Saturday, March 14, 2015

量子场论里场算符不一定是unitary演化了...Klein-Gordon方程没有守恒的概率流(都没有守恒的概率流所以当然没法用概率解释来阐述其物理意义

如何给没学过量子场论的人科普量子场论这样的知识?


Hilbert space是态的空间,不是波函数或场的空间。

概率解释在这里已经不适用了。之所以要有场论,正是因为人们研究相对论性的量子力学的时候,发现Klein-Gordon方程没有守恒的概率流(都没有守恒的概率流所以当然没法用概率解释来阐述其物理意义)、还存在负能解,而且同时,它不能用于描述有自旋的粒子。后来Dirac写出了Dirac方程,而这个体系虽然能描述有自旋的粒子,但它也存在负能解,为了解释这个负能解,Dirac说真空是一个Dirac海填满的,原先出于负能海的电子在吸收了能量后就被激发到具有正能的状态,相当于负能海里出现了一个空穴。然而作为一个描写一个粒子的方程,却实际描述的是多个粒子体系,显然已经不适用了。

所以人们抛弃概率解释,抛弃波函数,而用场的运动方程(Equation of Motion)来描述量子化的场。

然后场作为算符作用在粒子数表象下的态上,比如说作用在真空态|0>上就可以激发出粒子或反粒子

何史提拉格朗日制造厂

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谢邀。场论的科普工作上,我觉得徐一鸿做了相当不错的工作。参Anthony Zee, Quantum Field Theory in a Nutshell;Feynman也做得很好,参其着的《理性边缘的物理》(QED: The Strange Theory of Light and Matter)。这是一个不容易的问题,因为场论其实没… 显示全部

量子场论里的Hilbert space 是什么?有什么物理意义吗?

Minglei Xiao物理宅

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Hilbert 空间从来都不是什么「波函数的空间」,而是量子态的空间。波函数只是态在一个表象下的形式。微扰量子场论处理的是真空的微扰问题,涉及到的态都是渐进自由态,即进态、出态,它们都是动量本征态,对于不同自旋有不同的波函数,但总的来说都是自由粒… 显示全部

如何给没学过量子场论的人科普量子场论这样的知识?

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放一幅老早画图(回过头看有点不太确切的地方),名字:《理科no料理亭》,大体讲了下场论是咋工作的:不过这也只能让学过的人看着图叙叙旧。咱还是觉得与普通人讨论场论是挺不智的。因为场论是那种只能说明“有什么用,怎么工作”的东西,而讲不清楚“是什… 显示全部

黑洞为什么违反许多物理定理?

知乎用户,理论物理博士

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黑洞中经常会出现一些无穷大的情况科学史的经验告诉我们,如果出现无穷大,一般是物理定律在这附近不适用,现有的物理定律应该容纳到另一个更普适的定律中去

有没有人能解释一下下面这个等式?

何史提从一到无穷大

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谢邀。I am passionate about this kind of technicalities for some unknown reasons. Whenever one encounters any path integrals or functional integrals that bother, it is always good to go back to the usual integrals. You can go to chapters … 显示全部

量子场论里的Hilbert space 是什么?有什么物理意义吗?

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匿名用户

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如果用canonical quantization formulation的话,量子场论里场算符不一定是unitary演化了...
场算符的演化按照\varphi(\bm x, t) = e^{iHt} \varphi(\bm x, 0) e^{-iHt} 这为什么不是幺正的?

如何解释场算符的物理意义呢?依然是是概率诠释?
量子场就是体系的基本自由度了,相当于广义坐标;从数学上讲,它是一个算符值分布。算符与波函数的关系相当于统计上的随机变量跟概率的关系。

它首先是量子化的场论,我们可以按照场论来理解它,譬如,我们可以研究场关联函数:\langle \mathrm T \varphi(x_1) \varphi(x_2) \cdots \varphi(x_n) \rangle,这相当于扰动了量子场真空以后所观测到的响应。由于量子化,我们只能讨论期望值,不能直接讨论场本身。一个合适的比拟是统计系综,譬如一个格点上的Ising模型:在那里广义坐标是“自旋场”S_i,我们讨论自旋关联函数\langle S_i S_j \rangle


它又是量子力学算符。根据正则对易关系,在时刻t,不同位置\vec x的场算符是对易的:[\hat \varphi(\vec x, t), \hat \varphi(\vec y, t)] = 0 (这实际上是场作为广义坐标需要满足的条件),
因此,存在一个表象|\varphi_t\rangle,为不同位置的场算符的共同本征态:\hat \varphi(\vec x,t)|\varphi_t\rangle = \varphi(\vec x, t)|\varphi_t\rangle,这里函数\varphi(\vec x, t)便是量子场的振幅;|\varphi_t\rangle,借用统计物理的语言(如图),叫做一个场“构型”。场表象原本是很方便的:譬如时间演化可以由路径积分。唯一的问题是,场表象不是能-动量表象,这对于描述物理粒子来说是很麻烦的。这显然是由于,\big[ \varphi(x), H \big] = i\pi(x) \ne 0


真空态|\Omega\rangle是能量最低态,各种量子数皆为零,但却不是场强为零的态(这是咱们熟悉的零点振动 —— 真空里有什么?真空里有量子场!)。因此,若将量子场作用在真空态上,将会激发各种能量本征态:

 \langle\Omega| \varphi(x) \varphi(y) |\Omega\rangle 
 = \int ds \,\rho(s) D(x-y; s)

其中\rho(s) = \sum_n \delta(s-p_n^2) | \langle n,p | \varphi(0)|\Omega\rangle|^2 叫做谱函数——它显然是一个分布,代表量子态|\varphi(0)\rangle处在不变质量\sqrt{s}处的概率密度:\int ds \, \rho(s) = 1
|n,p\rangle是哈密顿量H的本征态,其质量为\sqrt{p_n^2}D(x-y;s) = \int \frac{d^4 p}{(2\pi)^4}\theta(p^0) e^{-i p\cdot (x-y)} 2\pi \delta(p^2 - s) 
\overset{r\to\infty}{\sim} \frac{\sqrt{s}}{4\pi^2 }\frac{ K_1(\sqrt{s} r)}{r},有时候叫做场的传播子。

自由场的谱密度是一个位于m处的狄拉克函数,其代表态表示一个自由粒子,叫做单粒子态。“正常”量子场论的谱密度类似于自由场(如图所示),它也包含一个单粒子态峰,它还可能包含若干个束缚态峰、多粒子态的连续统。非典型场论(强相互作用、具有奇怪对称性)的谱函数可能会更加复杂:例如 QED 由于规范对称性的保护,多粒子态连续统开始于电子质量,中间显然没有束缚态;QCD 更夸张,夸克的单粒子态根本就不存在。

当然,场不仅能作用在真空态上,还可以作用在其他能量本征态上,如单粒子态|p\rangle。例如在弹性散射实验中,人们用光子来探测电子态 |p, s\rangle 的电磁结构(电荷与磁矩分布,p为动量、s为自旋投影),该过程的振幅可以表示为:
\begin{split}
  & \varepsilon_\mu(q) \langle J^\mu(x) \rangle  
= \varepsilon_\mu(q) \langle p',s' |\bar \psi(x) \gamma^\mu \psi(x)  |p,s\rangle 
\end{split}
这里,q = p'-p

学的时候一直没有给出波函数和field operator和波函数的具体形式,只是说存在这样的Hilbert space, 以及庞加莱群在这个空间上的representation.

除了自由场以外,我们很少见到波函数、场算符的具体形式。这主要是因为,它们一般没有解析形式。所有这些量中,最容易计算的是关联函数,方法就是费曼算术(Feynman's Calculus),又叫做“微扰论”。

量子态的Hilbert space 是否有具体的表象?

有啊 —— 当人们说某某希尔伯特空间的时候,就是指已经找到了一个具体的表象(包括一组基)。这些表象可以使用,例如,福克空间表示出来(暂时忘掉哈格定理)。
 
 
 
 

如何给没学过量子场论的人科普量子场论这样的知识?

何史提拉格朗日制造厂

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李根硕知乎用户、知乎用户 等人赞同
谢邀。

场论的科普工作上,我觉得徐一鸿做了相当不错的工作。参Anthony Zee, Quantum Field Theory in a Nutshell;Feynman也做得很好,参其着的《理性边缘的物理》(QED: The Strange Theory of Light and Matter)。

这是一个不容易的问题,因为场论其实没有什麽新的物理,它是一套系统的方法,把前人的东西简洁表示,然后以此为工具去研究新的问题。没有基本的物理知识(高中或本科程度),跟那人谈场论是没有意思的。不懂物理,场论只是一堆没有意义的数学。而且场论是一种很有趣的东西,读完好像懂,可以跟人谈笑风生,但用到上手却什麽都不会。

例子我主要用谐振子。其实,这个很实用,经典和量子都有解,而且大部分问题都由这个开始,理论家其实除了这个好像什麽也不懂⋯⋯

经典力学

我觉得要懂得量子场论,先要谈谈经典场论。谈经典场论前,先谈经典力学。

假设我们都懂得牛顿力学(不懂的话,场论对你来说没有意思⋯⋯),我们可以用牛顿第二定律得出其运动方程。后来有人发明了能量的概念,再后来有人发明了Lagrangian。需然这些都不是直接可量度的东西,但很有用,只要你写出L=\frac{1}{2} m \dot{x}^2 - \frac{1}{2} m \omega^2 x^2,你可以用最小作用量原理(或Euler-Lagrange方程)得出一样的运动方程。

这是一个系统:1. 识别系统的自由度;2. 写出系统的Lagrangian;3. 用最小作用量原理得出运动方程。你可能会问,既然我们有牛顿力学,为什麽要发明这个没有新物理意义的东西?答桉是:对于複杂点的系统,写出耦合的运动方程很难,但写出其Lagrangian相对容易,如两质点以一个弹簧连着,这两质点便有耦合,用我们的物理直觉,可自Lagrangian中有一耦合项为x_1 x_2,再用系统的方法,便知运动方程。(当然这个简单问题,尚可用牛顿透程解决。)

经典场论

好了,讲完力学,可以讲场论了。上述的问题是单体或少体问题,场论一般处理多体问题。场是什麽?场(field)是空间(实空间、动量空间、或任何奇怪的空间)的函数(参如何让普通人理解物理学中「场」的本质? - 何史提的回答 )。用徐一鸿的方法说,场论处理的问题是一个床垫,找出一函数在床垫不同位置的便化。我们要用Lagrangian density,是场的泛函。同样地,用你的物理直觉,写出了Lagrangian density,再用最小作用量原理便可得运动方程。

经典场论的方程可以足够难解了。学到了这里,你可以跑去学机器学习了。

量子力学

经典力学中的一些量在量子力学便被量子化,有一些量不服从交换定律。这些东西大部分可在经典力学找到对应。可是,在经典力学视为可确定的,在量子力学变为随机,但随机量的平均值仍和经典力学一样。另外,在极限\hbar \rightarrow 0,量子力学回归经典力学,此即Correspondence Principle。

量子场论和统计场论

用Schrodinger方程的话,基本可解决很多单体或少体量子问题,但多体问题则需场论。跟经典力学一样,我们可写出其Lagrangian density,亦有系统的方法写出其运动方程,这运动方程跟经典力学的一样,但量子的随机性让问题变得更有趣:在运动方程的解附近可特出统计量。这也是量子场论大量使用路径积分或泛函积分的原因:用最小作用量原理得出经典/平均解,用线性微扰得出方差和关联。求出这些,还是用谐振子/常态分布的数学。

统计场论因其随机性,也有类似的东西,可用泛函积分,用最小自由能解得出平均场解,用linear response求出方差和关联(Kubo方程便和此有关)。古典和量的分别,只是一个用S = \beta H,另一用S = \int_0^{\hbar \beta} d\tau H

这好像很简单,但光是上两段,可能足以给一个博士学位,因为经典解也可能是极複杂的。还有,量子场论的微扰複杂得多。幸好我们有伟大的费曼图,简化了不少工作,而每一幅图都代表一项(包含积分式、格林函数/传播子),点的数量代表是微扰阶数。在相对论量子力学中,每一幅图都有物理意义,和某一事件发生的概率有关;在统计场论中,则纯綷代表数式。

微扰通常是小的量,但不幸地,这些费曼图中往往会给出发散的积分。那怎办?我们有重整化,在Lagrangian加些counter-term抵消发散项,而这些发散项可吸至Lagrangian。(参:微积分在微观量子世界还适用吗? - 何史提的回答

在统计场论中,有一非微扰方法叫重整化群,是对系统作粗粒化处理(有点像在Chrome做zoom out一样),看看Lagrangian中每一项的变化是怎样,决定那些项留或不留。这个肯定和重整化有关,不过小弟还没通透。(参:重整群是不是一种粗粒化处理? - 何史提的回答

另外,有孤立子的问题,如vortex和Skyrmions的;还有本人不熟悉的拓扑量子场论,什麽Chern-Simons项,很多好东西。


最后想强调这一点:场论本身没有为基本力学加点什麽物理,可是作为系统化的方法,让我们可以跑得跟远,研究更深刻的问题。如果没有物理基础就学场论,则是未学走路就先学跑。当用场论得到结果后,有洞见的物理学家绝对可以不用场论把物理图象清析地描述出来。这有点像基督教中的系统神学,一般信徒是不需要有系统神学训练的都可以过一个有爱心有喜乐的基督徒生命,但系统神学在一个有基础的基督徒可以助他走得更远,他也可深入浅出解析他领受的;但对于连圣经也未读懂的人,系统神学充其量是学术知识,对他能否有一个好的生命没有帮助。

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