stringtranslate.com

Исходное поле

В теоретической физике источник — это абстрактное понятие, разработанное Джулианом Швингером , мотивированное физическими эффектами окружающих частиц, участвующих в создании или уничтожении другой частицы . [1] Таким образом, можно воспринимать источники как источник физических свойств, переносимых созданной или уничтоженной частицей, и, таким образом, можно использовать это понятие для изучения всех квантовых процессов, включая локализованные в пространстве-времени свойства и формы энергии, т. е. массу и импульс, явлений. Амплитуда вероятности созданной или распадающейся частицы определяется эффектом источника на локализованную область пространства-времени таким образом, что затронутая частица захватывает свою физику в зависимости от тензорной [2] и спинорной [3] природы источника. Примером, на который ссылался Джулиан Швингер, является создание мезона из-за корреляций масс между пятью мезонами. [4] .

Та же идея может быть использована для определения исходных полей . Математически исходное поле — это фоновое поле, связанное с исходным полем как

.

Этот член появляется в действии в формулировке интеграла по траектории Ричарда Фейнмана и отвечает за взаимодействия теории. В реакции столкновения источником могут быть другие частицы в столкновении. [5] Таким образом, источник появляется в вакуумной амплитуде, действующей с обеих сторон на коррелятор функции Грина теории. [1]

Теория источника Швингера вытекает из квантового принципа действия Швингера и может быть связана с формулировкой интеграла по траектории, поскольку вариация относительно источника как такового соответствует полю , т.е. [6]

.

Также источник действует эффективно [7] в области пространства-времени. Как видно из примеров ниже, поле источника появляется в правой части уравнений движения (обычно уравнений в частных производных второго порядка ) для . Когда поле является электромагнитным потенциалом или метрическим тензором , поле источника является электрическим током или тензором энергии-импульса , соответственно. [8] [9]

С точки зрения статистических и нерелятивистских приложений формулировка источника Швингера играет решающую роль в понимании многих неравновесных систем. [10] [11] Теория источника имеет теоретическое значение, поскольку она не нуждается ни в регуляризации расхождения, ни в перенормировке. [5]

Связь между формулировкой интеграла по траектории и формулировкой источника

В формулировке интеграла по траекториям Фейнмана с нормализацией , функция распределения [12]

генерирует функции Грина ( корреляторы )

.

Один реализует квантовую вариационную методологию, чтобы понять, что является внешним источником возбуждения . С точки зрения теории вероятностей, можно рассматривать как ожидаемое значение функции . Это мотивирует рассматривать гамильтониан вынужденного гармонического осциллятора как игрушечную модель

где .

На самом деле ток действителен, то есть . [13] А лагранжиан равен . С этого момента мы опускаем шляпу и звездочку. Помните, что каноническое квантование утверждает . В свете связи между статистической суммой и ее корреляторами изменение амплитуды вакуума дает

, где .

Поскольку интеграл находится во временной области, его можно преобразовать Фурье вместе с операторами рождения/уничтожения, так что амплитуда в конечном итоге станет [6]

.

Легко заметить, что существует сингулярность при . Тогда мы можем воспользоваться -предписанием и сместить полюс так, чтобы для функции Грина обнаружилась

Последний результат представляет собой теорию источника Швингера для взаимодействующих скалярных полей и может быть обобщен на любые области пространства-времени. [7] Обсуждаемые ниже примеры следуют метрике .

Теория источников скалярных полей

Теория причинных возмущений объясняет, как источники действуют слабо. Для слабого источника, испускающего частицы со спином 0 , действуя на состояние вакуума с амплитудой вероятности , в определенной области пространства-времени создается одна частица с импульсом и амплитудой . Затем другой слабый источник поглощает эту одну частицу в другой области пространства-времени таким образом, что амплитуда становится . [5] Таким образом, полная амплитуда вакуума определяется как

где - пропагатор (коррелятор) источников. Второй член последней амплитуды определяет функцию распределения свободного скалярного поля . А для некоторой теории взаимодействия лагранжиан скалярного поля, связанного с током, задается как [14]

Если добавить к массовому члену, то Фурье преобразует и то , и другое в импульсное пространство, вакуумная амплитуда становится

,

где Легко заметить, что член в амплитуде выше может быть преобразован Фурье к , т.е. .

Таким образом, производящий функционал получается из функции распределения следующим образом. [8] Последний результат позволяет нам прочитать функцию распределения как

, где , а — вакуумная амплитуда, полученная источником . Следовательно, пропагатор определяется путем изменения статистической суммы следующим образом.

Это мотивирует обсуждение приближения среднего поля ниже.

Эффективное действие, приближение среднего поля и вершинные функции

Основываясь на теории источника Швингера, Стивен Вайнберг заложил основы эффективной теории поля, которая широко ценится среди физиков. Несмотря на « инцидент с туфлями », Вайнберг отдал должное Швингеру за то, что он стал катализатором этой теоретической структуры. [15]

Все функции Грина могут быть формально найдены с помощью разложения Тейлора суммы распределения , рассматриваемой как функция исходных полей. Этот метод обычно используется в формулировке интеграла по траектории квантовой теории поля . Общий метод, с помощью которого такие исходные поля используются для получения пропагаторов как в квантовой, так и в статистической механике и других системах, излагается следующим образом. После переопределения функции распределения в терминах амплитуды , повернутой по Вику , функция распределения становится . Можно ввести , которая ведет себя как свободная энергия Гельмгольца в тепловых теориях поля , [16] чтобы поглотить комплексное число, и, следовательно , . Функция также называется приведенным квантовым действием . [17] И с помощью преобразования Лежандра мы можем изобрести «новый» эффективный функционал энергии , [18] или эффективное действие , как

, с преобразованиями [19]

Интеграцию в определении эффективного действия разрешается заменить суммой по , т.е. . [20] Последнее уравнение напоминает термодинамическое соотношение между свободной энергией Гельмгольца и энтропией. Теперь ясно, что тепловые и статистические теории поля в своей основе исходят из функциональных интеграций и функциональных производных . Возвращаясь к преобразованиям Лежандра,

Называется средним полем, очевидно , потому что , в то время как является фоновым классическим полем . [17] Поле разлагается на классическую часть и флуктуационную часть , т.е. , поэтому амплитуду вакуума можно повторно ввести как

,

и любая функция определяется как

,

где — действие свободного лагранжиана. Последние два интеграла являются столпами любой эффективной теории поля. [20] Эта конструкция незаменима при изучении рассеяния ( формула редукции LSZ ), спонтанного нарушения симметрии , [21] [22] тождеств Уорда , нелинейных сигма-моделей и низкоэнергетических эффективных теорий . [16] Кроме того, эта теоретическая структура инициирует линию мыслей, опубликованную в основном Брайсом ДеВиттом , который был аспирантом Швингера, о разработке канонической квантованной эффективной теории для квантовой гравитации. [23]

Вернемся к функциям Грина действий. Поскольку — преобразование Лежандра , и определяет N-точечный связанный коррелятор , то соответствующий коррелятор, полученный из , известный как вершинная функция , задается как . Следовательно, в одночастичных неприводимых графах (обычно обозначаемых как 1PI ), связанный 2-точечный -коррелятор определяется как обратный 2-точечному -коррелятору, т.е. обычная приведенная корреляция равна , а эффективная корреляция равна . Для наиболее общие соотношения между N-точечными связанными и являются

и

Теория источников полей

Векторные поля

Для слабого источника, создающего летучую частицу со спином 1 с общим током, действующим на различные причинные точки пространства-времени , амплитуда вакуума равна

В импульсном пространстве частица со спином 1 и массой покоя имеет определенный импульс в своей системе покоя, т.е. Тогда амплитуда дает [5]

где и является транспонированием . Последний результат совпадает с использованным пропагатором в вакуумной амплитуде в конфигурационном пространстве, то есть,

.

Когда , выбранная калибровка Фейнмана-'т Хоофта делает спин-1 безмассовым. А когда , выбранная калибровка Ландау делает спин-1 массивным. [24] Безмассовый случай очевиден, как изучено в квантовой электродинамике . Массивный случай более интересен, поскольку ток не требуется сохранять. Однако ток можно улучшить способом, аналогичным тому, как улучшается тензор Белинфанте-Розенфельда, так что он в конечном итоге сохраняется. И чтобы получить уравнение движения для массивного вектора, можно определить [5]

Можно применить интегрирование по частям ко второму члену, а затем выделить его, чтобы получить определение массивного поля спина 1.

Кроме того, уравнение выше говорит, что . Таким образом, уравнение движения можно записать в любой из следующих форм

Массивные полностью симметричные поля спина 2

Для слабого источника на плоском фоне Минковского , создающего и затем поглощающего летящую частицу со спином 2 с общим переопределенным тензором энергии-импульса , действующую как ток, , где - тензор поляризации вакуума , амплитуда вакуума в компактной форме равна [5]

или

Эта амплитуда в импульсном пространстве дает (транспонирование вложено)

А с помощью симметричных свойств источника последний результат можно записать как , где оператор проекции, или преобразование Фурье оператора поля Якоби, полученное применением скобки Пайерлса к вариационному принципу Швингера , [25] равно .

В N-мерном плоском пространстве-времени 2/3 заменяется на 2/(N-1). [26] А для безмассовых полей спина 2 оператор проекции определяется как [5] .

Вместе с тождеством Уорда-Такахаши оператор проектора имеет решающее значение для проверки симметричных свойств поля, закона сохранения тока и разрешенных физических степеней свободы.

Стоит отметить, что тензор поляризации вакуума и улучшенный тензор энергии-импульса появляются в ранних версиях теорий массивной гравитации . [27] [28] Интересно, что теории массивной гравитации не были широко оценены до недавнего времени из-за очевидных несоответствий, полученных в исследованиях начала 1970-х годов по обмену одним полем спина 2 между двумя источниками. Но в 2010 году подход dRGT [29] использования переопределения поля Штюкельберга привел к последовательной ковариантизированной массивной теории, свободной от всех призраков и разрывов, полученных ранее.

Если рассмотреть и следовать той же процедуре, которая использовалась для определения массивных полей спина 1, то легко определить массивные поля спина 2 как

Соответствующее условие дивергенции читается как , где ток не обязательно сохраняется (это не калибровочное условие, как в случае безмассового случая). Но тензор энергии-импульса может быть улучшен таким образом, что согласно конструкции Белинфанте-Розенфельда . Таким образом, уравнение движения

становится

Можно использовать условие дивергенции, чтобы разделить нефизические поля и , поэтому уравнение движения упрощается как [30]

.

Массивные полностью симметричные произвольные целочисленные спиновые поля

Можно обобщить источник, чтобы он стал источником с более высоким спином, таким образом, что становится . [5] Обобщенный проекционный оператор также помогает обобщить вектор электромагнитной поляризации квантованного электромагнитного векторного потенциала следующим образом. Для точек пространства-времени теорема сложения сферических гармоник утверждает, что

.

Кроме того, теория представления пространства комплекснозначных однородных многочленов степени на единичной (N-1)-сфере определяет тензор поляризации как [31] Тогда обобщенный вектор поляризации равен .

А оператор проекции можно определить как .

Симметричные свойства проекционного оператора облегчают работу с вакуумной амплитудой в импульсном пространстве. Поэтому вместо того, чтобы выражать ее через коррелятор в конфигурационном пространстве, мы пишем

.

Смешанные симметричные произвольные спиновые поля

Кроме того, теоретически непротиворечиво обобщать теорию источника для описания гипотетических калибровочных полей с антисимметричными и смешанными симметричными свойствами в произвольных измерениях и произвольных спинах . Но следует позаботиться о нефизических степенях свободы в теории. Например, в N-мерностях и для смешанной симметричной безмассовой версии поля Куртрайта и источника амплитуда вакуума равна , что для теории в N=4 заставляет источник в конечном итоге раскрыть, что это теория нефизического поля. [32] Однако массивная версия выживает в N≥5.

Произвольные полуцелые спиновые поля

Для спин- фермионного пропагатора и тока , определенных выше, вакуумная амплитуда равна [5]

В импульсном пространстве приведенная амплитуда определяется выражением

Для спин- фермионов Рарита-Швингера , тогда можно использовать и on-shell, чтобы получить

Заменить приведенную метрику на обычную можно , если заменить исходную на

Для спина приведенные выше результаты можно обобщить следующим образом:

Фактор получается из свойств проекционного оператора, бесследности тока и сохранения тока после проецирования оператором. [5] Эти условия могут быть выведены из условий Фирца-Паули [33] и Фанг-Фронсдала [34] [35] для самих полей. Лагранжевы формулировки массивных полей и их условия изучались Ламбодаром Сингхом и Карлом Хагеном . [36] [37] Нерелятивистская версия проекционных операторов, разработанная Чарльзом Земахом, другим учеником Швингера, [38] широко используется в адронной спектроскопии. Метод Земаха можно было бы релятивистски улучшить, чтобы получить ковариантные проекционные операторы. [39] [40]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Швингер, Джулиан (1966-12-23). ​​«Частицы и источники». Physical Review . 152 (4): 1219–1226. doi :10.1103/PhysRev.152.1219. ISSN  0031-899X.
  2. ^ Швингер, Джулиан (1968-09-25). «Источники и гравитоны». Physical Review . 173 (5): 1264–1272. doi :10.1103/PhysRev.173.1264. ISSN  0031-899X.
  3. ^ Швингер, Джулиан (1967-06-25). «Источники и электродинамика». Physical Review . 158 (5): 1391–1407. doi :10.1103/PhysRev.158.1391. ISSN  0031-899X.
  4. ^ Kalbfleisch, George R.; Alvarez, Luis W.; Barbaro-Galtieri, Angela; Dahl, Orin I.; Eberhard, Philippe; Humphrey, William E.; Lindsey, James S.; Merrill, Deane W.; Murray, Joseph J.; Rittenberg, Alan; Ross, Ronald R.; Shafer, Janice B.; Shively, Frank T.; Siegel, Daniel M.; Smith, Gerald A. (1964-05-04). "Наблюдение нестранного мезона массой 959 МэВ". Physical Review Letters . 12 (18): 527–530. doi :10.1103/PhysRevLett.12.527. ISSN  0031-9007.
  5. ^ abcdefghij Швингер, Джулиан (1998). Частицы, источники и поля . Чтение, Массачусетс.: Расширенная книжная программа, Perseus Books. ISBN 0-7382-0053-0. OCLC  40544377.
  6. ^ ab Milton, Kimball A. (2015), «Квантовый принцип действия», Квантовый принцип действия Швингера , SpringerBriefs in Physics, Cham: Springer International Publishing, стр. 31–50, doi :10.1007/978-3-319-20128-3_4, ISBN 978-3-319-20127-6, получено 2023-05-06
  7. ^ ab Томс, Дэвид Дж. (15.11.2007). Принцип действия Швингера и эффективное действие (1-е изд.). Cambridge University Press. doi : 10.1017/cbo9780511585913.008. ISBN 978-0-521-87676-6.
  8. ^ ab Zee, A. (2010). Квантовая теория поля в двух словах (2-е изд.). Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-14034-6. OCLC  318585662.
  9. ^ Вайнберг, Стивен (1965-05-24). «Фотоны и гравитоны в теории возмущений: вывод уравнений Максвелла и Эйнштейна». Physical Review . 138 (4B): B988–B1002. doi :10.1103/PhysRev.138.B988. ISSN  0031-899X.
  10. ^ Швингер, Джулиан (май 1961). «Броуновское движение квантового осциллятора». Журнал математической физики . 2 (3): 407–432. doi :10.1063/1.1703727. ISSN  0022-2488.
  11. ^ Каменев, Алекс (2011). Полевая теория неравновесных систем . Кембридж. ISBN 978-1-139-11485-1. OCLC  760413528.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  12. ^ Райдер, Льюис (1996). Квантовая теория поля (2-е изд.). Cambridge University Press. стр. 175. ISBN 9780521478144.
  13. ^ Настасе, Хорациу (17 октября 2019 г.). Введение в квантовую теорию поля (1-е изд.). Cambridge University Press. doi : 10.1017/9781108624992.009. ISBN 978-1-108-62499-2. S2CID  241983970.
  14. ^ Рамон, Пьер (2020). Теория поля: современный учебник (2-е изд.). Routledge. ISBN 978-0367154912.
  15. ^ Вайнберг, Стивен (1979). «Феноменологические лагранжианы». Physica A: Статистическая механика и ее приложения . 96 (1–2): 327–340. doi :10.1016/0378-4371(79)90223-1.
  16. ^ ab Fradkin, Eduardo (2021). Квантовая теория поля: комплексный подход . Princeton University Press. стр. 331–341. ISBN 9780691149080.
  17. ^ ab Zeidler, Eberhard (2006). Квантовая теория поля I: Основы математики и физики: мост между математиками и физиками . Springer. стр. 455. ISBN 9783540347620.
  18. ^ Кляйнерт, Хаген; Шульте-Фролинде, Верена (2001). Критические свойства фи^4-теорий . World Scientific Publishing Co., стр. 68–70. ISBN 9789812799944.
  19. ^ Jona-Lasinio, G. (1964-12-01). "Релятивистские теории поля с решениями, нарушающими симметрию". Il Nuovo Cimento (1955-1965) . 34 (6): 1790–1795. doi :10.1007/BF02750573. ISSN  1827-6121. S2CID  121276897.
  20. ^ ab Эспозито, Джампьеро; Каменщик, Александр Ю.; Поллифроне, Джузеппе (1997). Евклидова квантовая гравитация на многообразиях с границей. Дордрехт: Springer Netherlands. doi :10.1007/978-94-011-5806-0. ISBN 978-94-010-6452-1.
  21. ^ Jona-Lasinio, G. (1964-12-01). "Релятивистские теории поля с решениями, нарушающими симметрию". Il Nuovo Cimento (1955-1965) . 34 (6): 1790–1795. doi :10.1007/BF02750573. ISSN  1827-6121. S2CID  121276897.
  22. ^ Фархи, Э.; Джекив, Р. (январь 1982 г.), Нарушение динамической калибровочной симметрии, WORLD SCIENTIFIC, стр. 1–14, doi :10.1142/9789814412698_0001, ISBN 978-9971-950-24-8, получено 2023-05-17
  23. ^ Кристенсен, Стивен М.; ДеВитт, Брайс С., ред. (1984). Квантовая теория гравитации: эссе в честь 60-летия Брайса С. ДеВитта . Бристоль: Hilger. ISBN 978-0-85274-755-1.
  24. ^ Боголиев, НН (1982). Квантовые поля . ДВ Ширков. Reading, MA: Benjamin/Cummings Pub. Co., Advanced Book Program/World Science Division. ISBN 0-8053-0983-7. OCLC  8388186.
  25. ^ DeWitt-Morette, Cecile (1999). Квантовая теория поля: перспектива и перспективы . Жан Бернард Зубер. Дордрехт: Springer Netherlands. ISBN 978-94-011-4542-8. OCLC  840310329.
  26. ^ ДеВитт, Брайс С. (2003). Глобальный подход к квантовой теории поля . Оксфорд: Oxford University Press. ISBN 0-19-851093-4. OCLC  50323237.
  27. Огиевецкий, В.И.; Полубаринов, И.В. (ноябрь 1965 г.). «Взаимодействующее поле спина 2 и уравнения Эйнштейна». Annals of Physics . 35 (2): 167–208. doi :10.1016/0003-4916(65)90077-1.
  28. ^ Фройнд, Питер ГО; Махешвари, Амар; Шёнберг, Эдмонд (август 1969). «Конечно-диапазонная гравитация». The Astrophysical Journal . 157 : 857. doi : 10.1086/150118 . ISSN  0004-637X.
  29. ^ Де Рам, Клаудия; Габададзе, Грегори (2010-08-10). "Обобщение действия Фирца-Паули". Physical Review D. 82 ( 4): 044020. arXiv : 1007.0443 . doi : 10.1103/PhysRevD.82.044020. S2CID  119289878.
  30. ^ Ван Кортрик, Томас; Куртрайт, Томас; Альшал, Хассан (2021). «О полях Энцелада». Болгарский физический журнал . 48 (2): 138–145.
  31. ^ Галлье, Жан; Квайнтанс, Джоселин (2020), «Сферические гармоники и линейные представления групп Ли», Дифференциальная геометрия и группы Ли , Геометрия и вычисления, т. 13, Cham: Springer International Publishing, стр. 265–360, doi : 10.1007/978-3-030-46047-1_7, ISBN 978-3-030-46046-4, S2CID  122806576 , получено 2023-05-08
  32. ^ Куртрайт, Томас (1985-12-26). «Обобщенные калибровочные поля». Physics Letters B. 165 ( 4): 304–308. doi :10.1016/0370-2693(85)91235-3. ISSN  0370-2693.
  33. ^ "О релятивистских волновых уравнениях для частиц произвольного спина в электромагнитном поле". Труды Лондонского королевского общества. Серия A. Математические и физические науки . 173 (953): 211–232. 1939-11-28. doi :10.1098/rspa.1939.0140. ISSN  0080-4630. S2CID  123189221.
  34. ^ Фронсдал, Кристиан (1978-11-15). «Безмассовые поля с целым спином». Physical Review D. 18 ( 10): 3624–3629. doi :10.1103/PhysRevD.18.3624.
  35. ^ Фанг, Дж.; Фронсдал, К. (1978-11-15). «Безмассовые поля с полуцелым спином». Physical Review D. 18 ( 10): 3630–3633. doi :10.1103/PhysRevD.18.3630.
  36. ^ Сингх, ЛПС; Хаген, К. Р. (1974-02-15). «Лагранжева формулировка для произвольного спина. I. Случай бозона». Physical Review D. 9 ( 4): 898–909. doi :10.1103/PhysRevD.9.898. ISSN  0556-2821.
  37. ^ Сингх, ЛПС; Хаген, К. Р. (1974-02-15). «Лагранжева формулировка для произвольного спина. II. Случай фермиона». Physical Review D. 9 ( 4): 910–920. doi :10.1103/PhysRevD.9.910. ISSN  0556-2821.
  38. ^ Земах, Чарльз (11 октября 1965 г.). «Использование тензоров углового момента». Physical Review . 140 (1B): B97–B108. doi :10.1103/PhysRev.140.B97.
  39. ^ Filippini, V.; Fontana, A.; Rotondi, A. (1995-03-01). «Ковариантные спиновые тензоры в мезонной спектроскопии». Physical Review D. 51 ( 5): 2247–2261. doi :10.1103/PhysRevD.51.2247. PMID  10018695.
  40. ^ Чунг, СУ (1998-01-01). «Общая формулировка ковариантных амплитуд спиральности-связи». Physical Review D. 57 ( 1): 431–442. doi :10.1103/PhysRevD.57.431.