Материал: Вайнберг С. Квантовая теория полей. Том 1 (2001)

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

9.2. Переход к S-матрице

519

представлении между собственными состояниями с определенной энергией. *

Теперь необходимо установить, как вычислять волновые функции, являющиеся последними двумя множителями правой части формулы (9.2.3). Рассмотрим сначала простейший и наиболее важный случай — вакуум. (В разделе 6.4 мы видели, что элементы S-матрицы легко вычисляются через средние по вакууму от хронологических произведений.) Предположим, как обычно, что при t → ±∞ матричные элементы вычисляются так, как будто нет ника-

кого взаимодействия.Таким образом, «ин»- и «аут»-вакуумы могут быть определены условиями

ain (p, σ, n)

VAC, in = 0 ,

(9.2.4)

aout (p, σ, n)

VAC,out =

0 ,

где операторы ain è aout являются коэффициентами при экспоненте exp(ip×x − iEt) в разложении оператора Qm(x,t) по плоским волнам при t → −∞ è t → +∞, соответственно. Например, в случае действительного

скалярного поля, отвечающего нейтральной бесспиновой частице, имеем

* Для доказательства необходимо лишь заметить, что если гамильтониан имеет вид H[P(t), Q(t)] + åA z d3x eA (x, t)OA (x, t) , то S-матрица определяется

согласно (9.2.3) следующим образом:

b, out|a, in e =

X

Õ dqm(x, t)

Õ (dpm(x, t)) 2p

Y

Z t, x, m

t, x, . m

L ¥

R

3

&

´ expMi z dtSz d

x qm (x, t)pm (x, t) - H[q(t), p(t)]

N -¥

|

T

- å z

d3x eA

(x, t)OA

UO

(x, t)VP

A

WQ

´ b, out q(+¥);+¥q(-¥);-¥ a, in .

Левая часть формулы (6.4.3) равна производной этого выражения по ea, eb è ò. ä. ïðè e = 0, что дает правую часть формулы (9.2.3). Вновь используя (9.2.3),

приходим к правой части формулы (6.4.3).

520

Глава 9. Методы функционального интегрирования

t®m ¥

-3/2 z

F(x, t) ¾¾¾¾®(2p)

t→ m ∞ &

P(x, t) ¾¾¾¾® F(x, t)

L

O

d3p(2E)-1/2 Main

(p)eip×x + ý. ñ.P

,

(9.2.5)

M

out

P

N

Q

t®m ¥

-3/2

L

ip×x

O

(9.2.6)

3

1/2

Main (p)e

- ý. ñ.P

,

¾¾¾¾® -i(2p)

z d

p(E 2)

M

out

P

N

Q

ãäå p0 º E º p2 + m2 ; здесь вместо Q и Р мы используем общепринятые для скалярного поля обозначения F è P и опускаем ненужные индексы m, s, n. Обращая преобразование Фурье и беря ли-

нейные комбинации получившихся выражений, получаем, что

ain out

(p) = lim

eiEt

t®m¥ (2p)3/2 z

´ ML

E

F(x, t)

M

2

N

d3xe-ip×x

1

O

(9.2.7)

+ i

P(x, t)P .

2E

P

Q

Как отмечалось в разделе 9.1, «импульс» P(x,t) действует на волновые функции в j-базисе * как вариационная производная -id/dj(x,t),

так что условия (9.2.4) в этом базисе принимают вид:

X

L

d

O

in

0

= Y d3xe-ip×x M

+ E(p)j(x)P

j(x);m¥

VAC,

.

(9.2.8)

Z

Ndj(x)

Q

out

Аналогичное обыкновенное дифференциальное уравнение имеет хорошо известное гауссово решение, так что попробуем и здесь воспользоваться гауссовской подстановкой:

* Дословный перевод англоязычного термина wave functions in ϕ-basis. Â

русскоязычной литературе более употребителен термин волновые функционалы в ϕ-представлении (где оператор Φ(x) действует как оператор умножения на функцию ϕ(x)). — Ïðèì. ðåä.

9.2. Переход к S-матрице

521

in

F

1 3

3

I

j(x);m¥

VAC,

= N expG

-

d

xd

yE(x, y)j(x)j(y)J

,

2 z

(9.2.9)

out

H

K

в которой предстоит определить ядро E и константу N . Подставляя правую часть формулы (9.2.9) в формулу (9.2.8), находим, что функциональное дифференциальное уравнение для вакуумного волнового функционала удовлетворяется, если при всех j

0 = z d3xe-ip×x

z d3yE(x, y)j(y) - E(p)j(x)

(9.2.10)

или, другими словами, если

z d3xe-ip×xE(x, y) = E(p)e-ip×y .

(9.2.11)

Решение легко находится обращением преобразования Фурье:

E(x, y) = (2p)-3 z d3peip×(x-y)E(p) .

(9.2.12)

(Напомним, что E(p) = p2 + m2 .) На самом деле, это самое полезное представление ядра E, но заметим попутно, что при x ¹ y ìîæ-

но записать E через функцию Ганкеля отрицательного порядка:

E(x, y) =

m

d F

1

G

K-1

2p

2

r dr H r

I

(mr)J . (9.2.13)

K

ãäå r º |x - y|. Константа N формально определяется из условия

нормировки вакуумного состояния, но этот результат нам не понадобится.

Согласно формуле (9.2.9), при вычислении средних по вакууму в теории скалярного поля произведение двух последних множителей в формуле (9.2.3) равно

VAC,out ϕ(∞);+∞ϕ(−∞);−∞ VAC, in

=| N |

2

F

-

1

d

3

xd

3

I

expG

2 z

yE(x, y)[j(x,+¥)j(y,+¥) + j(x,-¥)j(y,-¥)]J

H

K

=| N |

2

F

-

1

e

d

3

xd

3

y

¥

dtE(x, y)j(x, t)j(y, t)e

-e|t| I

expG

2

z

z-¥

J ,

H

K

(9.2.14)

522

Глава 9. Методы функционального интегрирования

ãäå ε − бесконечно малая положительная величина. При получении

окончательного выражения, мы воспользовались тем фактом, что для любой достаточно гладкой функции f(τ)

∞

f(+∞) + f(−∞) = lim

ε z dτ f(τ) e−ε| τ| .

(9.2.15)

ε→0+

−∞

Подставляя представление (9.2.14) в формулу (9.2.3), получаем:

VAC, out T{OA Π(tA ), Φ(tA ),OB Π(tB ), Φ(tB ), . . . VAC, in

X

Õ

dϕ(x, τ)

Õ

(dπ(x, τ) 2π)T{O

A

π(t

A

), ϕ(t

A

)

Z

=| N |2 Y

τ,x

τ,x

× OB

π(tB ), ϕ(tB)

L

∞

R

τ)

, . . . expMiz

dτSz d3x ϕ& (x, τ)π(x,

(9.2.16)

+ 1 iε

z

N

−∞

T

UO

− H[ϕ(τ), π(τ)]

d3xd3yE(x, y)e−ε|τ|ϕ(x, τ)ϕ(y,

τ)VP .

2

WQ

В разделе 9.4 мы увидим, что совокупный эффект от последнего слагаемого в показателе экспоненты в правой части формулы (9.2.16) заключается в появлении добавки −iε в знаменателе пропагатора скалярного поля в импульсном пространстве: [p2 + m2 − iε]−1. Ìû íå

будем вдаваться в детали соответствующих вычислений для полей произвольного спина, а просто укажем, что в общем случае

VAC,out T{OA PA(tA), Q(tA),OB PB(tB), Q(tB), . . . VAC, in

X L

OL

O

=

N

2

M

x

τ

PM

x

τ

π P O

|

|

Y

MÕ

dq

(

,

)

PMÕ

(dp

(

,

) 2 )

p(t

), q(t

)

Y

m

m

P

A

A

A

Z N τ,x

QN τ,x

Q

L

X∞

R

× O

×

M

iY

τ

|

3

å

&

x

τ

x

τ

p(t

), q(t

)

, . . .

exp

d

S

d

x

q

(

,

)p

(

,

)

B

B

B

M

Y

|z

m

m

(9.2.17)

N

Z−∞

T

m

−H[q(τ), p(τ)] + iε −

UO

слагаемыеVP .

WQ

9.3. Лагранжева форма функционального интеграла

523

Здесь «ie-слагаемые» приводят к появлению правильной добавки -ie

в знаменателях всех пропагаторов.

Сейчас уместно отметить, что не зависящие от полей множители в (9.2.17), типа константы |N |2, несущественны. Дело в том, что они дают вклад и в матричный элемент перехода áVAC, out|VAC, inñ.

При вычислении связной части средних по вакууму от хронологи- ческих произведений (или S-матрицы) мы избавляемся от вклада несвязных поддиаграмм вакуумных флуктуаций путем деления на áVAC, out|VAC, inñ, так что все постоянные множители в вакуум-

ных средних сокращаются.

Можно продвинуться дальше и вычислить матричные элементы между многочастичными состояниями, подставив соответствующие «волновые функционалы» в формулу (9.2.3). Последние можно вычислить, подействовав на вакуумное состояние сопряженными операторами к операторам уничтожения вида (9.2.7).

Как и для гармонического осциллятора, такие волновые функционалы оказываются полиномами Эрмита по полям, умноженными на вакуумный гауссиан. Мы не будем развивать далее эти вы- числения, поскольку, как показано в разделе 6.4, все, что нужно для вычисления матричных элементов S-матрицы, это знание средних по вакууму (9.2.17).

9.3. Лагранжева форма функционального интеграл

Подынтегральное выражение в показателе экспоненты в формулах (9.1.38) или (9.2.17) похоже на лагранжиан L для гамильтониана Н. Это сходство до некоторой степени вводит в заблуждение, так как «импульсы» pa(t) èëè pn(x,t) являются независимыми переменными, еще не связанными с qa(t) èëè qn(x,t) или их производными.

Однако существует большой и важный класс теорий, в которых интеграл по «импульсам» может быть взят путем простой замены их на те значения, которые диктуются каноническим формализмом. В этом случае подынтегральное выражение в показателе экспоненты в интегралах по путям действительно совпадает с лагранжианом.

Гамильтониан таких теорий квадратичен по «импульсам», т. е. на языке теории поля

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/280974