子场论的框架了。提前祝大家五一快乐了。
(图侵删)
来源:知乎 www.zhihu.com
作者:萨塔妮亚
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