理論物理學中,純量場論可以指相對論不變的經典量子純量場理論。純量場在任何洛倫茲變換下都是不變的。[1]

自然界中唯一觀測到的基本純量量子場是希格斯場。純量量子場也出現在很多物理現象的有效場論描述中,例如π介子,實際上是偽純量[2]

由於不涉及極化的複雜問題,純量場往往最容易理解二次量子化。所以,純量場論常用於介紹新概念和新技術。[3]

下面所用的度量的符號為 (+, −, −, −)

經典純量場論

本節的一般參考文獻是Ramond, Pierre (2001-12-21). Field Theory: A Modern Primer (Second Edition). USA: Westview Press. ISBN 0-201-30450-3, Ch 1.

線性(自由)理論

最基本的純量場論是線性理論。通過場的傅立葉分解,可表示無窮多耦合諧振子簡正模,其中諧振子的序號i縮放極限現表示為x。則,相對論不變的純量場論的作用量可寫作

其中稱作拉格朗日密度表示三個空間坐標;克羅內克δ函數表示第個坐標

這是二次作用量的一個例子,因為每項都是場φ的二次項。與成比例的項有時稱作質量項,這是因為它在量子化版本中被解作粒子質量。

理論的運動方程由極限化上述作用得到,形式如下,與φ呈線性關係:

其中∇2拉普拉斯算子。這就是克萊因-戈爾登方程,被解釋為經典場方程,而非量子力學波動方程。

非線性(相互作用)理論

上述線性理論最常見的推廣是在拉格朗日量中加入純量勢,通常除了質量項之外,V還是的多項式。這種理論有時被稱作相互作用理論,因為歐拉-拉格朗日方程現在是非線性的,意味着自相互作用。最一般的此類理論的作用量是

如下所述,在量子理論的費曼圖展開中,引入n!因子是有用的。

相應的歐拉-拉格朗日方程是

維度分析與縮放

這些純量場論中的物理量可能具有長度、時間或質量維度,或三者的某種組合。

不過,相對論中,任何具有時間維度的量t都可用光速c輕易轉換為長度;任何長度l也可由普朗克常數表示為。自然單位制中,可以將時間看做長度,將它們看做質量的倒數。

總之可以認為,任何物理量的維度都由一個獨立的維度定義,而非由所有三個維度定義,這通常稱為物理量的質量維。知道了每個量的維度,就可從自然單位表達式中唯一地恢復常規維度,重新插入維度一致所需的c的冪即可。

可以預想反對意見:這理論是經典理論,因此普朗克常數的地位不明顯。我們確實可以無質量維地重構它,但這會稍微模糊語量子純量場的關係。鑑於有質量維,普朗克常數這裏被認為是本質上隨機地固定的作用參考量(不一定與量子化有關),於是其維度適於在質量和逆長度之間轉換。

縮放維度

φ的經典縮放維度或質量維度Δ描述了坐標縮放變換下的場變換:

作用量單位與ħ的單位相同,因此作用量本身的質量維為零。這就將場φ的縮放維度固定為

標度不變性

某些純量場論在某種意義上是標度不變的。雖然上述作用都被構造為零質量維,但並非所有作用都在縮放變換

下不變。

並非所有作用量都不變,這是因為人們常把參數m視作定值,在上述變換下不變。因此,純量場論具有標度不變性的條件非常明顯:作用量的所有參數都應是無量綱量。 即,標度不變理論就是沒有任何固定尺度的理論。

D維時空的純量場論,唯一的無量綱參數滿足。例如,D=4維時空中,只有是經典無量綱的,因此D=4時空中唯一經典標度不變的標準純量場論是無質量的φ4理論。

不過,由於涉及重整化群,經典標度不變通常不意味着量子標度不變,詳見下文貝塔函數的討論。

共形不變性

變換

若對某函數,滿足

則稱作共形的。

共形群包含度量等距子群(龐加萊群),以及上文提到的標度變換(或標度不變性)。事實上,前述標度不變理論也是共形不變的。

φ4理論

φ4理論說明了純量場論中的許多有趣現象。拉格朗日密度為

自發對稱破缺

這拉格朗日量在變換下有對稱性。這是內部對稱性的一個例子,與時空對稱性不同。

為正,勢

在原點有單一極小值。解對稱下顯然是不變的。

反之,若為負,則很容易看到勢

有兩個極小值。這就是所謂雙阱勢,這種理論中,最低能態(量子場論稱作空穴)在對稱下並不是不變的(實際上會將兩個空穴映射到對方)。這時,對稱發生自發破缺

扭狀解

具有負φ4理論也有扭狀解(kink solution),是孤波的典型例子。這種解的形式為

其中x是空間變量之一(φt及其他空間變量彼此無關)。解在雙阱勢的兩個不同空穴之間插值。若沒有能量無窮大的解,就無法將扭變形為恆定解,因此扭狀解也稱作穩定解。對D>2(即具有多個空間維度的理論),這種解稱作疇壁(domain wall)。

另一個具有扭狀解的純量場論的著名例子是正弦-戈爾登方程理論。

復純量場論

在復純量場論中,純量場在複數中取值。復純量場表示自旋為零的粒子和帶點和的反粒子。通常考慮的作用形式為

具有U(1)對稱性,等價於O(2)對稱性,對場空間的作用是旋轉,相角α為實數。

而實純量場,若為負,就會發生自發對稱破缺。這產生了戈德斯通的墨西哥帽勢,是實純量場的雙阱勢繞軸旋轉2π弧度。對稱性破缺發生在更高維度,即空穴的選擇,打破了連續的U(1)對稱性,而非離散的。純量場的兩分量被重構為大規模模型(massive mode)與無質量戈德斯通玻色子

O(N)理論

可用兩個實場表示復純量場論:,在U(1) = O(2)內部對稱的向量表示下進行變換。雖然這些場在內部對稱下轉換為向量,但仍是洛倫茲純量。

這可以推廣到在O(N)對稱的向量表示下變換的N個純量場。O(N)不變的純量場論的拉格朗日量通常是以下形式的:

內積需要是適當O(N)不變的。該理論也可用復向量場表示,即,這時對稱群是李群SU(N)

規範場耦合

純量場論以一種規範不變的方式與楊-米爾斯作用耦合,就得到了超導的金茲堡-朗道方程。這理論的拓撲孤子對應超導體中的渦流;墨西哥帽勢的極小值對應超導體的階參數。

量子純量場論

本節的一般參考文獻為Ramond, Pierre (2001-12-21). Field Theory: A Modern Primer (Second Edition). USA: Westview Press. ISBN 0-201-30450-3, Ch. 4

量子場論中,場與所有可觀測量都表示為希爾伯特空間上的量子算子。這希爾伯特空間建立在真空態上,動力學受到量子哈密頓算符支配,是湮滅真空的正定算符。量子純量場的構造詳見正則量子化條目,依賴於場之間的正則對易關係。根本上,在純量場中作為其(解耦)簡正模組合成的經典諧振子現在以標準方式進行了量子化,於是相應的量子算符場描述了作用於相應福克空間量子諧振子

總之,基本變量是量子場φ及其正則動量π。這兩個算子值場都是厄米的。在空間點、時間相等時,其正則對易關係

而自由哈密頓算符則與之相似,

空間傅立葉變換產生動量空間

解析為湮滅與創生算子

其中

算子滿足對易關係

被所有算子a湮滅的狀態稱作裸真空,對真空施加就會產生動量為的粒子。

將所有可能創生算子組合應用於真空,就能構建出相關的希爾伯特空間:這種構造稱作福克空間。真空由哈密頓算符

湮滅,其中零點能Wick排序消除。(見正則量子化

相互作用可由相互作用哈密頓量實現。對φ4理論,這相當於給哈密頓量添加Wick有序項,並對x積分。散射振幅可用相互作用繪景中的哈密頓量計算,是由戴森級數微擾理論中構建的,戴森級數給出了時間有序積或n粒子格林函數。格林函數也可從求解施溫格-戴森方程所構建的生成函數中獲得。

費曼路徑積分

費曼圖展開也可從費曼路徑積分表述中獲得。[4]φ多項式的時序真空期望值,即n粒子格林函數,是對所有可能的場進行積分,並以無外場時的真空期望值歸一化得到的:

所有這些格林函數都可通過擴展生成函數中的指數來獲得:

可用威克轉動將時間變為虛數。將符號變為(++++)後,費曼積分即變為歐氏空間中的配分函數

通常,這適於定動量粒子的散射,這時傅立葉變換往往有用,可得

其中狄拉克δ函數

評估這泛函積分的標準技巧是將其寫成指數因子之積,即

後兩個指數因子可展開為冪級數,這種展開的組合可用四次相互作用費曼圖表示。

g = 0的積分可視作無窮多基本高斯積分之積:結果可用費曼圖之和表示,計算時使用以下費曼法則:

  • n點歐氏格林函數中的每個場都由圖中的一條外線(半邊)表示,並與動量p相關聯。
  • 每個頂點用因子−g表示。
  • 在給定階時,所有具有n條外線和k個頂點的圖都是這樣構造的:流入頂點的動量均為零。每條內線表示為傳播子,其中q是流經線的動量。
  • 任何無約束動量都對所有值積分。
  • 結果除以對稱性係數,即在不改變連通性的前提下,重排圖的線與頂點的方式數。
  • 不包括函「真空泡」的圖,即無外線的聯通子圖。

最後一條規則考慮了除以的影響。閔氏空間的費曼法則與此類似,只是頂點用−ig表示,內線用傳播子表示,項代表使{閔氏空間高斯積分收斂的微小威克旋轉。

重整化

費曼圖中對無約束動量的積分(稱為「環路積分」,loop integral)通常會發散。這一般用重整化處理,即在拉格朗日量中加入發散的相反項,從而使原拉格朗日量和反項構建的圖收斂。[5]這過程中必須引入重整化標度, 耦合常數與質量都取決於它。

耦合常數g在標度上的依賴由β函數編碼,定義是

這種對能量標度的依賴稱作「耦合參數的運行」,量子場論中這種系統標度依賴的理論由重整化群描述。

β函數通常用近似方法計算,最常見的是微擾理論,即假定耦合常數很小。然後,便可以對耦合參數進行冪級數展開,並截去高階項(也稱為高貢獻。與相應費曼圖的環數有關)。

φ4理論的一環β函數(第一微擾貢獻)是

最低階項前面的符號為正,表明耦合常數隨着能量增加。這種行為在大規模耦合時若也存在,將表明在有限能量下存在朗道極點,是由量子平凡性引起的。然而,這問題只能以非微擾形式回答,因為涉及強耦合。

當由β函數計算得重整化耦合在紫外截止被移除後歸零時,稱相應的量子場論是平凡的。這樣,傳播子變成了自由粒子的,場不再相互作用。

Michael Aizenman證明,在時空維度D ≥ 5的情形下,φ4相互作用理論是平凡的。[6]

D = 4,平凡性尚未得到嚴格證明,但晶格計算為此提供了有力證據。這一事實非常重要,因為量子平凡性可用於約束、甚至預測希格斯玻色子質量等量的參數。這也可以導致在漸進安全情形下的可預測希格斯玻色子質量。[7]

另見

腳註

參考文獻

外部連結

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