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

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

452

Глава 7. Канонический формализм

4.См., например: Wess, J. and Bagger, J., Supersymmetry and

Supergravity (Princeton University Press, Princeton, 1983) и цитированные в этой книге оригинальные работы (есть рус. пер.: Дж. Весс, Дж. Баггер. Суперсимметрия и супергравитация. М.: Мир, 1985).

5.Dirac, P.A.M., Lectures on Quantum Mechanics (Yeshiva University, New York, 1964). См. также: Dirac, P.A.M., Canad. J. Math., 2, 129 (1950); Proc. Roy. Soc. London, ser. A, 246, 326 (1958); Bergmann, P.G., Helv. Phys. Acta Suppl. IV, 79 (1956).

6.Maskawa, T. and Nakajima, H., Progr. Theor. Phys., 56, 1295 (1976). Я благодарен Дж. Фейнбергу, обратившему мое внимание на эту ссылку.

8

Электродинамика

Первоначальный подход к квантовой электродинамике заклю- чался в том, чтобы принять как данное максвелловскую классиче- скую теорию электромагнетизма и проквантовать ее. Вероятно, чи- татель уже не удивится тому, что в этой книге мы пойдем другим путем.

Сначала, анализируя специфические трудности, возникающие при формулировке квантовой теории безмассовых частиц со спином, мы придем к необходимости принципа калибровочной инвариантности, и затем выведем основные свойства электродинамики. Далее мы будем следовать более привычным современным путем, и исходя из калибровочной инвариантности выведем существование векторного потенциала, описывающего безмассовые частицы спина единица.

Слишком рано говорить, какая из этих альтернатив отвечает логическому порядку природы. Большинство теоретиков предпочи- тает брать за отправную точку калибровочную инвариантность, однако в современных теориях струн1 аргументация иная: сначала среди нормальных мод струны обнаруживается состояние нулевой массы и спина единица, а затем из этого выводится калибровочная инвариантность эффективной теории поля, описывающей такие частицы.

Во всяком случае, как мы увидим, и тот, и другой подход приводят к квантованной версии максвелловской теории, все еще остающейся образцовым примером успешной квантовой теории поля.

454

Глава 8. Электродинамика

8.1 Калибровочная инвариантность

Начнем с напоминания тех проблем, которые связаны с построением ковариантных свободных полей для безмассовой частицы спиральности ±1. Мы видели в разделе 5.9, что для таких частиц

не составляет труда построить свободное антисимметричное тензорное поле fμν(x). Это поле можно выразить через 4-потенциал aμ(x)

(5.9.23) с помощью известного соотношения

fmn (x) = ∂man (x) − ∂nam (x) .

(8.1.1)

Однако из формулы (5.9.23) следует, что aμ(x) преобразуется как

4-вектор только с точностью до калибровочного преобразования

U

(Λ)a

m

(x)U

-1(Λ) = Λ

νa

n

(Λx) + ∂

m

Ω(x, Λ) .

(8.1.2)

0

0

m

На самом деле, нельзя построить истинный 4-вектор как линейную комбинацию операторов рождения и уничтожения частицы спиральности ±1. Это объясняет наличие сингулярностей при m = 0 в про-

пагаторе массивного векторного поля

X

η

+ q

m

q

n

m2

mn (x, y) = (2π)-4 Y d4xeiq×(x- y)

mn

,

q2 + m2 − iε

Z

которые не позволяют рассматривать безмассовые частицы спиральности ±1, просто переходя к пределу m → 0 в теории массивных

частиц спина единица.

Можно обойти эти проблемы, потребовав, чтобы все взаимо-

действия включали не Aμ(x), а только * Fμν(x) ≡ ∂μAν(x) −∂νAμ(x) è

их производные, однако это и не самая общая возможность, и не та, которая реализуется в природе. Вместо изгнания Aμ(x) из дейст-

вия, потребуем, чтобы действие материи IM, т. е. слагаемое в действии, описывающее материю и ее взаимодействия с излучением, было инвариантным относительно общего калибровочного преобразования

* Мы теперь используем обозначения Aμ è Fμν для вектора электромагнит-

ного потенциала и тензора напряженности поля, так как это взаимодействующие поля.

8.1. Калибровочная инвариантность

455

Aμ (x) → Aμ (x) + ∂μ ε(x)

(8.1.3)

(по крайней мере, если поля материи удовлетворяют полевым уравнениям), чтобы дополнительное слагаемое в правой части формулы (8.1.2) не оказывало никакого влияния. Изменение действия для материи в результате преобразования (8.1.3) можно записать в виде

X

δI

M

δIM

= Y d4x

∂μ ε(x).

(8.1.4)

δAμ (x)

Z

Поэтому из лоренцевской инвариантности IM вытекает, что

δIM

∂μ δAμ (x)

= 0 .

(8.1.5)

Это тривиально верно, если IM содержит наряду с полями материи только Fμν(x) и его производные. В этом случае

δIM

= 2∂ν

δIM

.

δAμ (x)

δFμν (x)

Однако если в IM входит само поле Aμ(x), уравнение (8.1.5) становит-

ся нетривиальным ограничением на теорию.

Обсудим теперь, теории какого типа приводят к сохраняющимся токам, с которыми может взаимодействовать поле Aμ(x). Â

разделе 7.3 мы видели, что наличие непрерывных внутренних симметрий действия влечет за собой существование сохраняющихся токов. В частности, если бесконечно малое преобразование *

δΨl (x) = iε(x)q

Ψl (x)

(8.1.6)

l

оставляет инвариантным действие материи при постоянном ε, то в случае произвольной функции ε(x) изменение действия материи

должно иметь вид

* Поскольку в данном случае матрица преобразования поля взята диагональной, соглашение о суммирования для сумм по повторяющимся индексам здесь неудобно, так что в формуле (8.1.6) нет суммирования по l.

456

Глава 8. Электродинамика

δIM = −z d4x Jμ (x)∂μ ε(x) .

(8.1.7)

Если поля материи удовлетворяют своим полевым уравнениям, действие материи стационарно по отношению к любым вариациям Ψl,

так что в этом случае правая часть формулы (8.1.7) должна обратиться в нуль, откуда

∂μ Jμ = 0 .

(8.1.8)

В частности, в разделе 7.3 мы видели, что если IM есть интеграл от функции LM, зависящей от Ψl è ∂μΨl, то сохраняющийся ток дается

формулой *

Jμ = −iå

∂LM

qlΨl

l

,

l

∂ ∂

Ψ

i

d μ

и он порождает преобразования (8.1.6) в том смысле, что

[Q, Ψl (x)] = −q

Ψl (x) ,

(8.1.9)

l

где Q — не зависящий от времени оператор заряда

Q = z d3x J0 .

(8.1.10)

Поэтому можно построить лоренц-инвариантную теорию, где векторное поле Aμ взаимодействует с сохраняющимся током Jμ в том смысле, что вариационная производная δIM/δAμ(x) пропорциональна Jμ(x). Любая константа пропорциональности может быть погло-

щена переопределением общего масштаба зарядов ql, так что можно просто приравнять эти величины друг другу:

δIM

= J

μ (x) .

(8.1.11)

δAμ (x)

* Здесь считается, что Ψl пробегает множество всех независимых полей, кроме Aμ. Мы используем заглавное Ψ, чтобы отметить, что это поля

в гейзенберговском представлении, зависимость от времени которых вклю- чает эффекты взаимодействия. Конечно, эти Ψl не следует путать с вектором

состояния или волновой функцией.

8.1. Калибровочная инвариантность

457

Сохранение электрического заряда позволяет зафиксировать зна- чения всех зарядов, выразив их через значение любого из них. Принято выбирать за основу значение заряда электрона, обозначаемое −e. Именно формула (8.1.11) придает значению e определенный

смысл *.

Требование, выражаемое формулой (8.1.11), можно теперь сформулировать как принцип инвариантности относительно совместных преобразований вида

δAμ (x) = ∂μ ε(x) ,

(8.1.12)

δΨl = iε(x)q

Ψl (x) .

(8.1.13)

l

Симметрия такого типа с произвольной функцией ε(x) называется

локальной симметрией или калибровочной инвариантностью второго рода. Симметрия относительно преобразований с постоянным ε íà-

зывается глобальной симметрией или калибровочной инвариантностью первого рода. В настоящее время известно несколько точных локальных симметрий, однако чисто глобальные симметрии, повидимому, являются следствием других принципов (см. раздел 12.5). Мы еще ничего не сказали о действии для самих фотонов. В качестве догадки можно попытаться взять его таким же, как и для массивных векторных полей, положив только m = 0:

Iγ = − 41 z d4xFμνFμν .

(8.1.14)

Это действие совпадает с тем, которое используется в класси- ческой электродинамике, однако истинным оправданием выбора такого действия является то, что оно (с точностью до константы) представляет единственный калибровочно-инвариантный функционал, квадратичный по Fμν и не содержащий высших производных. Кроме

того, как мы увидим в следующем разделе, оно приводит к согласованной квантовой теории. Любые слагаемые в действии более высокого порядка по производным и/или по Fμν, могут быть

* Конечно, (8.1.11) фиксирует определение e только после того, как определена нормировка Aμ(x). Вопрос о нормировке электромагнитного поля обсу-

ждается в разделе 10.4.

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