系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
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及只含一阶场导数的L(φa,∂μφa)。以下Πa表示正则动量,其场分量下标使它与前面的两点自能Π(k2)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φa↦φa+δφa。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=∂φa∂Lδφa+paμ∂μδφa,paμ=∂(∂μφa)∂L.(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)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
δφa(x)δφb(y)=δabδ4(y−x),δφa(x)δ∂μφb(y)=δab∂μyδ4(y−x).(22.2)
第二式的delta导数作用于y。代入作用量后,把这个导数从delta函数移到paμ(y)上,分部积分便产生一个负号:
Ea(x):=δφa(x)δS=∫d4y[∂φa(y)∂L(y)δ4(y−x)+paμ(y)∂μyδ4(y−x)]=∂φa(x)∂L(x)−∂μpaμ(x).(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=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)把∂L/∂φa改写为∂μpaμ+Ea。这样,两个含paμ的项恰好合成乘积的导数,得到
δL=∂μ(paμδφa)+Eaδφa.(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=δL−Eaδφa.(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,并提出常参数ϵ。以下用jμ=paμRa表示去参数的流,于是jδμ=ϵjμ。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=∂t∂j0+∇⋅j=0.(22.6)
因此可以把j0解释为荷密度,把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:
dtd∫∣x∣<Rd3xj0=−∫∣x∣=RdSiji.(22.7)
如果无穷远的总通量消失,Q=∫d3xj0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=−∂μφ†∂μφ−m2φ†φ−4λ(φ†φ)2.(22.8)
将复场写成φ=(φ1+iφ2)/2,就有φ†φ=(φ12+φ22)/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=−21a=1∑2∂μφa∂μφa−2m2(φ12+φ22)−16λ(φ12+φ22)2.(22.9)
这里的1/2使每个实场都具有标准的1/2动能系数;四次势的1/16则来自原系数1/4再乘两个1/2。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作相位变换
φ↦e−iαφ,φ†↦eiαφ†.(22.10)
每个φ†φ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e−iα可看作一个1×1酉矩阵,这些变换组成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)↦(cosα−sinαsinαcosα)(φ1φ2).(22.11)
这个矩阵的转置乘自身为1,行列式为cos2α+sin2α=1,所以它属于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。如此便得到U(1)相位与SO(2)实旋转之间的对应。
求流时只需要无穷小形式,即Rφ=−iφ、Rφ†=iφ†。可以把φ,φ†作为独立变分坐标;这等价于先对φ1,φ2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[φ†∂μφ−(∂μφ†)φ]=−iφ†∂μφ.(22.12)
这里采用双向导数A∂μB=A∂μB−(∂μA)B。方括号取共轭后变为自身的负值,因而是纯虚的;乘以−i便得到它的虚部。因此,流也可写成Im[φ†∂μφ],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=φ2、R2=−φ1,代入两项实场动量密度,便有
jμ=(−∂μφ1)φ2+(−∂μφ2)(−φ1)=φ1∂μφ2−φ2∂μφ1.(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写出时间分量,就得到荷密度及其空间积分:
j0=i(φ†φ˙−φ˙†φ)=Π1φ2−Π2φ1,Q=∫d3xj0.(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)φ†(x)dk=∫dk[a(k)eikx+b∗(k)e−ikx],=∫dk[b(k)eikx+a∗(k)e−ikx],=(2π)32ωkd3k,kx=k⋅x−ωkt.(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j0。令左边来自φ†的动量为p,右边来自φ的动量为k。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 | j0中的频率系数 | 空间积分产生的条件 |
|---|
| a∗(p)a(k) | ωp+ωk | p=k |
| b(p)b∗(k) | −(ωp+ωk) | p=k |
| b(p)a(k) | ωk−ωp | p=−k |
| a∗(p)b∗(k) | ωp−ωk | p=−k |
例如第一行来自i[a∗e−ipx(−iωkaeikx)−(iωpa∗e−ipx)aeikx],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,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
∫dpdk(ωp+ωk)(2π)3δ3(p−k)a∗(p)a(k)=∫dk2ωk2ωka∗(k)a(k).(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)
量子化以后,两套模式满足[a(p),a†(k)]=[b(p),b†(k)]=(2π)32ωkδ3(p−k),混合对易子为零。若沿用上面的经典次序,荷算符先写成a†a−bb†,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Q∣0⟩=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)]=Na−Nb.(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)
因此每个a粒子对总荷贡献+1,每个b粒子贡献−1。将这些关系代回场展开,得到[Q,φ]=−φ、[Q,φ†]=φ†,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 Ra,取对称排序的荷
QR=21∫d3y[ΠaRa+RaΠa].
Ra 只依赖等时场及其空间导数,与 φb 对易。因此只有荷中的正则动量参与收缩:
[φb(x),QR]=2i∫d3yδabδ3(x−y)[Ra(y)+Ra(y)]=iRb(x).
取 Rφ=−iφ 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(x−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⟩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⟩=(qβ−qα)⟨β∣S∣α⟩.(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(φ†φ)2包含两条φ腿和两条φ†腿,所以每个顶角流入、流出的净荷相等。其2!2!种微分分配又恰好抵消拉氏密度中的1/4,留下固定腿标签的顶角权重−iλ。
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]+i∫d4xJaφa),Z[0]=1.(22.21)
作与场无关的无穷小位移φa(x)↦φa(x)+ha(x),其中ha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h展开到一阶,便有
0=i∫DφeiS+i∫Jφ∫d4xha(x)[Ea(x)+Ja(x)].(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)作n次导数,再令J=0。记O=∏r=1nφar(xr),并用Or表示去掉第r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i,会产生in+1EaO;若其中一次落在显式的Ja(x)上,就产生δaarδ4(x−xr),其余n−1次仍作用于指数,系数为in。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in后,剩下
0=∫d4xha(x)[i⟨Ea(x)O⟩PI+r=1∑nδaarδ4(x−xr)⟨Or⟩PI].(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n个接触项,计数中没有另一个n!。再利用测试函数ha(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):
i⟨TEa(x)O⟩+r=1∑nδaarδ4(x−xr)⟨TOr⟩=0.(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。
令C(x−y)=⟨Tφ(x)φ(y)⟩,先显式写出两个时间顺序:
C=θ(x0−y0)⟨φ(x)φ(y)⟩+θ(y0−x0)⟨φ(y)φ(x)⟩.(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)],在等时为零。再求一次导数,则留下[φ˙(x),φ(y)],由正则对易关系得到
∂x02C=⟨Tφ¨(x)φ(y)⟩−iδ(x0−y0)δ3(x−y).(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(x−y)=δ4(x−y),Δ(x−y)=iC(x−y).(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。
当x与所有xr分离时,式(22.24)中的delta函数都没有支撑,因而⟨TEa(x)O⟩=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,Ea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):
δϵφa(x)=ϵ(x)Ra[φ](x).(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)=ϵ∂μRa+(∂μϵ)Ra代入链式变分,便可将两类项分开:
δϵL=ϵδRL+(∂μϵ)paμRa=(∂μϵ)jμ.(22.29)
最后一步用了常参数对称性δRL=0。对时空积分,再通过分部积分移去ϵ上的导数,就有δϵS=−∫d4xϵ∂μjμ。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O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⟩+i⟨OδϵS⟩.(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=r∑ϵ(xr)φa1(x1)⋯Rar(xr)⋯φan(xn).
把每个ϵ(xr)改写为∫d4xϵ(x)δ4(x−xr),所有项就带有同一个测试函数。再取任意ϵ(x)的系数,得到
∂μ⟨Tjμ(x)O⟩=−ir=1∑nδ4(x−xr)⟨Tφa1(x1)⋯Rar(xr)⋯φan(xn)⟩.(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,δφa替换jμ,Ra,便得到含常参数的同一个恒等式。
对本节的 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/i,对去掉真空常数的jμ和φ(y)φ†(z)作Wick收缩。只有两种φ与φ†的配对参与连通部分,因而
Gμ(x;y,z):=⟨Tjμ(x)φ(y)φ†(z)⟩conn=−i[C(y−x)∂xμC(x−z)−∂xμC(y−x)C(x−z)].(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用(□−m2)C=iδ4改写,质量项也成对相消,最后只剩
∂μGμ(x;y,z)=[δ4(x−z)−δ4(x−y)]C(y−z).(22.33)
另一方面,在式(22.31)中代入Rφ=−iφ和Rφ†=iφ†,同样得到y点的负号和z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,由式(22.4)移项,便得到相应的流
jδμ=paμδφa−Kμ,∂μjδμ=−Eaδφa.(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),但积分后该表面项消失,只留下(∂μϵ)jμ,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(x−a)取无穷小参数,场和拉氏密度分别变化为
δφa=−aν∂νφa,δL=−aν∂νL=∂μ(−aμL),Kμ=−aμL.(22.35)
将这个结果代入式(22.34),再提出常参数aν,就能从流中读出一个二阶张量:
jδμTμν=−paμaν∂νφa+aμL=aνTμν,=−paμ∂νφa+gμνL.(22.36)
其中+aμL来自流定义中的−Kμ。平移参数aν任意,所以场方程给出∂μTμν=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=−21∂μφa∂μφa−V(φ),paμ=−∂μφa,Πa=pa0=φ˙a.(22.37)
四维可重整化势 V 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=∂μφa∂νφa+gμνL,Tμν=Tνμ.(22.38)
这一张量是对称的。再用∂0=−∂t和g00=−1展开其时间分量,得到
T00T0i=Πa2−L=21Πa2+21(∇φa)2+V(φ)=H,=−Πa∂iφa.(22.39)
T00就是正则哈密顿密度,而T0i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=a。不同场的模式对易子带有δab,所以各物种分别贡献。
把展开代入空间积分后,aaaa及其共轭项中的delta函数要求p=−k,余下被积式在k↦−k下为奇,故对称积分为零。混合项则留下ki乘以数算符。正规排序后,总动量写成
Pi=∫d3xT0i=a∑∫dkkiaa†(k)aa(k).(22.40)
混合项的系数可以直接核对:来自 −φ˙∂iφ 的 a†(p)a(k) 和 a(p)a†(k) 都带 +ωpki。空间积分给 (2π)3δ3(p−k),消去 p 测度中的 2ωp 后,两项各留下 ki/2,故
Pi=21a∑∫dkki[aa†aa+aaaa†]⟶a∑∫dkkiaa†aa.
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)
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(x−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][φa(x),Pi]=21∫d3y[φa(x),Πb(y)2]=iΠa(x)=i1∂0φa(x),=−∫d3y[φa(x),Πb(y)]∂iφb(y)=−i∂iφa(x)=i1∂iφa(x).(22.42)
空间动量若写成厄米排序 Pi=−21∫(Πb∂iφb+∂iφbΠb),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,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)=e−iPμaμ,并引入F(τ)=eiτP⋅aφa(x)e−iτP⋅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
dτdF=ieiτP⋅a[P⋅a,φa(x)]e−iτP⋅a=−aμ∂μF,F(0)=φa(x).(22.43)
沿初始条件解这个一阶方程,得到F(τ)=φa(x−τa),从而
T(a)−1φa(x)T(a)=φa(x−a).(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=δωνρxρ∂νφa,其中δωνρ=−δωρν。与平移变分相比,它相当于取位置依赖的参数aν(x)=−δωνρxρ。参数现在也要参与求导,流的散度因而成为
∂μ(aνTμν)=(∂μaν)Tμν+aν∂μTμν.(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Tμν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
jδμMμνρ=21δωνρMμνρ,=xνTμρ−xρTμν.(22.46)
由于δωνρ反对称,第二行的两项与它缩并后相等,所以第一行要乘1/2。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=Tνρ−Tρν+xν∂μTμρ−xρ∂μTμν=0.(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[xνT0ρ−xρT0ν].(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]=i1(xν∂ρ−xρ∂ν)φa(x).(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]=−∫d3xΠaξi∂iφa.
对场及正则动量分别变分,再把 δφa 上的导数分部积分,得到四个泛函导数:
δΠaδH[f]δΠaδP[ξ]=fΠa,=−ξi∂iφa,δφaδH[f]δφaδP[ξ]=−∂i(f∂iφa)+fV,a,=∂i(ξiΠa).
将它们放入泊松括号的定义
{F,G}P=∫d3x(δφaδFδΠaδG−δΠaδFδφaδG).
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[f∂i(g∂iφa)−g∂i(f∂iφa)]=∫d3xΠa(f∂ig−g∂if)∂iφa=P[g∇f−f∇g].
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
IΠI∇IV=21∫d3xΠa2[−ξi∂if+f∂iξi],=−21∫d3x(∇φa)2[ξi∂if+f∂iξi]+∫d3xf∂jξi∂iφa∂jφa,=−∫d3xV[ξi∂if+f∂iξi].
例如梯度项原为 −∫ξi∂iφa∂j(f∂jφa);分部积分后,用 ∂jφa∂i∂jφa=21∂i(∇φa)2 就得到第二行。将三行相加,∂if 的系数组成能量密度,其余部分组成 Tij。两份动量的计算则消去二阶场导数,给出
{P[ξ],H[f]}P{P[ξ],P[η]}P=−H[ξ⋅∇f]+∫d3xfTij∂jξi,=∫d3xΠa[ξi∂i(ηj∂jφa)−ηj∂j(ξi∂iφa)]=P[η⋅∇ξ−ξ⋅∇η].
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 ei 为第 i 个常单位向量,记
H=H[1],Pi=P[ei],Bi=H[xi],Ki=Mi0=Bi−tPi,Ji=21ϵijkMjk=P[ξi],(ξi)k=ϵijkxj.
常权重的导数为零,所以 {Pi,Pj}P={Pi,H}P=0。含一个坐标权重时,有
{Bi,H}P{Bi,Bj}P{Ki,Kj}P=Pi,=P[xjei−xiej]=−Mij,=−Mij−tδijH+tδijH=−Mij.{Bi,Pj}P=δijH,
转动权重的导数 ∂ℓ(ξi)k=ϵiℓk 反对称,与 Tkℓ 缩并为零。因而混合括号给 {Ji,H}P=0、{Ji,Bj}P=ϵijkBk;两份动量的括号给 {Ji,Pj}P=ϵijkPk。最后,
(ξj⋅∇ξi−ξi⋅∇ξj)ℓ=δjℓxi−δiℓxj=ϵijk(ξk)ℓ,
所以 {Ji,Jj}P=ϵijkJk,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)
这一量子关系可从荷对场的作用直接确定。将各个荷记为 QA,把式(22.42)与式(22.49)写成 [φ,QA]=DAφ;这些微分算符满足 [DA,DB]=ifABCDC,其中 fABC 就是上述结构常数。雅可比恒等式于是给出
[φ,[QA,QB]]CAB=[[φ,QA],QB]−[[φ,QB],QA]=[DA,DB]φ=[φ,ifABCQC],=[QA,QB]−ifABCQC,[φ,CAB]=0.
由于 CAB∣0⟩=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⟩ 和域内的 ∣ψ⟩,厄米荷使 CAB 反厄米,因而 ⟨χ∣CABψ⟩=−⟨CABχ∣ψ⟩=0。稠密性随即给出 CAB∣ψ⟩=0,得到式(22.50)的全局荷代数。
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