Srednicki §22 连续对称性与守恒流

26 年 9 月 14 日 星期一
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第2节用生成元描述了平移和洛伦兹变换,现在可以从拉格朗日量出发,构造出这些生成元的具体表达式。我们先研究经典场论:拉格朗日量在连续变换下的不变性给出诺特流,流的时间分量在空间积分后给出守恒荷。接着把场变换放进路径积分,同一个守恒关系就成为关联函数之间的恒等式。其中的接触项将说明,守恒荷怎样作用于场。最后把这套方法用于时空对称性,便能得到能量、动量和洛伦兹生成元。

本节回到四维时空,采用度规(,+,+,+)(-,+,+,+)。先考虑一组实标量φa\varphi_a及只含一阶场导数的L(φa,μφa)\mathcal L(\varphi_a,\partial_\mu\varphi_a)。以下Πa\Pi_a表示正则动量,其场分量下标使它与前面的两点自能Π(k2)\Pi(k^2)相区别。

从场的变分得到诺特流

在固定坐标处作无穷小变换φaφa+δφa\varphi_a\mapsto\varphi_a+\delta\varphi_a。拉氏密度同时通过场和场的导数发生变化,依次使用链式法则,得到

δL=Lφaδφa+paμμδφa,paμ=L(μφa).(22.1)\delta\mathcal L =\frac{\partial\mathcal L}{\partial\varphi_a}\delta\varphi_a +p_a^\mu\partial_\mu\delta\varphi_a, \qquad p_a^\mu=\frac{\partial\mathcal L} {\partial(\partial_\mu\varphi_a)}. \tag{22.1}

要看出这种变化与场方程的关系,需要对作用量S=d4yL(y)S=\int d^4y\,\mathcal L(y)求泛函导数。场在一点的变动只直接影响同一点的场值,因此所需的两个基本关系为

δφb(y)δφa(x)=δabδ4(yx),δμφb(y)δφa(x)=δabμyδ4(yx).(22.2)\frac{\delta\varphi_b(y)}{\delta\varphi_a(x)} =\delta_{ab}\delta^4(y-x),\qquad \frac{\delta\partial_\mu\varphi_b(y)}{\delta\varphi_a(x)} =\delta_{ab}\partial_\mu^y\delta^4(y-x). \tag{22.2}

第二式的delta导数作用于yy。代入作用量后,把这个导数从delta函数移到paμ(y)p_a^\mu(y)上,分部积分便产生一个负号:

Ea(x):=δSδφa(x)=d4y[L(y)φa(y)δ4(yx)+paμ(y)μyδ4(yx)]=L(x)φa(x)μpaμ(x).(22.3)\begin{aligned} E_a(x):=\frac{\delta S}{\delta\varphi_a(x)} &=\int d^4y\left[ \frac{\partial\mathcal L(y)}{\partial\varphi_a(y)}\delta^4(y-x) +p_a^\mu(y)\partial_\mu^y\delta^4(y-x)\right]\\ &=\frac{\partial\mathcal L(x)}{\partial\varphi_a(x)} -\partial_\mu p_a^\mu(x). \end{aligned} \tag{22.3}

这一步可先取紧支撑变分,或取保持边界数据的变分,使表面项消失。经典作用量原理要求Ea=0E_a=0,式(22.3)给出了其中的欧拉导数。现在便能在拉氏密度的变分中分出场方程项。

用式(22.3)L/φa\partial\mathcal L/\partial\varphi_a改写为μpaμ+Ea\partial_\mu p_a^\mu+E_a。这样,两个含paμp_a^\mu的项恰好合成乘积的导数,得到

δL=μ(paμδφa)+Eaδφa.(22.4)\delta\mathcal L =\partial_\mu(p_a^\mu\delta\varphi_a)+E_a\delta\varphi_a. \tag{22.4}

将全导数内的量定义为诺特流,上式就成为这个流的散度关系:

jδμ=paμδφa,μjδμ=δLEaδφa.(22.5)j_\delta^\mu=p_a^\mu\delta\varphi_a, \qquad \partial_\mu j_\delta^\mu =\delta\mathcal L-E_a\delta\varphi_a. \tag{22.5}

这个恒等式把拉氏密度的变化、流的散度和场方程联系在一起,而且到这一步仍未使用场方程。若变换使拉氏密度不变,再令场满足经典方程,右边两项都为零,便得到守恒流。

通常将无穷小变换写成δφa=ϵRa\delta\varphi_a=\epsilon R_a,并提出常参数ϵ\epsilon。以下用jμ=paμRaj^\mu=p_a^\mu R_a表示去参数的流,于是jδμ=ϵjμj_\delta^\mu=\epsilon j^\mu。对上述对称变换,在场方程成立时,这个流满足连续性方程

μjμ=j0t+j=0.(22.6)\partial_\mu j^\mu =\frac{\partial j^0}{\partial t}+\boldsymbol\nabla\cdot\mathbf j=0. \tag{22.6}

因此可以把j0j^0解释为荷密度,把j\mathbf j解释为相应的流密度。对有限空间区域积分并使用散度定理,就把局域关系写成区域内的荷与穿过边界的通量之间的关系:

ddtx<Rd3xj0=x=RdSiji.(22.7)\frac{d}{dt}\int_{|\mathbf x|<R}d^3x\,j^0 =-\int_{|\mathbf x|=R}dS_i\,j^i. \tag{22.7}

如果无穷远的总通量消失,Q=d3xj0Q=\int d^3x\,j^0便不随时间改变。对于局域波包,足够快的空间衰减可以保证这一点;在周期空间中,则由相对边界的通量相消。下面用一个具体的对称性来看,这个守恒荷究竟计数什么。

一个复标量的相位对称性

考虑具有四次相互作用的复标量模型:

L=μφμφm2φφλ4(φφ)2.(22.8)\mathcal L =-\partial^\mu\varphi^\dagger\partial_\mu\varphi -m^2\varphi^\dagger\varphi -\frac\lambda4(\varphi^\dagger\varphi)^2. \tag{22.8}

将复场写成φ=(φ1+iφ2)/2\varphi=(\varphi_1+i\varphi_2)/\sqrt2,就有φφ=(φ12+φ22)/2\varphi^\dagger\varphi=(\varphi_1^2+\varphi_2^2)/2。动能展开中的两个交叉项也相消,因而同一个理论可写为

L=12a=12μφaμφam22(φ12+φ22)λ16(φ12+φ22)2.(22.9)\mathcal L =-\frac12\sum_{a=1}^2\partial^\mu\varphi_a\partial_\mu\varphi_a -\frac{m^2}{2}(\varphi_1^2+\varphi_2^2) -\frac{\lambda}{16}(\varphi_1^2+\varphi_2^2)^2. \tag{22.9}

这里的1/21/\sqrt2使每个实场都具有标准的1/21/2动能系数;四次势的1/161/16则来自原系数1/41/4再乘两个1/21/2。复场和两个实场因此只是同一理论的两种场坐标,下面也可以用这两种写法分别求出其守恒流。

先在复场形式下,对实常数α\alpha作相位变换

φeiαφ,φeiαφ.(22.10)\varphi\mapsto e^{-i\alpha}\varphi,\qquad \varphi^\dagger\mapsto e^{i\alpha}\varphi^\dagger. \tag{22.10}

每个φφ\varphi^\dagger\varphi中的相位互相消去,常相位又可穿过导数,所以拉氏密度保持不变。相位因子eiαe^{-i\alpha}可看作一个1×11\times1酉矩阵,这些变换组成U(1)U(1)群。把实部和虚部分开,同一变换就成为两个实场之间的旋转:

(φ1φ2)(cosαsinαsinαcosα)(φ1φ2).(22.11)\begin{pmatrix}\varphi_1\\\varphi_2\end{pmatrix} \mapsto \begin{pmatrix} \cos\alpha&\sin\alpha\\ -\sin\alpha&\cos\alpha \end{pmatrix} \begin{pmatrix}\varphi_1\\\varphi_2\end{pmatrix}. \tag{22.11}

这个矩阵的转置乘自身为1,行列式为cos2α+sin2α=1\cos^2\alpha+\sin^2\alpha=1,所以它属于SO(2)SO(2)。若采用平面内逆时针为正的习惯,矩阵所表示的旋转角是α-\alpha。如此便得到U(1)U(1)相位与SO(2)SO(2)实旋转之间的对应。

求流时只需要无穷小形式,即Rφ=iφR_\varphi=-i\varphiRφ=iφR_{\varphi^\dagger}=i\varphi^\dagger。可以把φ,φ\varphi,\varphi^\dagger作为独立变分坐标;这等价于先对φ1,φ2\varphi_1,\varphi_2求导,再取相应的线性组合。对两个坐标分别求动量密度,并代入诺特流定义,得到

jμ=(μφ)(iφ)+(μφ)(iφ)=i[φμφ(μφ)φ]=iφμφ.(22.12)\begin{aligned} j^\mu &=(-\partial^\mu\varphi^\dagger)(-i\varphi) +(-\partial^\mu\varphi)(i\varphi^\dagger)\\ &=-i\left[ \varphi^\dagger\partial^\mu\varphi -(\partial^\mu\varphi^\dagger)\varphi\right] =-i\varphi^\dagger\overleftrightarrow{\partial^\mu}\varphi. \end{aligned} \tag{22.12}

这里采用双向导数AμB=AμB(μA)BA\overleftrightarrow{\partial^\mu}B =A\partial^\mu B-(\partial^\mu A)B。方括号取共轭后变为自身的负值,因而是纯虚的;乘以i-i便得到它的虚部。因此,流也可写成Im[φμφ]\operatorname{Im}[\varphi^\dagger\overleftrightarrow{\partial^\mu}\varphi],其中仍包含双向导数的两项。

用实场形式也能求出相同的流。由式(22.11)读出R1=φ2R_1=\varphi_2R2=φ1R_2=-\varphi_1,代入两项实场动量密度,便有

jμ=(μφ1)φ2+(μφ2)(φ1)=φ1μφ2φ2μφ1.(22.13)j^\mu =(-\partial^\mu\varphi_1)\varphi_2 +(-\partial^\mu\varphi_2)(-\varphi_1) =\varphi_1\partial^\mu\varphi_2 -\varphi_2\partial^\mu\varphi_1. \tag{22.13}

直接展开式(22.12)也得到这一表达式,因此流与选择复场还是实场坐标无关。再用0=t\partial^0=-\partial_t写出时间分量,就得到荷密度及其空间积分:

j0=i(φφ˙φ˙φ)=Π1φ2Π2φ1,Q=d3xj0.(22.14)j^0=i(\varphi^\dagger\dot\varphi-\dot\varphi^\dagger\varphi) =\Pi_1\varphi_2-\Pi_2\varphi_1,\qquad Q=\int d^3x\,j^0. \tag{22.14}

荷为什么是两种粒子数之差

守恒流已经确定,要理解总荷的粒子意义,还需把它写成模式系数。先在经典理论中采用如下模式坐标:

φ(x)=dk~[a(k)eikx+b(k)eikx],φ(x)=dk~[b(k)eikx+a(k)eikx],dk~=d3k(2π)32ωk,kx=kxωkt.(22.15)\begin{aligned} \varphi(x)&=\int d\widetilde k\, [a(\mathbf k)e^{ikx}+b^*(\mathbf k)e^{-ikx}],\\ \varphi^\dagger(x)&=\int d\widetilde k\, [b(\mathbf k)e^{ikx}+a^*(\mathbf k)e^{-ikx}],\\ d\widetilde k&=\frac{d^3k}{(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf k}}, \qquad kx=\mathbf k\cdot\mathbf x-\omega_{\mathbf k}t. \end{aligned} \tag{22.15}

对自由场,这些系数不随时间变化。对于相互作用场,也可在某个固定时刻用同样的展开表示场值及其一阶时间导数,此时模式系数是一组初始数据;若要取到渐近时刻,则仍须使用此前散射理论的渐近场条件。

现在把两份模式展开及其时间导数代入j0j^0。令左边来自φ\varphi^\dagger的动量为pp,右边来自φ\varphi的动量为kk。两种模式各取一项,共有下面四类乘积,时间导数分别给出所列的频率系数:

模式乘积j0j^0中的频率系数空间积分产生的条件
a(p)a(k)a^*(\mathbf p)a(\mathbf k)ωp+ωk\omega_{\mathbf p}+\omega_{\mathbf k}p=k\mathbf p=\mathbf k
b(p)b(k)b(\mathbf p)b^*(\mathbf k)(ωp+ωk)-(\omega_{\mathbf p}+\omega_{\mathbf k})p=k\mathbf p=\mathbf k
b(p)a(k)b(\mathbf p)a(\mathbf k)ωkωp\omega_{\mathbf k}-\omega_{\mathbf p}p=k\mathbf p=-\mathbf k
a(p)b(k)a^*(\mathbf p)b^*(\mathbf k)ωpωk\omega_{\mathbf p}-\omega_{\mathbf k}p=k\mathbf p=-\mathbf k

例如第一行来自i[aeipx(iωkaeikx)(iωpaeipx)aeikx]i[a^*e^{-ipx}(-i\omega_k a e^{ikx}) -(i\omega_p a^*e^{-ipx})a e^{ikx}],两个时间导数因而给出频率之和。后两行在空间delta函数上满足ωp=ωk\omega_{\mathbf p}=\omega_{\mathbf k},频率之差为零,所以它们对总荷没有贡献。第一行剩下的归一化则为

dp~dk~(ωp+ωk)(2π)3δ3(pk)a(p)a(k)=dk~2ωk2ωka(k)a(k).(22.16)\begin{aligned} &\int d\widetilde p\,d\widetilde k\, (\omega_{\mathbf p}+\omega_{\mathbf k}) (2\pi)^3\delta^3(\mathbf p-\mathbf k) a^*(\mathbf p)a(\mathbf k)\\ &\hspace{10mm}=\int d\widetilde k\, \frac{2\omega_{\mathbf k}}{2\omega_{\mathbf k}} a^*(\mathbf k)a(\mathbf k). \end{aligned} \tag{22.16}

第二行作相同的积分,同时保留其频率系数前的负号。把两个非零部分合起来,总荷为

Qcl=dk~[a(k)a(k)b(k)b(k)].(22.17)Q_{\rm cl} =\int d\widetilde k\, [a^*(\mathbf k)a(\mathbf k)-b(\mathbf k)b^*(\mathbf k)]. \tag{22.17}

量子化以后,两套模式满足[a(p),a(k)]=[b(p),b(k)]=(2π)32ωkδ3(pk)[a(\mathbf p),a^\dagger(\mathbf k)] =[b(\mathbf p),b^\dagger(\mathbf k)] =(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf k}\delta^3(\mathbf p-\mathbf k),混合对易子为零。若沿用上面的经典次序,荷算符先写成aabba^\dagger a-bb^\dagger,其中含有一个排序产生的真空常数。本节选择相位不变的真空并令Q0=0Q|0\rangle=0,对自由或渐近模式作正规排序,就得到

Q=dk~[a(k)a(k)b(k)b(k)]=NaNb.(22.18)Q=\int d\widetilde k\, [a^\dagger(\mathbf k)a(\mathbf k) -b^\dagger(\mathbf k)b(\mathbf k)] =N_a-N_b. \tag{22.18}

总荷于是等于两种粒子数之差。它对单粒子的作用可以直接由对易子看出:用[AB,C]=A[B,C]+[A,C]B[AB,C]=A[B,C]+[A,C]B展开,模式对易关系中的delta函数消去积分测度,便有

[Q,a(k)]=a(k),[Q,b(k)]=b(k).(22.19)[Q,a^\dagger(\mathbf k)]=a^\dagger(\mathbf k),\qquad [Q,b^\dagger(\mathbf k)]=-b^\dagger(\mathbf k). \tag{22.19}

因此每个aa粒子对总荷贡献+1+1,每个bb粒子贡献1-1。将这些关系代回场展开,得到[Q,φ]=φ[Q,\varphi]=-\varphi[Q,φ]=φ[Q,\varphi^\dagger]=\varphi^\dagger,正好产生最初的相位变换。

这一生成作用也可由正则场直接求出。对于不含时间导数的内部变换 RaR_a,取对称排序的荷

QR=12d3y[ΠaRa+RaΠa].Q_R=\frac12\int d^3y\,[\Pi_aR_a+R_a\Pi_a].

RaR_a 只依赖等时场及其空间导数,与 φb\varphi_b 对易。因此只有荷中的正则动量参与收缩:

[φb(x),QR]=i2d3yδabδ3(xy)[Ra(y)+Ra(y)]=iRb(x).\begin{aligned} \relax[\varphi_b(\mathbf x),Q_R] &=\frac i2\int d^3y\,\delta_{ab}\delta^3(\mathbf x-\mathbf y) [R_a(\mathbf y)+R_a(\mathbf y)]\\ &=iR_b(\mathbf x). \end{aligned}

Rφ=iφR_\varphi=-i\varphi 就回到上述荷对易子。保留局域密度时,同一计算给出 [jR0(x),φb(y)]x0=y0=iRb(y)δ3(xy)[j_R^0(x),\varphi_b(y)]_{x^0=y^0}=-iR_b(y)\delta^3(\mathbf x-\mathbf y),后面时间序乘积中的接触项正由它产生。

荷的守恒进一步限制了可能的散射过程。若入、出态α,β|\alpha\rangle,|\beta\rangle都是守恒荷的本征态,而且散射保持这项对称性,就有

0=β[Q,S]α=(qβqα)βSα.(22.20)0=\langle\beta|[Q,S]|\alpha\rangle =(q_\beta-q_\alpha)\langle\beta|S|\alpha\rangle. \tag{22.20}

只要入出净荷不同,散射振幅便为零。这个选择定则也逐顶点体现在费曼图中:相互作用(φφ)2(\varphi^\dagger\varphi)^2包含两条φ\varphi腿和两条φ\varphi^\dagger腿,所以每个顶角流入、流出的净荷相等。其2!2!2!\,2!种微分分配又恰好抵消拉氏密度中的1/41/4,留下固定腿标签的顶角权重iλ-i\lambda

路径积分中的场方程

模式展开已经给出守恒荷的粒子解释。为了把局域流的守恒也写成量子理论中的关系,先研究场方程在关联函数里以什么形式出现。仍从带源路径积分出发:

Z[J]=Dφexp ⁣(iS[φ]+id4xJaφa),Z[0]=1.(22.21)Z[J]=\int\mathcal D\varphi\, \exp\!\left(iS[\varphi]+i\int d^4x\,J_a\varphi_a\right), \qquad Z[0]=1. \tag{22.21}

作与场无关的无穷小位移φa(x)φa(x)+ha(x)\varphi_a(x)\mapsto\varphi_a(x)+h_a(x),其中hah_a光滑且具有紧支撑,并假定所用调节的测度和边界允许这一换元。积分值保持不变;将指数按hh展开到一阶,便有

0=iDφeiS+iJφd4xha(x)[Ea(x)+Ja(x)].(22.22)0=i\int\mathcal D\varphi\,e^{iS+i\int J\varphi} \int d^4x\,h_a(x)[E_a(x)+J_a(x)]. \tag{22.22}

要由这个积分恒等式得到关联函数之间的关系,对Jar(xr)J_{a_r}(x_r)nn次导数,再令J=0J=0。记O=r=1nφar(xr)O=\prod_{r=1}^n\varphi_{a_r}(x_r),并用Or^O_{\widehat r}表示去掉第rr个因子的乘积。

这些导数有两种作用方式。若全部落在指数上,连同积分外面的ii,会产生in+1EaOi^{n+1}E_aO;若其中一次落在显式的Ja(x)J_a(x)上,就产生δaarδ4(xxr)\delta_{aa_r}\delta^4(x-x_r),其余n1n-1次仍作用于指数,系数为ini^n。由于显式源只出现一次,对它作第二次导数便为零。约去公共的ini^n后,剩下

0=d4xha(x)[iEa(x)OPI+r=1nδaarδ4(xxr)Or^PI].(22.23)0=\int d^4x\,h_a(x)\left[ i\langle E_a(x)O\rangle_{\rm PI} +\sum_{r=1}^n\delta_{aa_r}\delta^4(x-x_r) \langle O_{\widehat r}\rangle_{\rm PI}\right]. \tag{22.23}

下标PI表示按照原路径积分定义的插入。每个外标签各有一次机会与显式源配对,因此恰好出现nn个接触项,计数中没有另一个n!n!。再利用测试函数ha(x)h_a(x)的任意性,取出它在每一点的系数,就得到施温格–戴森方程(Schwinger–Dyson equations):

iTEa(x)O+r=1nδaarδ4(xxr)TOr^=0.(22.24)i\langle\mathrm T E_a(x)O\rangle +\sum_{r=1}^n\delta_{aa_r}\delta^4(x-x_r) \langle\mathrm T O_{\widehat r}\rangle=0. \tag{22.24}

场方程由此成为关联函数之间的恒等式。含导数的插入仍按路径积分的导数处方解释,也就是对整个时间序关联函数求导,包括其中表示时间排序的阶跃函数。这个规定正是接触项的来源,在自由实场中可以直接看到。

C(xy)=Tφ(x)φ(y)C(x-y)=\langle\mathrm T\varphi(x)\varphi(y)\rangle,先显式写出两个时间顺序:

C=θ(x0y0)φ(x)φ(y)+θ(y0x0)φ(y)φ(x).(22.25)C=\theta(x^0-y^0)\langle\varphi(x)\varphi(y)\rangle +\theta(y^0-x^0)\langle\varphi(y)\varphi(x)\rangle. \tag{22.25}

第一次对时间求导,阶跃函数产生的delta项乘以[φ(x),φ(y)][\varphi(x),\varphi(y)],在等时为零。再求一次导数,则留下[φ˙(x),φ(y)][\dot\varphi(x),\varphi(y)],由正则对易关系得到

x02C=Tφ¨(x)φ(y)iδ(x0y0)δ3(xy).(22.26)\partial_{x^0}^2 C =\langle\mathrm T\ddot\varphi(x)\varphi(y)\rangle -i\delta(x^0-y^0)\delta^3(\mathbf x-\mathbf y). \tag{22.26}

将自由场方程用于通常的二阶导数部分,这些项互相抵消,而时间排序产生的接触项留下来,使二点函数满足

(x+m2)iC(xy)=δ4(xy),Δ(xy)=iC(xy).(22.27)(-\Box_x+m^2)\,iC(x-y)=\delta^4(x-y), \qquad \Delta(x-y)=iC(x-y). \tag{22.27}

这也重现了第8节的格林方程。传播子成为波动算符的格林函数,所需的非齐次项恰好来自时间排序的接触项。

xx与所有xrx_r分离时,式(22.24)中的delta函数都没有支撑,因而TEa(x)O=0\langle\mathrm T E_a(x)O\rangle=0。这说明场方程在不重合的关联函数插入中仍然成立;到了重合点,就要保留接触项。对于相互作用理论,EaE_a和其他复合插入也须采用同一调节及重整化定义,才能在这些关系中一致地使用。

量子流与Ward恒等式

现在把一般场位移换成使拉氏密度不变的对称变换,以求出量子流的守恒关系。为提取局域信息,先将常参数换成紧支撑函数ϵ(x)\epsilon(x)

δϵφa(x)=ϵ(x)Ra[φ](x).(22.28)\delta_\epsilon\varphi_a(x)=\epsilon(x)R_a[\varphi](x). \tag{22.28}

常参数变换使拉氏密度不变,但参数依赖位置以后,它的导数会产生新的项。把μ(ϵRa)=ϵμRa+(μϵ)Ra\partial_\mu(\epsilon R_a) =\epsilon\partial_\mu R_a+(\partial_\mu\epsilon)R_a代入链式变分,便可将两类项分开:

δϵL=ϵδRL+(μϵ)paμRa=(μϵ)jμ.(22.29)\delta_\epsilon\mathcal L =\epsilon\,\delta_R\mathcal L +(\partial_\mu\epsilon)p_a^\mu R_a =(\partial_\mu\epsilon)j^\mu. \tag{22.29}

最后一步用了常参数对称性δRL=0\delta_R\mathcal L=0。对时空积分,再通过分部积分移去ϵ\epsilon上的导数,就有δϵS=d4xϵμjμ\delta_\epsilon S=-\int d^4x\,\epsilon\,\partial_\mu j^\mu。因此局域参数把流的散度从作用量变分中挑了出来,而且这个等式对路径积分中的任意场都成立,无须先满足运动方程。

在含插入OO的零源路径积分中作同一换元。如果测度和积分域保持不变,一阶变化便由插入本身及作用量的变化组成:

0=δϵO+iOδϵS.(22.30)0=\langle\delta_\epsilon O\rangle +i\langle O\,\delta_\epsilon S\rangle. \tag{22.30}

插入是各点场的乘积,所以它的变分是依次改变其中一个因子的和:

δϵO=rϵ(xr)φa1(x1)Rar(xr)φan(xn).\delta_\epsilon O =\sum_r\epsilon(x_r)\varphi_{a_1}(x_1)\cdots R_{a_r}(x_r)\cdots\varphi_{a_n}(x_n).

把每个ϵ(xr)\epsilon(x_r)改写为d4xϵ(x)δ4(xxr)\int d^4x\,\epsilon(x)\delta^4(x-x_r),所有项就带有同一个测试函数。再取任意ϵ(x)\epsilon(x)的系数,得到

μTjμ(x)O=ir=1nδ4(xxr)Tφa1(x1)Rar(xr)φan(xn).(22.31)\begin{aligned} \partial_\mu\langle\mathrm Tj^\mu(x)O\rangle =-i\sum_{r=1}^n\delta^4(x-x_r) \left\langle\mathrm T \varphi_{a_1}(x_1)\cdots R_{a_r}(x_r)\cdots \varphi_{a_n}(x_n)\right\rangle . \end{aligned} \tag{22.31}

这个关系称为Ward恒等式,也称Ward–Takahashi恒等式。若从始至终保留无穷小常参数,只须同时以jδμ,δφaj_\delta^\mu,\delta\varphi_a替换jμ,Raj^\mu,R_a,便得到含常参数的同一个恒等式。

对本节的 SO(2)SO(2) 模型,可以在每个调节格点上分别作实旋转;即使角度随位置改变,旋转矩阵的行列式仍为1,因而满足推导所用的局域测度不变性。Ward 式于是把流的散度集中在各插入点,接触项由相应场的对称变换决定。

为看清这些接触项如何表达荷,考察自由复场的一个三点函数。记C=Δ/iC=\Delta/i,对去掉真空常数的jμj^\muφ(y)φ(z)\varphi(y)\varphi^\dagger(z)作Wick收缩。只有两种φ\varphiφ\varphi^\dagger的配对参与连通部分,因而

Gμ(x;y,z):=Tjμ(x)φ(y)φ(z)conn=i[C(yx)xμC(xz)xμC(yx)C(xz)].(22.32)\begin{aligned} G^\mu(x;y,z) &:=\langle\mathrm Tj^\mu(x)\varphi(y)\varphi^\dagger(z) \rangle_{\rm conn}\\ &=-i\left[ C(y-x)\partial_x^\mu C(x-z) -\partial_x^\mu C(y-x)\,C(x-z)\right]. \end{aligned} \tag{22.32}

对它取散度时,两个一阶导数的乘积互相消去。余下的两个C\Box C(m2)C=iδ4(\Box-m^2)C=i\delta^4改写,质量项也成对相消,最后只剩

μGμ(x;y,z)=[δ4(xz)δ4(xy)]C(yz).(22.33)\partial_\mu G^\mu(x;y,z) =[\delta^4(x-z)-\delta^4(x-y)]C(y-z). \tag{22.33}

另一方面,在式(22.31)中代入Rφ=iφR_\varphi=-i\varphiRφ=iφR_{\varphi^\dagger}=i\varphi^\dagger,同样得到yy点的负号和zz点的正号。两个接触项的相反符号,由此与两类粒子的相反荷联系起来。

平移对称性与能量–动量张量

还可以把对称性的条件稍作推广:拉氏密度的变分只要是全散度,作用量仍可在适当边界条件下不变。设δL=μKμ\delta\mathcal L=\partial_\mu K^\mu,由式(22.4)移项,便得到相应的流

jδμ=paμδφaKμ,μjδμ=Eaδφa.(22.34)j_\delta^\mu=p_a^\mu\delta\varphi_a-K^\mu, \qquad \partial_\mu j_\delta^\mu=-E_a\delta\varphi_a. \tag{22.34}

场方程成立时,这个流仍然守恒。若重复局域参数的推导,拉氏变分中会多出μ(ϵKμ)\partial_\mu(\epsilon K^\mu),但积分后该表面项消失,只留下(μϵ)jμ(\partial_\mu\epsilon)j^\mu,因而仍可按前面的方式得到流的关系。

时空平移正属于这种情形。对主动变换φa(x)φa(xa)\varphi_a(x)\mapsto\varphi_a(x-a)取无穷小参数,场和拉氏密度分别变化为

δφa=aννφa,δL=aννL=μ(aμL),Kμ=aμL.(22.35)\delta\varphi_a=-a^\nu\partial_\nu\varphi_a,\qquad \delta\mathcal L=-a^\nu\partial_\nu\mathcal L =\partial_\mu(-a^\mu\mathcal L), \qquad K^\mu=-a^\mu\mathcal L. \tag{22.35}

将这个结果代入式(22.34),再提出常参数aνa_\nu,就能从流中读出一个二阶张量:

jδμ=paμaννφa+aμL=aνTμν,Tμν=paμνφa+gμνL.(22.36)\begin{aligned} j_\delta^\mu &=-p_a^\mu a^\nu\partial_\nu\varphi_a+a^\mu\mathcal L =a_\nu T^{\mu\nu},\\ T^{\mu\nu} &=-p_a^\mu\partial^\nu\varphi_a+g^{\mu\nu}\mathcal L. \end{aligned} \tag{22.36}

其中+aμL+a^\mu\mathcal L来自流定义中的Kμ-K^\mu。平移参数aνa_\nu任意,所以场方程给出μTμν=0\partial_\mu T^{\mu\nu}=0,每个平移方向都有相应的守恒流。

为识别这些流的物理意义,取具有标准动能的实标量模型:

L=12μφaμφaV(φ),paμ=μφa,Πa=pa0=φ˙a.(22.37)\mathcal L=-\frac12\partial^\mu\varphi_a\partial_\mu\varphi_a-V(\varphi), \qquad p_a^\mu=-\partial^\mu\varphi_a,\qquad \Pi_a=p_a^0=\dot\varphi_a. \tag{22.37}

四维可重整化势 VV 的次数至多为四;以下荷的计算适用于一般的无导数势。将当前标准动能的动量密度代入便得

Tμν=μφaνφa+gμνL,Tμν=Tνμ.(22.38)T^{\mu\nu} =\partial^\mu\varphi_a\partial^\nu\varphi_a +g^{\mu\nu}\mathcal L, \qquad T^{\mu\nu}=T^{\nu\mu}. \tag{22.38}

这一张量是对称的。再用0=t\partial^0=-\partial_tg00=1g^{00}=-1展开其时间分量,得到

T00=Πa2L=12Πa2+12(φa)2+V(φ)=H,T0i=Πaiφa.(22.39)\begin{aligned} T^{00} &=\Pi_a^2-\mathcal L =\frac12\Pi_a^2+\frac12(\boldsymbol\nabla\varphi_a)^2+V(\varphi) =\mathcal H,\\ T^{0i}&=-\Pi_a\,\partial_i\varphi_a. \end{aligned} \tag{22.39}

T00T^{00}就是正则哈密顿密度,而T0iT^{0i}则应当描述动量密度。为求出它的模式形式,先取自由质量矩阵的对角场,对每个实场在式(22.15)中令b=ab=a。不同场的模式对易子带有δab\delta_{ab},所以各物种分别贡献。

把展开代入空间积分后,aaaaa_aa_a及其共轭项中的delta函数要求p=k\mathbf p=-\mathbf k,余下被积式在kk\mathbf k\mapsto-\mathbf k下为奇,故对称积分为零。混合项则留下kik^i乘以数算符。正规排序后,总动量写成

Pi=d3xT0i=adk~kiaa(k)aa(k).(22.40)P^i=\int d^3x\,T^{0i} =\sum_a\int d\widetilde k\,k^i a_a^\dagger(\mathbf k)a_a(\mathbf k). \tag{22.40}

混合项的系数可以直接核对:来自 φ˙iφ-\dot\varphi\,\partial_i\varphia(p)a(k)a^\dagger(\mathbf p)a(\mathbf k)a(p)a(k)a(\mathbf p)a^\dagger(\mathbf k) 都带 +ωpki+\omega_{\mathbf p}k_i。空间积分给 (2π)3δ3(pk)(2\pi)^3\delta^3(\mathbf p-\mathbf k),消去 pp 测度中的 2ωp2\omega_{\mathbf p} 后,两项各留下 ki/2k_i/2,故

Pi=12adk~ki[aaaa+aaaa]    adk~kiaaaa.P^i=\frac12\sum_a\int d\widetilde k\,k^i [a_a^\dagger a_a+a_a a_a^\dagger] \;\longrightarrow\; \sum_a\int d\widetilde k\,k^i a_a^\dagger a_a.

箭头表示将真空动量取为零的正规排序;各物种的测度使用各自质量。每个粒子对总动量贡献自己的动量,加上前面识别出的总能量,得到能量–动量四矢量

Pμ=d3xT0μ(x).(22.41)P^\mu=\int d^3x\,T^{0\mu}(x). \tag{22.41}

守恒荷实际生成平移

得到荷的显式形式后,就可以进一步确定它对场的作用。无穷小平移关系可由正则对易子[φa(t,x),Πb(t,y)]=iδabδ3(xy)[\varphi_a(t,\mathbf x),\Pi_b(t,\mathbf y)] =i\delta_{ab}\delta^3(\mathbf x-\mathbf y)直接求出。哈密顿量中的势与梯度只含等时场,因而都与φa\varphi_a对易;动量平方则产生两个相等的项。分别计算时间与空间分量,得到

[φa(x),P0]=12d3y[φa(x),Πb(y)2]=iΠa(x)=1i0φa(x),[φa(x),Pi]=d3y[φa(x),Πb(y)]iφb(y)=iiφa(x)=1iiφa(x).(22.42)\begin{aligned} \relax[\varphi_a(\mathbf x),P^0] &=\frac12\int d^3y\, [\varphi_a(\mathbf x),\Pi_b(\mathbf y)^2] =i\Pi_a(\mathbf x) =\frac1i\partial^0\varphi_a(\mathbf x),\\ [\varphi_a(\mathbf x),P^i] &=-\int d^3y\, [\varphi_a(\mathbf x),\Pi_b(\mathbf y)] \partial_i\varphi_b(\mathbf y)\\ &=-i\partial_i\varphi_a(\mathbf x) =\frac1i\partial^i\varphi_a(\mathbf x). \end{aligned} \tag{22.42}

空间动量若写成厄米排序 Pi=12(Πbiφb+iφbΠb)P^i=-\frac12\int(\Pi_b\partial_i\varphi_b+\partial_i\varphi_b\Pi_b),两个收缩各贡献一半,结果相同。两个分量合起来,正是[φa,Pμ]=μφa/i[\varphi_a,P^\mu]=\partial^\mu\varphi_a/i,所以这些荷的无穷小作用已经具有平移的形式。

接着定义T(a)=eiPμaμT(a)=e^{-iP^\mu a_\mu},并引入F(τ)=eiτPaφa(x)eiτPaF(\tau)=e^{i\tau P\cdot a}\varphi_a(x)e^{-i\tau P\cdot a}。这样就能把有限共轭作用化成关于参数的微分方程。使用刚求出的对易子,有

dFdτ=ieiτPa[Pa,φa(x)]eiτPa=aμμF,F(0)=φa(x).(22.43)\frac{dF}{d\tau} =i\,e^{i\tau P\cdot a}[P\cdot a,\varphi_a(x)]e^{-i\tau P\cdot a} =-a^\mu\partial_\mu F,\qquad F(0)=\varphi_a(x). \tag{22.43}

沿初始条件解这个一阶方程,得到F(τ)=φa(xτa)F(\tau)=\varphi_a(x-\tau a),从而

T(a)1φa(x)T(a)=φa(xa).(22.44)T(a)^{-1}\varphi_a(x)T(a)=\varphi_a(x-a). \tag{22.44}

因此,从拉格朗日量构造的正则荷确实实现了第2节规定的平移作用;时间分量和有限变换指数中的符号也随同一个对易关系确定下来。

洛伦兹流与生成元

最后考虑洛伦兹对称性。标量场的无穷小变化为δφa=δωνρxρνφa\delta\varphi_a=\delta\omega^\nu{}_\rho x^\rho\partial_\nu\varphi_a,其中δωνρ=δωρν\delta\omega_{\nu\rho}=-\delta\omega_{\rho\nu}。与平移变分相比,它相当于取位置依赖的参数aν(x)=δωνρxρa^\nu(x)=-\delta\omega^\nu{}_\rho x^\rho。参数现在也要参与求导,流的散度因而成为

μ(aνTμν)=(μaν)Tμν+aνμTμν.(22.45)\partial_\mu(a_\nu T^{\mu\nu}) =(\partial_\mu a_\nu)T^{\mu\nu} +a_\nu\partial_\mu T^{\mu\nu}. \tag{22.45}

第二项由场方程下的能量–动量守恒而消失;第一项则是反对称参数与对称张量TμνT^{\mu\nu}的缩并,也为零。因此,对当前标量模型仍能得到守恒流。将洛伦兹参数提出,并只保留与它反对称部分相配的系数,就可写成

jδμ=12δωνρMμνρ,Mμνρ=xνTμρxρTμν.(22.46)\begin{aligned} j_\delta^\mu &=\frac12\delta\omega_{\nu\rho}\mathcal M^{\mu\nu\rho},\\ \mathcal M^{\mu\nu\rho} &=x^\nu T^{\mu\rho}-x^\rho T^{\mu\nu}. \end{aligned} \tag{22.46}

由于δωνρ\delta\omega_{\nu\rho}反对称,第二行的两项与它缩并后相等,所以第一行要乘1/21/2。也可以直接对这个流求散度,观察张量对称性与平移守恒怎样共同使它为零:

μMμνρ=TνρTρν+xνμTμρxρμTμν=0.(22.47)\begin{aligned} \partial_\mu\mathcal M^{\mu\nu\rho} &=T^{\nu\rho}-T^{\rho\nu} +x^\nu\partial_\mu T^{\mu\rho} -x^\rho\partial_\mu T^{\mu\nu} =0. \end{aligned} \tag{22.47}

这里求导时缩并的是第一个指标,后两个指标则反对称。标量场没有独立的自旋指标,所以洛伦兹流由这个轨道形式给出。将其时间分量作空间积分,得到相应的守恒荷:

Mνρ=d3x[xνT0ρxρT0ν].(22.48)M^{\nu\rho} =\int d^3x\,[x^\nu T^{0\rho}-x^\rho T^{0\nu}]. \tag{22.48}

由于流中带有坐标因子,荷的守恒还要求带坐标权重的无穷远通量消失。再用推导式(22.42)时的局域delta函数,把积分中的坐标取在场所在的点,就得到荷对场的作用

[φa(x),Mνρ]=1i(xνρxρν)φa(x).(22.49)[\varphi_a(x),M^{\nu\rho}] =\frac1i(x^\nu\partial^\rho-x^\rho\partial^\nu)\varphi_a(x). \tag{22.49}

这正是第2节中的标量微分表示,式(22.48)因而给出了所需洛伦兹生成元的具体场表达式。

从能量和动量密度算出生成元代数

先在经典正则理论中计算。用光滑紧支撑权重积分能量和动量密度,定义

H[f]=d3xfT00,P[ξ]=d3xΠaξiiφa.H[f]=\int d^3x\,fT^{00},\qquad P[\xi]=-\int d^3x\,\Pi_a\xi_i\partial_i\varphi_a.

对场及正则动量分别变分,再把 δφa\delta\varphi_a 上的导数分部积分,得到四个泛函导数:

δH[f]δΠa=fΠa,δH[f]δφa=i(fiφa)+fV,a,δP[ξ]δΠa=ξiiφa,δP[ξ]δφa=i(ξiΠa).\begin{aligned} \frac{\delta H[f]}{\delta\Pi_a}&=f\Pi_a,& \frac{\delta H[f]}{\delta\varphi_a}&=-\partial_i(f\partial_i\varphi_a)+fV_{,a},\\ \frac{\delta P[\xi]}{\delta\Pi_a}&=-\xi_i\partial_i\varphi_a,& \frac{\delta P[\xi]}{\delta\varphi_a}&=\partial_i(\xi_i\Pi_a). \end{aligned}

将它们放入泊松括号的定义

{F,G}P=d3x(δFδφaδGδΠaδFδΠaδGδφa).\{F,G\}_{\rm P}=\int d^3x\left( \frac{\delta F}{\delta\varphi_a}\frac{\delta G}{\delta\Pi_a} -\frac{\delta F}{\delta\Pi_a}\frac{\delta G}{\delta\varphi_a}\right).

两份能量的势项相消,空间二阶导数也相消,只剩权重的一阶导数:

{H[f],H[g]}P=d3xΠa[fi(giφa)gi(fiφa)]=d3xΠa(figgif)iφa=P[gffg].\begin{aligned} \{H[f],H[g]\}_{\rm P} &=\int d^3x\,\Pi_a [f\partial_i(g\partial_i\varphi_a)-g\partial_i(f\partial_i\varphi_a)]\\ &=\int d^3x\,\Pi_a(f\partial_i g-g\partial_i f)\partial_i\varphi_a\\ &=P[g\nabla f-f\nabla g]. \end{aligned}

对一份动量和一份能量,将动量平方、梯度平方及势的贡献分别积分,三部分为

IΠ=12d3xΠa2[ξiif+fiξi],I=12d3x(φa)2[ξiif+fiξi]+d3xfjξiiφajφa,IV=d3xV[ξiif+fiξi].\begin{aligned} I_\Pi&=\frac12\int d^3x\,\Pi_a^2 [-\xi_i\partial_i f+f\partial_i\xi_i],\\ I_\nabla&=-\frac12\int d^3x\,(\nabla\varphi_a)^2 [\xi_i\partial_i f+f\partial_i\xi_i] +\int d^3x\,f\,\partial_j\xi_i\partial_i\varphi_a\partial_j\varphi_a,\\ I_V&=-\int d^3x\,V[\xi_i\partial_i f+f\partial_i\xi_i]. \end{aligned}

例如梯度项原为 ξiiφaj(fjφa)-\int\xi_i\partial_i\varphi_a\partial_j(f\partial_j\varphi_a);分部积分后,用 jφaijφa=12i(φa)2\partial_j\varphi_a\partial_i\partial_j\varphi_a=\frac12\partial_i(\nabla\varphi_a)^2 就得到第二行。将三行相加,if\partial_i f 的系数组成能量密度,其余部分组成 TijT^{ij}。两份动量的计算则消去二阶场导数,给出

{P[ξ],H[f]}P=H[ξf]+d3xfTijjξi,{P[ξ],P[η]}P=d3xΠa[ξii(ηjjφa)ηjj(ξiiφa)]=P[ηξξη].\begin{aligned} \{P[\xi],H[f]\}_{\rm P} &=-H[\xi\cdot\nabla f]+\int d^3x\,fT^{ij}\partial_j\xi_i,\\ \{P[\xi],P[\eta]\}_{\rm P} &=\int d^3x\,\Pi_a[ \xi_i\partial_i(\eta_j\partial_j\varphi_a) -\eta_j\partial_j(\xi_i\partial_i\varphi_a)]\\ &=P[\eta\cdot\nabla\xi-\xi\cdot\nabla\eta]. \end{aligned}

现在选取全局荷的权重。常数或坐标权重可先乘大半径截断,再在前述衰减条件下去掉截断。设 eie_i 为第 ii 个常单位向量,记

H=H[1],Pi=P[ei],Bi=H[xi],Ki=Mi0=BitPi,Ji=12ϵijkMjk=P[ξi],(ξi)k=ϵijkxj.\begin{gathered} H=H[1],\qquad P_i=P[e_i],\qquad B_i=H[x_i],\qquad K_i=M^{i0}=B_i-tP_i,\\ J_i=\frac12\epsilon_{ijk}M^{jk}=P[\xi_i],\qquad (\xi_i)_k=\epsilon_{ijk}x_j. \end{gathered}

常权重的导数为零,所以 {Pi,Pj}P={Pi,H}P=0\{P_i,P_j\}_{\rm P}=\{P_i,H\}_{\rm P}=0。含一个坐标权重时,有

{Bi,H}P=Pi,{Bi,Pj}P=δijH,{Bi,Bj}P=P[xjeixiej]=Mij,{Ki,Kj}P=MijtδijH+tδijH=Mij.\begin{aligned} \{B_i,H\}_{\rm P}&=P_i,& \{B_i,P_j\}_{\rm P}&=\delta_{ij}H,\\ \{B_i,B_j\}_{\rm P} &=P[x_j e_i-x_i e_j]=-M^{ij},\\ \{K_i,K_j\}_{\rm P} &=-M^{ij}-t\delta_{ij}H+t\delta_{ij}H=-M^{ij}. \end{aligned}

转动权重的导数 (ξi)k=ϵik\partial_\ell(\xi_i)_k=\epsilon_{i\ell k} 反对称,与 TkT^{k\ell} 缩并为零。因而混合括号给 {Ji,H}P=0\{J_i,H\}_{\rm P}=0{Ji,Bj}P=ϵijkBk\{J_i,B_j\}_{\rm P}=\epsilon_{ijk}B_k;两份动量的括号给 {Ji,Pj}P=ϵijkPk\{J_i,P_j\}_{\rm P}=\epsilon_{ijk}P_k。最后,

(ξjξiξiξj)=δjxiδixj=ϵijk(ξk),(\xi_j\cdot\nabla\xi_i-\xi_i\cdot\nabla\xi_j)_\ell =\delta_{j\ell}x_i-\delta_{i\ell}x_j =\epsilon_{ijk}(\xi_k)_\ell,

所以 {Ji,Jj}P=ϵijkJk\{J_i,J_j\}_{\rm P}=\epsilon_{ijk}J_k,各个经典括号均已确定。

在量子理论中,取保持平移与洛伦兹对称性的厄米荷,以及场和荷的共同不变定义域;在所讨论的真空扇区中令各荷湮灭真空。相应的量子代数为

[Ji,Jj]=iϵijkJk,[Ji,Kj]=iϵijkKk,[Ki,Kj]=iϵijkJk,[Ji,Pj]=iϵijkPk,[Ji,H]=0,[Ki,Pj]=iδijH,[Ki,H]=iPi,[Pμ,Pν]=0.(22.50)\begin{gathered} \relax[J_i,J_j]=i\epsilon_{ijk}J_k,\qquad [J_i,K_j]=i\epsilon_{ijk}K_k,\qquad [K_i,K_j]=-i\epsilon_{ijk}J_k,\\ [J_i,P_j]=i\epsilon_{ijk}P_k,\qquad [J_i,H]=0,\\ [K_i,P_j]=i\delta_{ij}H,\qquad [K_i,H]=iP_i,\qquad [P_\mu,P_\nu]=0. \end{gathered} \tag{22.50}

这一量子关系可从荷对场的作用直接确定。将各个荷记为 QAQ_A,把式(22.42)与式(22.49)写成 [φ,QA]=DAφ[\varphi,Q_A]=D_A\varphi;这些微分算符满足 [DA,DB]=ifABCDC[D_A,D_B]=if_{AB}{}^CD_C,其中 fABCf_{AB}{}^C 就是上述结构常数。雅可比恒等式于是给出

[φ,[QA,QB]]=[[φ,QA],QB][[φ,QB],QA]=[DA,DB]φ=[φ,ifABCQC],CAB=[QA,QB]ifABCQC,[φ,CAB]=0.\begin{aligned} \relax[\varphi,[Q_A,Q_B]] &=[[\varphi,Q_A],Q_B]-[[\varphi,Q_B],Q_A]\\ &=[D_A,D_B]\varphi=[\varphi,if_{AB}{}^CQ_C],\\ C_{AB}&=[Q_A,Q_B]-if_{AB}{}^CQ_C,\qquad[\varphi,C_{AB}]=0. \end{aligned}

由于 CAB0=0C_{AB}|0\rangle=0,把它移过任意涂抹场多项式,便知它湮灭这些多项式作用在真空上产生的态。若这些态在当前真空扇区稠密且属于共同定义域,则对其中的任意 χ|\chi\rangle 和域内的 ψ|\psi\rangle,厄米荷使 CABC_{AB} 反厄米,因而 χCABψ=CABχψ=0\langle\chi|C_{AB}\psi\rangle=-\langle C_{AB}\chi|\psi\rangle=0。稠密性随即给出 CABψ=0C_{AB}|\psi\rangle=0,得到式(22.50)的全局荷代数。


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文章标题:Srednicki §22 连续对称性与守恒流

文章作者:Whitney

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