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

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

7.1. Канонические переменные

387

такая теория позволяет построить подходящие квантово-механи- ческие операторы, удовлетворяющие коммутационным соотношениям алгебры Пуанкаре и приводящие поэтому к лоренц-инвари- антной S-матрице.

Это далеко не тривиально. В предыдущей главе мы видели, что в теориях со связью с производными или со спином j ³ 1

недостаточно записать гамильтониан взаимодействия в виде интеграла по пространству от скалярной плотности. Необходимо добавить к плотности гамильтониана взаимодействия нескалярные слагаемые для компенсации нековарантных слагаемых в пропагаторах. Канонический формализм со скалярной плотностью лагранжиана автоматически приводит к нужным дополнительным слагаемым. Позднее, когда мы перейдем в т. II к обсуждению неабелевых калибровочных теорий, это дополнительное удобство превратится в необходимость. Безнадежно пытаться угадать форму гамильтониана в таких теориях, если не начать с лоренц-инвари- антного и калибровочно инвариантного лагранжиана.

7.1.Канонические переменные

Âэтом разделе мы покажем, что различные построенные нами до сих пор квантовые теории поля удовлетворяют коммутационным соотношениям и уравнениям движения гамильтонова формализма *. Для вычисления S-матрицы (операторным методом или с помощью функционального интеграла) нужен именно гамильтонов формализм, однако далеко не просто выбрать гамильтонианы, приводящие к лоренц-инвариантной S-матрице. В остальной части этой главы мы будем рассматривать в качестве отправной точки лагранжев формализм, и получим с его помощью физически приемлемые гамильтонианы. Цель данного раздела —

* Мы используем русскую терминологию. Автор употребляет термин

Hamiltonian (Lagrangian) version of canonical formalizm, в дословном переводе: гамильтонов (лагранжев) вариант канонического формализма. В русской физической литературе используют термины лагранжев формализм и гамильтонов, или канонический, формализм. Лагранжев и гамильтонов формализмы однозначно связаны и эквивалентны; иногда говорят о «гамильтонизации» лагранжевой теории. — Ïðèì. ðåä.

388

Глава 7. Канонический формализм

определить канонические поля и им сопряженные в различных теориях поля, показать, как выделять слагаемые в лагранжиане, относящиеся к свободным полям, и, наконец, подтвердить, что канонический формализм действительно применим к физически реалистичным теориям.

Прежде всего, покажем, что построенные в гл. 5 свободные поля автоматически образуют систему квантовых операторов qn(x,t) и канонически сопряженных им импульсов pn(x,t), удовлетворяющих известным каноническим соотношениям коммутации или антикоммутации:

n

=

δ3

−

δ

n

(7.1.1

)

[q

(x, t), pn (y, t)]m

(x

y)

,

i

n

= 0,

[qn (x, t), qn (y, t)]m

(7.1.2)

[pn (x, t), p

(y, t)]m

= 0,

(7.1.3)

n

где индекс е указывает, что если хотя бы один из двух операторов рождает или уничтожает частицы, являющиеся бозонами, следует брать коммутатор, а если оба оператора рождают или уничтожают фермионы, то следует брать антикоммутатор. Например, в разделе 5.2 было показано, что действительное скалярное поле ϕ(x)

зарядово самосопряженной частицы нулевого спина подчиняется коммутационному соотношению

[ϕ(x), ϕ(y)]- = (x − y),

где функция

X

d3k

[eik×(x- y) − e

-ik×(x- y)

(x) = Y

],

(2π)3

Z 2k0

причем k0 ≡ k2 + m2 . Заметим, что

(x, 0) = 0 , & (x, 0) = −iδ3 (x) .

(Точка означает производную по x0.) Легко показать, что поле ϕ и его производная по времени ϕ& удовлетворяют одновременным ком-

мутационным соотношениям

7.1. Канонические переменные

389

ϕ

t ϕ&

t

= iδ3

(x

−

y) ,

(7.1.4)

[ (x, ), (y, )]−

[ϕ(x, t), ϕ(y, t)]− = 0 ,

(7.1.5)

[ϕ& (x, t), ϕ& (y, t)]− = 0 .

(7.1.6)

Поэтому можно определить канонические переменные

q(x, t) ≡ ϕ(x, t) ,

p(x, t) ≡ ϕ& (x, t) ,

(7.1.7)

удовлетворяющие каноническим коммутационным соотношениям (7.1.1)−(7.1.3).

В случае комплексного скалярного поля частицы спина нуль, не совпадающей со своей античастицей, коммутационные соотношения имеют вид

[ϕ(x), ϕ† (y)]− = (x − y) , [ϕ(x), ϕ(y)]− = 0 .

Отсюда можно определить канонические переменные для свобод-

ных частиц как комплексные операторы

q(x, t) ≡ ϕ(x, t) ,

(7.1.8)

x

≡ ϕ& †

x

(7.1.9)

p( , t)

(

, t) .

Эквивалентно, записав ϕ ≡ (ϕ1 + iϕ2)/

с эрмитовыми ϕk,

k = 1,2,

2

получаем канонические переменные

qk (x, t) = ϕk (x, t) ,

(7.1.10)

pk (x, t) ≡ ϕ& k (x, t) ,

(7.1.11)

удовлетворяющие коммутационным соотношениям (7.1.1)−(7.1.3).

Для действительного векторного поля частицы спина единица коммутационные соотношения были выписаны в разделе 5.3:

[vμ (x), vν (y)]−

L

ημν −

∂μ∂ν O

= M

P

m2

N

Q

(x − y).

390

Глава 7. Канонический формализм

(Мы пишем vμ вместо Vμ, так как хотим сохранить заглавные буквы

для обозначения полей в гейзенберговском представлении.) В данном случае канонические переменные для свободных частиц можно выбрать в виде:

q

i

x

= v

i

(

x

, t) ,

(7.1.12)

( , t)

= & i

+

∂v0

(x, t)

(7.1.13)

pi (

x

, t)

(

x

, t)

,

v

∂xi

где i = 1, 2, 3. Читатель может проверить, что величины (7.1.12) и (7.1.13) удовлетворяют перестановочным соотношениям (7.1.1)−(7.1.3).

Полевые уравнения (5.3.36) и (5.3.38) вместе с формулой (7.1.13) позволяют выразить v0 через другие переменные:

v0 = m−2 Ñ × p,

(7.1.14)

поэтому v0 не рассматривается в качестве независимой переменной q. На случай комплексного векторного поля эти результаты обобщаются точно так же, как и в случае комплексного скалярного поля.

Для дираковского поля немайорановских частиц спина 1/2 из результатов раздела 5.6 следует, что антикоммутатор полей равен

[ψ n (x), ψ

†

(y)]+ =

(−γ μ∂μ + m)β

(x − y) ,

n

[ψ n (x), ψ

(y)]+ = 0 .

n,n

n

Было бы непоследовательно выбрать ψn è ψn† в качестве независи-

мых канонических переменных, так как их антикоммутатор не обращается в нуль при равных временах. Вместо этого принято определять

qn (x) ≡ ψ

n

(x) ,

(7.1.15)

p

n

(x) ≡ iψ†

(x) .

(7.1.16)

n

Легко видеть, что (7.1.15) и (7.1.16) удовлетворяют каноническим антикоммутационным соотношениям (7.1.1)−(7.1.3).

Для любой системы операторов, удовлетворяющих коммутационным или антикоммутационным соотношениям типа (7.1.1)−(7.1.3),

7.1. Канонические переменные

391

можно определить квантово-механическую функциональную производную. Именно, для произвольного бозонного функционала F[q(t),p(t)] от операторов qn(x,t) è pn(x,t) при фиксированном времени t мы определяем *

δF[q(t), p(t)]

≡ i

pn (x, t),F[q(t), p(t)]

,

(7.1.17)

δq n (x, t)

δF[q(t), p(t)]

≡ i

F[q(t), p(t)], q n (x, t)

.

(7.1.18)

δpn (x, t)

Это определение мотивируется тем, что если записать F[q(t),p(t)] так, что все q окажутся слева от всех p, то (7.1.17) и (7.1.18) являются, соответственно, левыми и правыми производными по qn è pn. Иначе говоря, для произвольной с-числовой ** вариации δq è δp операторов q и p имеем:

F

δF[q(t), p(t)]

δF[q(t), p(t)] = z d3xåG

δqn (x, t)

δ

n

(

x

, t)

n

H

q

+

δF[q(t), p(t)]

δpn

I

δpn (x, t)

(x, t)J .

K

Для более общих функционалов следует дополнить определения (7.1.17) и (7.1.18) различными знаками и коммутаторами при равных временах.

В частности, H0 является генератором трансляций по времени, действующим на свободные частицы в следующем смысле:

q n (x, t) = exp(iH

0

t)q n (x,0) exp(−iH

0

t) ,

(7.1.19)

* Здесь используются обозначения, употребляемые далее по всей книге. Если f(x,y) есть функция двух классов переменных, коллективно обозначенных x и y, то F[f(y)] означает функционал, зависящий от значений f(x,y) при всех x, но при фиксированном y. Бозонным мы называем такой функционал, в котором каждое слагаемое содержит только четное число фермионных полей.

** Åñëè qn è pn − бозонные или фермионные операторы, то считается, что δqn è δpn соответственно коммутируют или антикоммутируют со всеми фер-

мионными операторами и коммутируют со всеми бозонными операторами.

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