系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
将演化分成短时间段,在每两段之间插入完备态,传播振幅便化为对中间位置、动量的积分。连续切片的记号就是路径积分;在各时刻加入算符,还会自然产生LSZ公式中的时间序乘积。先考虑一维量子力学,取 ℏ=1,哈密顿量为
H=K+V(Q),K=2mP2,[Q,P]=i,m>0.(6.1)
所求的是粒子从 t′ 时刻的位置 q′ 传播到 t′′ 时刻的位置 q′′ 的振幅。记总时间为 T=t′′−t′>0,在薛定谔绘景中它就是演化算符的矩阵元:
K(q′′,t′′;q′,t′)=⟨q′′∣e−iHT∣q′⟩.(6.2)
位置本征态 ∣q⟩ 按 ⟨q∣q′⟩=δ(q−q′) 归一化,因而 K 是传播算符在位置表象中的积分核:用它对初始位置积分,便得到初态波函数的时间演化。
在中间时刻插入完备态
也可以在海森堡绘景中描述同一振幅。位置算符随时间变为 Q(t)=eiHtQe−iHt,它在各时刻的本征态以及这些态之间的重叠为
∣q,t⟩=eiHt∣q⟩,Q(t)∣q,t⟩=q∣q,t⟩,⟨q′′,t′′∣q′,t′⟩=K(q′′,t′′;q′,t′).(6.3)
验证第二式时,只需将 Q(t) 作用在所定义的态上:相邻的 e−iHteiHt 相消后,留下 eiHtQ∣q⟩,便可使用位置本征值方程。第三式则将末态取厄米共轭,再合并两个演化指数。这里随 t 改变的是 Q(t) 的本征基底;海森堡绘景中的物理态矢仍保持不变。
现在把传播时间 T 分成 N+1 段,令 δt=T/(N+1)、q0=q′、qN+1=q′′。每到一个中间时刻,就在相邻演化算符之间插入一次 1=∫−∞+∞dqj∣qj⟩⟨qj∣。对所有中间位置求和,传播振幅便精确地分解为
K=∫j=1∏Ndqjj=0∏N⟨qj+1∣e−iHδt∣qj⟩.(6.4)
上式对 N 个内部位置积分,含有 N+1 个短时传播因子;两个端点已由初、末态固定。切片本身没有引入近似,它只是把长时间演化拆成了可以反复使用的同一个短时问题。
要在短时间内分别处理动能和势能,就须控制忽略二者不对易性所产生的误差。记 A=−iKδt、B=−iVδt,把指数展开到二阶:
eAeBeA+B=1+A+B+21A2+AB+21B2+O(δt3),=1+A+B+21A2+21(AB+BA)+21B2+O(δt3).(6.5)
两行相减,乘积展开比整体展开多出 21[A,B],所以在这一阶应补上一个对易子:
eA+B=eAeBe−21[A,B]+O(δt3)。
这给出Baker–Campbell–Hausdorff展开在二阶的形式。由于 [A,B]=−(δt)2[K,V],把 e−iHδt 写成分解的乘积 e−iKδte−iVδt 时,两者从二阶起才有差异。
对有界算符或有限截断,单段误差的累积可以由以下恒等式估计:
FM−UM=j=0∑M−1FM−1−j(F−U)Uj,F=e−iKδte−iVδt,U=e−iHδt.(6.6)
若单段满足 ∥F−U∥≤C(δt)2,利用各幺正因子的范数为一,M=N+1段的总误差便不超过 CTδt,随切片变细而消失。
连续坐标中的动能 K=P2/(2m)是无界算符。对有界实势 V,可以转到相互作用绘景来证明切片乘积在每个态上的收敛。令 VI(t)=eiKtVe−iKt、h=T/M,有
eiKT(e−iKhe−iVh)M=e−ihVI((M−1)h)⋯e−ihVI(h)e−ihVI(0).
将右侧按 V的幂展开,第 n阶在 M→∞时趋于
(−i)n∫0<tn<⋯<t1<Tdt1⋯dtnVI(t1)⋯VI(tn).
这是强连续函数的黎曼和;同一切片重复选取的贡献随 h趋于零。第 n阶的范数由 (T∥V∥)n/n!控制,因此可以逐阶取极限,再对 n求和。所得的Dyson级数正是 eiKTe−i(K+V)T。这就证明了有界实势下的切片极限。以下用切片表示路径积分;涉及更一般势能时,取相应哈密顿量的自伴实现和收敛的切片处方。
分开动能和势能之后,每一段就容易计算了。在两者之间插入 1=∫dp∣p⟩⟨p∣,让动能作用在动量本征态上,让势能作用在位置本征态上;两个算符分别成为普通数,剩下的只有位置与动量态的重叠:
⟨qj+1∣e−iKδte−iVδt∣qj⟩=∫dpje−iδtpj2/(2m)−iδtV(qj)⟨qj+1∣pj⟩⟨pj∣qj⟩=∫2πdpjexp{ipj(qj+1−qj)−iδtH(pj,qj)}.(6.7)
这里的 1/(2π) 来自两份 ⟨q∣p⟩=(2π)−1/2eipq。式(6.7)精确给出了分解后乘积的核;用它表示原来的 e−iHδt,则须采用刚才讨论的短时近似。把各段的这些普通积分连接起来,就能用位置和动量变量代替算符演化。
Weyl排序与中点处方
在连接各段之前,还要说明更一般的 H(P,Q) 应怎样处理。由于 P,Q 不对易,经典函数中相同的乘积可以给出不同的量子算符;例如 PQ=QP−i,选取 PQ、QP 或二者的平均便有不同含义。因此,必须先规定排序,才能谈论相应的路径积分。这里采用Weyl排序(Weyl ordering),从经典函数 H(p,q) 的傅里叶表示定义量子算符。引入辅助积分变量 u,v,定义
HW(P,Q)=∫(2π)2dudveiuP+ivQ∫dpdqe−iup−ivqH(p,q).(6.8)
这一式规定了量子化时的算符次序;对于多项式,傅里叶积分按分布理解。我们接着求它的位置表象核,看看这种排序对短时积分提出了什么要求。
由于 [iuP,ivQ]=iuv 是常数,BCH展开中的高阶嵌套对易子消失,且对称分解 eiuP+ivQ=eivQ/2eiuPeivQ/2 左右两侧产生的常数项恰好相消。在位置表象中,P=−i∂q 使 eiuPψ(q)=ψ(q+u),所以平移算符的核为 δ(q2−q1+u)。再乘上两端的位置相位,得到
⟨q2∣eiuP+ivQ∣q1⟩=eiv(q1+q2)/2δ(q2−q1+u).(6.9)
将这个核代回式(6.8),先作 u 积分,delta函数令 u=−(q2−q1);再作 v 积分,两个位置相位与傅里叶相位合并后令 q=(q1+q2)/2。于是
⟨q2∣HW∣q1⟩=∫2πdpeip(q2−q1)H(p,2q1+q2).(6.10)
由此可见,Weyl排序把经典函数的位置变量放在短时间段的中点。例如对于 H(p,q)=pq,式(6.8)的混合二阶项给出 HW=(PQ+QP)/2=−i(q∂q+21);其中 1/2 来自对 q 的求导,正是排序所留下的量子修正。
把 e−iHWδt 展开到一阶,再代入式(6.10),就得到短时相空间核。其位置取值应为 qˉj=(qj+1+qj)/2,而不再是原先端点分解中的 qj。将各段相乘,得到
K=N→∞lim∫[j=1∏Ndqj][j=0∏N2πdpj]exp{ij=0∑N[pj(qj+1−qj)−δtH(pj,qˉj)]}.(6.11)
这里采用Weyl排序对应的中点处方。式(6.10)给出哈密顿量的精确核,短时指数则保留到所需的一阶,再按式(6.11)取极限。对于 P2/(2m)+V(Q),也可使用式(6.7)的端点处方;在两种切片都收敛到该哈密顿量的势能范围内,它们给出同一传播核。含有动量、位置混合项时,切片中的位置取值随算符排序确定。
引入每段的差分速度 q˙j=(qj+1−qj)/δt 后,指数中的求和就有了相空间作用量 ∫dt[pq˙−H] 的形式。于是式(6.11)可以用更便于观察物理内容的记号写成
K=∫q(t′)=q′q(t′′)=q′′DqDpexp{i∫t′t′′dt[p(t)q˙(t)−H(p(t),q(t))]}.(6.12)
这就是相空间路径积分。位置路径的两端固定,而每一段的动量都要积分。记号 DqDp 指刚才定义的切片测度,q˙ 也由相邻切点的差分给出。每组中间位置和动量贡献一个由作用量决定的相位;将这些相位振幅相加,才得到从指定初态到末态的传播振幅。
从相空间积分到位置路径积分
对式(6.1)中的哈密顿量,每段的 pj 都只出现在二次式中,因此可以先做完全部动量积分,留下只含位置路径的表示。实时间下的高斯积分带有振荡相位,我们先从收敛的积分确定它的数值和平方根分支。取 Rea>0,定义 I(a,b)=∫dpe−ap2+ibp/(2π)。先令 b=0,把不含 1/(2π) 的一维积分平方,改写为二维平面积分,再使用极坐标:
(∫−∞∞dpe−ap2)2=2π∫0∞drre−ar2=aπ.
由于积分绝对收敛,可以交换积分并作上述换元。平方根取在正实 a 上为正、向整个右半平面连续延拓的分支。对于一般实 b,无需重新计算二重积分:对 ∫dp∂pe−ap2+ibp=0 分部积分,便得到 ∂bI=−bI/(2a)。解这个一阶方程,并以刚才 b=0 的结果定出常数,就有
I(a,b)=4πa1exp(−4ab2).(6.13)
所需的振荡积分可以从右半平面趋近得到。令 a=η+iδt/(2m),保持 η>0 时先完成积分,最后取 η↓0。由于 δt>0,沿这条路径得到
∫2πdpexp[−2miδtp2+ipΔq]=(2πiδtm)1/2exp[2δtim(Δq)2],i−1/2=e−iπ/4.(6.14)
左边的实时间积分按这个收敛因子的极限理解,右边平方根的相位也由同一极限确定。因此,逐段积掉 pj 时,指数和前因子都必须保留。将它们代回切片表达式,得到位置空间的路径积分:
K=N→∞lim(2πiδtm)(N+1)/2∫j=1∏Ndqjexp{ij=0∑Nδt[2m(δtqj+1−qj)2−V(qj⋆)]}.(6.15)
这里 qj⋆=qj 表示先前的端点分解,qj⋆=qˉj 则表示适用时的Weyl中点处方。每段高斯积分贡献一个平方根,所以总前因子的指数为 (N+1)/2;内部位置只有 N 个,并不改变动量积分的个数。把这些因子收入位置路径测度,可以记为
Dq=N→∞lim(2πiδtm)(N+1)/2j=1∏Ndqj,L(q˙,q)=2mq˙2−V(q),(6.16)
Dq包含各段高斯积分的前因子,并与指数一起按切片取极限。下面计算自由粒子时,将看到这些前因子怎样保证相邻时间段正确合成。
指数中的拉格朗日量也可直接从每段的代数看出。将动量二次式完成平方:
pq˙−2mp2−V=−2m1(p−mq˙)2+2mq˙2−V.(6.17)
高斯积分消去了第一项中的动量变量,留下的正是在驻点 p=mq˙ 处的指数。这个驻点满足关系 q˙=∂H/∂p,因而剩余部分与经典力学中消去动量所得到的拉格朗日量相同。由于指数对 p 恰为二次式,这里完成的是整个高斯积分,无须另作驻相近似。
这一步也说明了推广时应保留哪些因子。若 H(p,q)=21a(q)p2+b(q)p+c(q) 且 a(q)>0,仍可完成平方,得到
p∗=a(q)q˙−b(q),L=2a(q)[q˙−b(q)]2−c(q),每段前因子=2πiδta(qˉj)1.(6.18)
若 a 随位置变化,高斯前因子也随路径变化,必须留在测度内。至于 a=0 的情形,动量只以一次幂出现,相应积分成为
∫2πdpeiδtp(q˙−b)=δ(δt(q˙−b)),
这个积分约束路径满足 q˙=b(q)。因此,非退化的动量二次项给出高斯积分,一次项则给出delta约束。
自由粒子的传播核
取 V=0,把剩下的 qj积分逐个做完。将一个时间段的核记作
Kτ(x,y)=(2πiτm)1/2exp[2τim(x−y)2],τ>0.(6.19)
积分一个中间位置,就相当于合并它两侧的传播时间。因此先计算 ∫dqKτ(x,q)Kσ(q,y)。把两个指数中的平方合在一起,并围绕共同的平方中心整理:
τ(x−q)2+σ(q−y)2=τστ+σ(q−τ+σσx+τy)2+τ+σ(x−y)2.(6.20)
第一项包含待积的中间位置,第二项只依赖固定端点。对第一项取式(6.14)在 Δq=0 时的复共轭,并去掉测度中的 1/(2π),便可积分带正号的二次相位,得到 2πiτσ/[m(τ+σ)]。这个因子与原先两个核的前因子相乘,化为 m/[2πi(τ+σ)];再与剩下的端点相位合并,便得到时间相加的核:
∫dqKτ(x,q)Kσ(q,y)=Kτ+σ(x,y).(6.21)
上述平方和平移可以先在收敛积分中完成:令 τ→τ(1−iϵ)、σ→σ(1−iϵ),其中 ϵ>0。由于两段时间乘以同一个因子,平方中心 (σx+τy)/(τ+σ) 仍为实数,积分又绝对收敛,所以直接平移实变量即可。最后取 ϵ↓0,平方根始终沿式(6.14)规定的分支趋近。
这条合成规则可以连续使用。先积 q1,把前两段合为 2δt;再积 q2,把合成的时间延长为 3δt。依此积掉所有内部位置,最终只剩总时间 T=(N+1)δt:
K0(q′′,t′′;q′,t′)=(2πiTm)1/2exp[2Tim(q′′−q′)2].(6.22)
自由粒子的短时核本来就是精确的,因此任意有限切片数都会给出这个结果。其指数等于连接两端点的匀速经典路径的作用量,而围绕这条路径的所有偏离已经通过高斯积分汇入前因子。经典路径在结果中格外醒目,正是因为偏离它的二次作用量可以完整积分。
自由哈密顿量在动量表象中对角化,还提供了一条更直接的算法。只插入一次动量完备态,而不作时间切片:
⟨q′′∣e−iP2T/(2m)∣q′⟩=∫2πdpe−iTp2/(2m)+ip(q′′−q′)=(2πiTm)1/2eim(q′′−q′)2/(2T).(6.23)
最后一行仍使用刚才的高斯积分,所得的核与逐段合成完全相同。若恢复 ℏ,每段的作用量相位应除以 ℏ,同时 ⟨q∣p⟩ 的归一化变为 (2πℏ)−1/2,因而
K0=(2πiℏTm)1/2exp[2ℏTim(q′′−q′)2].(6.24)
这个核具有逆长度量纲,与初态波函数对 dq′ 积分后,得到量纲相同的末态波函数。它也满足零时间的初始条件:在 T→0 的分布极限中,动量表示退回 ∫dpeip(q′′−q′)/ℏ/(2πℏ)=δ(q′′−q′),于是传播算符恢复为单位算符。
在路径上插入算符
传播核已经包含了初、末态之间的整个演化。若要计算其中某一时刻的位置矩阵元,只需在该时刻把演化分开,再插入位置算符。考虑矩阵元 ⟨q′′,t′′∣Q(t1)∣q′,t′⟩,其中 t′<t1<t′′;转回薛定谔绘景,它写为
⟨q′′,t′′∣Q(t1)∣q′,t′⟩=⟨q′′∣e−iH(t′′−t1)Qe−iH(t1−t′)∣q′⟩.(6.25)
让 t1 落在一个切点上,在 Q 两边各插入位置完备态。由于 ⟨q+∣Q∣q−⟩=q−δ(q+−q−),delta函数把两侧位置认作同一个切点,两次积分合为一次,并留下 q(t1)。其余切片的计算不变,所以只须在原来的路径积分中多乘一个位置因子:
⟨q′′,t′′∣Q(t1)∣q′,t′⟩=∫DpDqq(t1)eiS,S=∫t′t′′dt[pq˙−H].(6.26)
对两个插入,若 t1<t2,切开演化便有 e−iH(t′′−t2)Qe−iH(t2−t1)Qe−iH(t1−t′)。较晚的算符自然位于左边。若 t2<t1,两个算符在演化链中的位置便对调;但路径中的普通数 q(t1)q(t2) 不因交换而改变。因此,无论两个时刻的先后如何,同一个路径积分给出的都是
∫DpDqq(t1)q(t2)eiS=⟨q′′,t′′∣T{Q(t1)Q(t2)}∣q′,t′⟩.(6.27)
时间排序因而来自演化算符的合成次序。增加更多插入时,仍按各时刻切开演化区间,逐次插入完备态,每次留下一个 q(tj)。上一节LSZ公式所需要的时间序关联函数,正好具有这种结构。
若插入动量,就在相应的短时核中使用动量完备态,留下 pj。不同时间的 Q 和 P 仍按演化次序排列;落在同一切片内的乘积,则由已经选定的Weyl中点处方解释。例如同一时刻的 pq 对应 (PQ+QP)/2。相空间中的普通乘积,只有连同这项切片约定,才确定了相应的算符乘积。
用外源生成这些插入
我们不必为每一组插入重新组织完备态求和。只要在作用量中加入一个任意的外源,再对它求导,就能从指数中取出所需的位置或动量因子。为此,先引入泛函导数(functional derivative):若 F[f] 依赖于整个函数 f(t),其导数由任意小变化 δf 下的一阶变化定义:
F[f+δf]−F[f]=∫dtδf(t)δFδf(t)+O(δf2).(6.28)
最简单的例子是 F[f]=f(t2)。把它的变化写成 δf(t2)=∫dt1δ(t1−t2)δf(t1),再与定义比较,就得到
δf(t1)δf(t2)=δ(t1−t2).(6.29)
其余求导规则与普通微分相同。两个泛函相乘时,各自变化后保留一阶项便得到乘积法则,复合依赖也给出链式法则;例如 δ∫dta(t)f(t)2/δf(s)=2a(s)f(s)。
切片形式则直接说明了delta函数的归一化。离散变量满足 δF=∑j(∂F/∂fj)δfj,而式(6.28)中的积分化为黎曼和时,每一项还带有时间步长。比较两者,得到
δf(tj)δ ⟷ δt1∂fj∂,δ(tj−tk) ⟷ δtδjk.(6.30)
泛函导数中的 1/δt 正好补偿作用量求和中的 δt,所以从切片形式到连续记号不会多出时间步长。
现在加入两种指定的外源,令 Hf,h(t)=H−f(t)Q−h(t)P。其中 f 是作用在位置上的通常外力,h 与动量耦合。哈密顿量在作用量中带负号,因此这两个源项进入相空间指数时都取正号:
K[f,h]=∫DpDqexp{iS+i∫t′t′′dt[f(t)q(t)+h(t)p(t)]}.(6.31)
对外源求一次导数,指数便带下 iq 或 ip。为了直接得到插入因子,记 Df(t)=i−1δ/δf(t)、Dh(t)=i−1δ/δh(t),分别求一次位置源导数、两次位置源导数以及一次动量源导数,得到
Df(t1)K[f,h]Df(t1)Df(t2)K[f,h]Dh(t1)K[f,h]=∫DpDqq(t1)eiS+i∫(fq+hp),=∫DpDqq(t1)q(t2)eiS+i∫(fq+hp),=∫DpDqp(t1)eiS+i∫(fq+hp).(6.32)
先完成所需次数的微分,再令 f=h=0,作用量便回到原来没有外力的理论,而取出的因子仍留在积分中。结合刚才对时间排序的推导,这些关系可统一写成
⟨q′′,t′′∣T{Q(t1)⋯P(s1)⋯}∣q′,t′⟩=Df(t1)⋯Dh(s1)⋯K[f,h]∣f=h=0.(6.33)
插入时刻分离时,右边生成通常的时间序乘积;同一切片内的乘积按中点规则解释。积掉动量以后,动量源的二阶导数会产生一个接触项,可以直接算出来。
仍取 H=p2/(2m)+V(q),在保留非零 h 的情况下,对 p(q˙+h)−p2/(2m) 完成平方。动量积分给出
K[f,h]=∫Dqexp{i∫dt[2m(q˙+h)2−V(q)+fq]}.(6.34)
现在作用一次 Dh,会从指数中带下 m(q˙+h);再求一次导数时,既作用于指数,也作用于前一因子中的 h。两部分都保留,然后令外源为零,便有
Dh(t1)Dh(t2)K[f,h]∣0=∫Dq[m2q˙(t1)q˙(t2)−imδ(t1−t2)]eiSL.(6.35)
这里 SL=∫dtL。第二项中的 −i 来自 1/i;在切片上,正是 Dh,j=1/(iδt)∂hj 再次作用于 mhj 所产生的项。因此,积掉动量后计算 PP 插入,除了速度乘积,还必须包括这个接触项。若只需要 Q 的关联函数,则可从一开始取 h=0,避免引入动量源。
用长时间演化选出基态
前面一直把初、末位置固定。如果改为指定初态波函数 ψin 和末态波函数 ψout,只要将传播核乘以 ψout∗(q′′)ψin(q′),再对两个端点积分即可。场论中需要的是真空之间的关联函数;对应到这里,就要选择两端为基态,并把初、末时间移向无穷远。
要实现这个选择,假定 H 有唯一、可归一化的基态 ∣0⟩,将能量零点平移到 E0=0,其余能谱非负。先把位置本征态按能量本征态展开,得到
∣q′,t′⟩=n∑ψn(q′)∗eiEnt′∣n⟩,ψn(q)=⟨q∣n⟩.(6.36)
式中的求和表示离散能谱,连续部分相应改写为谱积分。置 H→(1−iϵ)H,其中 ϵ>0,再写 t′=−T,各能量分量便带有 e−iEnTe−ϵEnT。保持 ϵ固定并令 T→∞,正能量部分受到指数压制,零能基态则保留下来。
为了在可归一化的态上实行这一投影,先用边界波函数 χ 对 q′ 涂抹。只要它与基态的重叠 c0=⟨0∣χ⟩=0,就得到
e−iHT−ϵHT∣χ⟩⟶c0∣0⟩.(6.37)
若存在能隙 Δ>0,基态正交分量的范数至多为 e−ϵΔT∥χ−c0∣0⟩∥,衰减速度由能隙直接控制。即使没有能隙,只要指定的零能本征态确实存在,对正能谱上的平方范数积分使用支配收敛,也得到同一投影结论。基态若有简并,则保留的是整个零能子空间。
末端的左矢同样含有 ⟨χout∣e−iHT−ϵHT,长时间极限留下 ⟨χout∣0⟩⟨0∣。因此,可以用与基态重叠非零的简单边界态来准备真空,而不必预先求出基态波函数。前面整条直线上的自由粒子没有可归一化基态,其传播核仍然成立,但不适用这一步基态投影。
令外源只在有限时间区间内非零,使两端足够长的演化负责选择基态。将采用上述收敛处方、边界态为 χin,χout 的振幅记为 AT,ϵ[f,h];除以同样边界条件下的零源振幅,便得到归一化的真空生成泛函:
Z[f,h]=ϵ↓0limT→∞limAT,ϵ[0,0]AT,ϵ[f,h],Z[0,0]=1.(6.38)
分子和分母具有相同的两端重叠常数,取比值后这些常数消去。先在 ϵ>0时取长时间极限选出基态,再令 ϵ↓0,便恢复有限插入区间内的实时间演化。
将端点因子和零源归一化收入测度,便得到简洁的路径积分形式:
Z[f,h]=N∫DpDqexp{i∫−∞+∞dt[pq˙−(1−iϵ)H+fq+hp]},(6.39)
常数 N 由 Z[0,0]=1 确定,ϵ 的极限按前式理解。至此,式(6.33)中的两端态已换成真空;对 Z 作源导数,就能统一产生所有真空时间序关联函数。
将相互作用改写成微分算符
路径积分把所求的关联函数收入同一个生成泛函,但一般相互作用的积分还不能直接做出。为进行微扰计算,将哈密顿量分成 H=H0+H1,其中 H0 可解,H1 按小耦合展开。先保留有限切片和同一边界处方,把相互作用对应的指数展开:
e−i∫dtH1(p,q)=r=0∑∞r!(−i)rℓ=1∏r∫dtℓH1(p(tℓ),q(tℓ)).(6.40)
每项中的 p(tℓ) 可以由 Dh(tℓ) 从外源指数取出,q(tℓ) 则由 Df(tℓ) 取出。因此,各项中的相互作用因子都能按同一展开改写为源导数;把导数移到路径积分之外,再将级数合回指数,得到
Z[f,h]=exp[−i∫dtH1(Dh(t),Df(t))]Z0[f,h].(6.41)
这里的 Z0 是可解理论的生成泛函,暂时仍保留有限的初、末时间。微分指数按 H1 的幂逐阶作用,完成源导数与下面的零源归一化后,再取式 (6.38) 的极限。同一切片内的导数乘积采用与原 H1 的Weyl符号相同的处方。上式为简洁省略了 ϵ;恢复长时间极限时,两部分哈密顿量必须采用同一个收敛处方。
还要处理相互作用对归一化的改变。微分指数作用于 Z0 后,零源值一般会变化,所以即使原先 Z0[0,0]=1,仍须重新取比值:
Z[f,h]=Z[0,0]Z[f,h].(6.42)
这一步所需的常数也可收入测度。它在微扰展开中有明确的作用:分母消去与外部插入无关的真空贡献,使生成泛函保持规定的零源值。
例如取 H1=λQ4/4!,将式(6.41)保留到 λ 的一次项。对于一组由源导数产生的插入 O,把分子和分母分别展开,再取二者之比,得到
⟨TO⟩=⟨TO⟩0−4!iλ∫dt[⟨T{OQ0(t)4}⟩0−⟨TO⟩0⟨Q0(t)4⟩0]+O(λ2).(6.43)
下标0表示矩阵元按 H0 计算。方括号中的第二个乘积来自分母展开 (1+λa)−1=1−λa+O(λ2),恰好减去与 O 无关的真空插入。这样,每一阶需要计算什么就确定了:按相互作用顶点的次数展开,再求可解理论中相应的矩阵元。
若 H1 只依赖 q,所求的又只是 Q 的关联函数,便可以令 h=0。进一步,若 H 对 p 至多二次,且二次项系数为非零常数,则按前面的高斯积分消去动量,得到 L=L0+L1、L1(q)=−H1(q)。微扰公式于是化为拉格朗日形式:
Z[f]Z0[f]=exp[i∫dtL1(Df(t))]Z0[f],=N0∫Dqexp{i∫dt[L0(q˙,q)+f(t)q(t)]},Z[f]=Z[0]Z[f].(6.44)
指数中的 −iH1 因而改写为 +iL1,因为这里 L1=−H1。计算关联函数的步骤现在已经确定:先求可解系统在任意外源下的生成泛函,再以源导数逐次加入相互作用,并除去零源值。下一节选择谐振子,具体完成其中的第一步。
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