Srednicki §6 量子力学中的路径积分

26 年 9 月 14 日 星期一
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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 =1\hbar=1,哈密顿量为

H=K+V(Q),K=P22m,[Q,P]=i,m>0.(6.1)H=K+V(Q),\qquad K=\frac{P^2}{2m},\qquad [Q,P]=i,\qquad m>0. \tag{6.1}

所求的是粒子从 tt' 时刻的位置 qq' 传播到 tt'' 时刻的位置 qq'' 的振幅。记总时间为 T=tt>0T=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)=qeiHTq.(6.2)\mathcal K(q'',t'';q',t') =\langle q''|e^{-iHT}|q'\rangle. \tag{6.2}

位置本征态 q|q\rangleqq=δ(qq)\langle q|q'\rangle=\delta(q-q') 归一化,因而 K\mathcal 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)=eiHtQeiHtQ(t)=e^{iHt}Qe^{-iHt},它在各时刻的本征态以及这些态之间的重叠为

q,t=eiHtq,Q(t)q,t=qq,t,q,tq,t=K(q,t;q,t).(6.3)|q,t\rangle=e^{iHt}|q\rangle,\qquad Q(t)|q,t\rangle=q|q,t\rangle, \qquad \langle q'',t''|q',t'\rangle=\mathcal K(q'',t'';q',t'). \tag{6.3}

验证第二式时,只需将 Q(t)Q(t) 作用在所定义的态上:相邻的 eiHteiHte^{-iHt}e^{iHt} 相消后,留下 eiHtQqe^{iHt}Q|q\rangle,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 tt 改变的是 Q(t)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 TT 分成 N+1N+1 段,令 δt=T/(N+1)\delta t=T/(N+1)q0=qq_0=q'qN+1=qq_{N+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=+dqjqjqj1=\int_{-\infty}^{+\infty}dq_j\,|q_j\rangle\langle q_j|。对所有中间位置求和,传播振幅便精确地分解为

K=j=1Ndqjj=0Nqj+1eiHδtqj.(6.4)\mathcal K =\int\prod_{j=1}^{N}dq_j \prod_{j=0}^{N} \langle q_{j+1}|e^{-iH\delta t}|q_j\rangle . \tag{6.4}

上式对 NN 个内部位置积分,含有 N+1N+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=iKδtA=-iK\delta tB=iVδtB=-iV\delta t,把指数展开到二阶:

eAeB=1+A+B+12A2+AB+12B2+O(δt3),eA+B=1+A+B+12A2+12(AB+BA)+12B2+O(δt3).(6.5)\begin{aligned} e^Ae^B&=1+A+B+\tfrac12A^2+AB+\tfrac12B^2+O(\delta t^3),\\ e^{A+B}&=1+A+B+\tfrac12A^2+\tfrac12(AB+BA)+\tfrac12B^2 +O(\delta t^3). \end{aligned} \tag{6.5}

两行相减,乘积展开比整体展开多出 12[A,B]\tfrac12[A,B],所以在这一阶应补上一个对易子: eA+B=eAeBe12[A,B]+O(δt3)e^{A+B}=e^Ae^B e^{-\frac12[A,B]+O(\delta t^3)}。 这给出Baker–Campbell–Hausdorff展开在二阶的形式。由于 [A,B]=(δt)2[K,V][A,B]=-(\delta t)^2[K,V],把 eiHδte^{-iH\delta t} 写成分解的乘积 eiKδteiVδte^{-iK\delta t}e^{-iV\delta t} 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:

FMUM=j=0M1FM1j(FU)Uj,F=eiKδteiVδt,U=eiHδt.(6.6)F^M-U^M=\sum_{j=0}^{M-1}F^{M-1-j}(F-U)U^j, \quad F=e^{-iK\delta t}e^{-iV\delta t},\quad U=e^{-iH\delta t}. \tag{6.6}

若单段满足 FUC(δt)2\|F-U\|\leq C(\delta t)^2,利用各幺正因子的范数为一,M=N+1M=N+1段的总误差便不超过 CTδtCT\delta t,随切片变细而消失。

连续坐标中的动能 K=P2/(2m)K=P^2/(2m)是无界算符。对有界实势 VV,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)=eiKtVeiKtV_I(t)=e^{iKt}Ve^{-iKt}h=T/Mh=T/M,有

eiKT(eiKheiVh)M=eihVI((M1)h)eihVI(h)eihVI(0).e^{iKT}\bigl(e^{-iKh}e^{-iVh}\bigr)^M =e^{-ihV_I((M-1)h)}\cdots e^{-ihV_I(h)}e^{-ihV_I(0)}.

将右侧按 VV的幂展开,第 nn阶在 MM\to\infty时趋于

(i)n0<tn<<t1<Tdt1dtnVI(t1)VI(tn).(-i)^n\int_{0<t_n<\cdots<t_1<T} dt_1\cdots dt_n\,V_I(t_1)\cdots V_I(t_n).

这是强连续函数的黎曼和;同一切片重复选取的贡献随 hh趋于零。第 nn阶的范数由 (TV)n/n!(T\|V\|)^n/n!控制,因此可以逐阶取极限,再对 nn求和。所得的Dyson级数正是 eiKTei(K+V)Te^{iKT}e^{-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=dppp1=\int dp\,|p\rangle\langle 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+1eiKδteiVδtqj=dpjeiδtpj2/(2m)iδtV(qj)qj+1pjpjqj=dpj2πexp ⁣{ipj(qj+1qj)iδtH(pj,qj)}.(6.7)\begin{aligned} \langle q_{j+1}|e^{-iK\delta t}e^{-iV\delta t}|q_j\rangle &=\int dp_j\, e^{-i\delta t\,p_j^2/(2m)-i\delta t\,V(q_j)} \langle q_{j+1}|p_j\rangle\langle p_j|q_j\rangle\\ &=\int\frac{dp_j}{2\pi} \exp\!\left\{ip_j(q_{j+1}-q_j) -i\delta t\,H(p_j,q_j)\right\}. \end{aligned} \tag{6.7}

这里的 1/(2π)1/(2\pi) 来自两份 qp=(2π)1/2eipq\langle q|p\rangle=(2\pi)^{-1/2}e^{ipq}。式(6.7)精确给出了分解后乘积的核;用它表示原来的 eiHδte^{-iH\delta t},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)H(P,Q) 应怎样处理。由于 P,QP,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=QPiPQ=QP-i,选取 PQPQQPQP 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)H(p,q) 的傅里叶表示定义量子算符。引入辅助积分变量 u,vu,v,定义

HW(P,Q)=dudv(2π)2eiuP+ivQdpdqeiupivqH(p,q).(6.8)H_W(P,Q) =\int\frac{du\,dv}{(2\pi)^2} e^{iuP+ivQ} \int dp\,dq\,e^{-iup-ivq}H(p,q). \tag{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[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/2e^{iuP+ivQ}=e^{ivQ/2}e^{iuP}e^{ivQ/2} 左右两侧产生的常数项恰好相消。在位置表象中,P=iqP=-i\partial_q 使 eiuPψ(q)=ψ(q+u)e^{iuP}\psi(q)=\psi(q+u),所以平移算符的核为 δ(q2q1+u)\delta(q_2-q_1+u)。再乘上两端的位置相位,得到

q2eiuP+ivQq1=eiv(q1+q2)/2δ(q2q1+u).(6.9)\langle q_2|e^{iuP+ivQ}|q_1\rangle =e^{iv(q_1+q_2)/2}\delta(q_2-q_1+u). \tag{6.9}

将这个核代回式(6.8),先作 uu 积分,delta函数令 u=(q2q1)u=-(q_2-q_1);再作 vv 积分,两个位置相位与傅里叶相位合并后令 q=(q1+q2)/2q=(q_1+q_2)/2。于是

q2HWq1=dp2πeip(q2q1)H ⁣(p,q1+q22).(6.10)\langle q_2|H_W|q_1\rangle =\int\frac{dp}{2\pi}\, e^{ip(q_2-q_1)} H\!\left(p,\frac{q_1+q_2}{2}\right). \tag{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)=pqH(p,q)=pq,式(6.8)的混合二阶项给出 HW=(PQ+QP)/2=i(qq+12)H_W=(PQ+QP)/2=-i(q\partial_q+\tfrac12);其中 1/21/2 来自对 qq 的求导,正是排序所留下的量子修正。

eiHWδte^{-iH_W\delta t} 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\bar q_j=(q_{j+1}+q_j)/2,而不再是原先端点分解中的 qjq_j。将各段相乘,得到

K=limN[j=1Ndqj][j=0Ndpj2π]exp ⁣{ij=0N[pj(qj+1qj)δtH(pj,qˉj)]}.(6.11)\mathcal K =\lim_{N\to\infty} \int\left[\prod_{j=1}^{N}dq_j\right] \left[\prod_{j=0}^{N}\frac{dp_j}{2\pi}\right] \exp\!\left\{ i\sum_{j=0}^{N} \left[p_j(q_{j+1}-q_j) -\delta t\,H(p_j,\bar q_j)\right]\right\}. \tag{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)P^2/(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+1qj)/δt\dot q_j=(q_{j+1}-q_j)/\delta t 后,指数中的求和就有了相空间作用量 dt[pq˙H]\int dt\,[p\dot q-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)=qq(t)=qDqDpexp ⁣{ittdt[p(t)q˙(t)H(p(t),q(t))]}.(6.12)\mathcal K =\int_{q(t')=q'}^{q(t'')=q''}\mathcal Dq\,\mathcal Dp\, \exp\!\left\{ i\int_{t'}^{t''}dt\,[p(t)\dot q(t)-H(p(t),q(t))] \right\}. \tag{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\mathcal Dq\,\mathcal Dp 指刚才定义的切片测度,q˙\dot 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 pjp_j 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\operatorname{Re}a>0,定义 I(a,b)=dpeap2+ibp/(2π)I(a,b)=\int dp\,e^{-ap^2+ibp}/(2\pi)。先令 b=0b=0,把不含 1/(2π)1/(2\pi) 的一维积分平方,改写为二维平面积分,再使用极坐标:

(dpeap2)2=2π0drrear2=πa.\left(\int_{-\infty}^{\infty}dp\,e^{-ap^2}\right)^2 =2\pi\int_0^\infty dr\,r e^{-ar^2}=\frac{\pi}{a}.

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 aa 上为正、向整个右半平面连续延拓的分支。对于一般实 bb,无需重新计算二重积分:对 dppeap2+ibp=0\int dp\,\partial_p e^{-ap^2+ibp}=0 分部积分,便得到 bI=bI/(2a)\partial_b I=-bI/(2a)。解这个一阶方程,并以刚才 b=0b=0 的结果定出常数,就有

I(a,b)=14πaexp ⁣(b24a).(6.13)I(a,b)=\frac1{\sqrt{4\pi a}}\exp\!\left(-\frac{b^2}{4a}\right). \tag{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)a=\eta+i\delta t/(2m),保持 η>0\eta>0 时先完成积分,最后取 η0\eta\downarrow0。由于 δt>0\delta t>0,沿这条路径得到

dp2πexp ⁣[iδt2mp2+ipΔq]=(m2πiδt)1/2exp ⁣[im(Δq)22δt],i1/2=eiπ/4.(6.14)\int\frac{dp}{2\pi} \exp\!\left[-\frac{i\delta t}{2m}p^2+ip\Delta q\right] =\left(\frac{m}{2\pi i\delta t}\right)^{1/2} \exp\!\left[\frac{im(\Delta q)^2}{2\delta t}\right], \quad i^{-1/2}=e^{-i\pi/4}. \tag{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 pjp_j 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=limN(m2πiδt)(N+1)/2j=1Ndqjexp ⁣{ij=0Nδt[m2(qj+1qjδt)2V(qj)]}.(6.15)\begin{aligned} \mathcal K =\lim_{N\to\infty} \left(\frac{m}{2\pi i\delta t}\right)^{(N+1)/2} \int\prod_{j=1}^{N}dq_j\, \exp\!\left\{ i\sum_{j=0}^{N}\delta t \left[\frac m2\left(\frac{q_{j+1}-q_j}{\delta t}\right)^2 -V(q_j^\star)\right]\right\}. \end{aligned} \tag{6.15}

这里 qj=qjq_j^\star=q_j 表示先前的端点分解,qj=qˉjq_j^\star=\bar q_j 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(N+1)/2;内部位置只有 NN 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=limN(m2πiδt)(N+1)/2j=1Ndqj,L(q˙,q)=m2q˙2V(q),(6.16)\mathcal Dq =\lim_{N\to\infty} \left(\frac{m}{2\pi i\delta t}\right)^{(N+1)/2} \prod_{j=1}^{N}dq_j,\qquad L(\dot q,q)=\frac m2\dot q^2-V(q), \tag{6.16}

Dq\mathcal 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˙p22mV=12m(pmq˙)2+m2q˙2V.(6.17)p\dot q-\frac{p^2}{2m}-V =-\frac1{2m}(p-m\dot q)^2+\frac m2\dot q^2-V. \tag{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˙p=m\dot q 处的指数。这个驻点满足关系 q˙=H/p\dot q=\partial H/\partial 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 pp 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)=12a(q)p2+b(q)p+c(q)H(p,q)=\tfrac12a(q)p^2+b(q)p+c(q)a(q)>0a(q)>0,仍可完成平方,得到

p=q˙b(q)a(q),L=[q˙b(q)]22a(q)c(q),每段前因子=12πiδta(qˉj).(6.18)p_*=\frac{\dot q-b(q)}{a(q)},\qquad L=\frac{[\dot q-b(q)]^2}{2a(q)}-c(q), \qquad \text{每段前因子}=\frac1{\sqrt{2\pi i\delta t\,a(\bar q_j)}}. \tag{6.18}

aa 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=0a=0 的情形,动量只以一次幂出现,相应积分成为

dp2πeiδtp(q˙b)=δ(δt(q˙b)),\int\frac{dp}{2\pi}\,e^{i\delta t\,p(\dot q-b)} =\delta(\delta t(\dot q-b)),

这个积分约束路径满足 q˙=b(q)\dot 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

V=0V=0,把剩下的 qjq_j积分逐个做完。将一个时间段的核记作

Kτ(x,y)=(m2πiτ)1/2exp ⁣[im(xy)22τ],τ>0.(6.19)K_\tau(x,y) =\left(\frac{m}{2\pi i\tau}\right)^{1/2} \exp\!\left[\frac{im(x-y)^2}{2\tau}\right], \qquad \tau>0. \tag{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)\int dq\,K_\tau(x,q)K_\sigma(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:

(xq)2τ+(qy)2σ=τ+στσ(qσx+τyτ+σ)2+(xy)2τ+σ.(6.20)\frac{(x-q)^2}{\tau}+\frac{(q-y)^2}{\sigma} =\frac{\tau+\sigma}{\tau\sigma} \left(q-\frac{\sigma x+\tau y}{\tau+\sigma}\right)^2 +\frac{(x-y)^2}{\tau+\sigma}. \tag{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)Δq=0\Delta q=0 时的复共轭,并去掉测度中的 1/(2π)1/(2\pi),便可积分带正号的二次相位,得到 2πiτσ/[m(τ+σ)]\sqrt{2\pi i\tau\sigma/[m(\tau+\sigma)]}。这个因子与原先两个核的前因子相乘,化为 m/[2πi(τ+σ)]\sqrt{m/[2\pi i(\tau+\sigma)]};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)\int dq\,K_\tau(x,q)K_\sigma(q,y)=K_{\tau+\sigma}(x,y). \tag{6.21}

上述平方和平移可以先在收敛积分中完成:令 ττ(1iϵ)\tau\to\tau(1-i\epsilon)σσ(1iϵ)\sigma\to\sigma(1-i\epsilon),其中 ϵ>0\epsilon>0。由于两段时间乘以同一个因子,平方中心 (σx+τy)/(τ+σ)(\sigma x+\tau y)/(\tau+\sigma) 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 ϵ0\epsilon\downarrow0,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 q1q_1,把前两段合为 2δt2\delta t;再积 q2q_2,把合成的时间延长为 3δt3\delta t。依此积掉所有内部位置,最终只剩总时间 T=(N+1)δtT=(N+1)\delta t

K0(q,t;q,t)=(m2πiT)1/2exp ⁣[im(qq)22T].(6.22)\mathcal K_0(q'',t'';q',t') =\left(\frac{m}{2\pi iT}\right)^{1/2} \exp\!\left[\frac{im(q''-q')^2}{2T}\right]. \tag{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:

qeiP2T/(2m)q=dp2πeiTp2/(2m)+ip(qq)=(m2πiT)1/2eim(qq)2/(2T).(6.23)\begin{aligned} \langle q''|e^{-iP^2T/(2m)}|q'\rangle &=\int\frac{dp}{2\pi}\, e^{-iTp^2/(2m)+ip(q''-q')}\\ &=\left(\frac{m}{2\pi iT}\right)^{1/2} e^{im(q''-q')^2/(2T)}. \end{aligned} \tag{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 \hbar,每段的作用量相位应除以 \hbar,同时 qp\langle q|p\rangle 的归一化变为 (2π)1/2(2\pi\hbar)^{-1/2},因而

K0=(m2πiT)1/2exp ⁣[im(qq)22T].(6.24)\mathcal K_0 =\left(\frac{m}{2\pi i\hbar T}\right)^{1/2} \exp\!\left[\frac{im(q''-q')^2}{2\hbar T}\right]. \tag{6.24}

这个核具有逆长度量纲,与初态波函数对 dqdq' 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 T0T\to0 的分布极限中,动量表示退回 dpeip(qq)//(2π)=δ(qq)\int dp\,e^{ip(q''-q')/\hbar}/(2\pi\hbar)=\delta(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,tQ(t1)q,t\langle q'',t''|Q(t_1)|q',t'\rangle,其中 t<t1<tt'<t_1<t'';转回薛定谔绘景,它写为

q,tQ(t1)q,t=qeiH(tt1)QeiH(t1t)q.(6.25)\langle q'',t''|Q(t_1)|q',t'\rangle =\langle q''|e^{-iH(t''-t_1)} Qe^{-iH(t_1-t')}|q'\rangle. \tag{6.25}

t1t_1 落在一个切点上,在 QQ 两边各插入位置完备态。由于 q+Qq=qδ(q+q)\langle q_+|Q|q_-\rangle=q_-\delta(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)q(t_1)。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,tQ(t1)q,t=DpDqq(t1)eiS,S=ttdt[pq˙H].(6.26)\langle q'',t''|Q(t_1)|q',t'\rangle =\int\mathcal Dp\,\mathcal Dq\,q(t_1)e^{iS}, \qquad S=\int_{t'}^{t''}dt\,[p\dot q-H]. \tag{6.26}

对两个插入,若 t1<t2t_1<t_2,切开演化便有 eiH(tt2)QeiH(t2t1)QeiH(t1t)e^{-iH(t''-t_2)}Qe^{-iH(t_2-t_1)}Qe^{-iH(t_1-t')}。较晚的算符自然位于左边。若 t2<t1t_2<t_1,两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)q(t_1)q(t_2) 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,tT{Q(t1)Q(t2)}q,t.(6.27)\int\mathcal Dp\,\mathcal Dq\,q(t_1)q(t_2)e^{iS} =\langle q'',t''|T\{Q(t_1)Q(t_2)\}|q',t'\rangle. \tag{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)q(t_j)。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 pjp_j。不同时间的 QQPP 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 pqpq 对应 (PQ+QP)/2(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]\mathcal F[f] 依赖于整个函数 f(t)f(t),其导数由任意小变化 δf\delta f 下的一阶变化定义:

F[f+δf]F[f]=dtδFδf(t)δf(t)+O(δf2).(6.28)\mathcal F[f+\delta f]-\mathcal F[f] =\int dt\,\frac{\delta\mathcal F}{\delta f(t)}\delta f(t) +O(\delta f^2). \tag{6.28}

最简单的例子是 F[f]=f(t2)\mathcal F[f]=f(t_2)。把它的变化写成 δf(t2)=dt1δ(t1t2)δf(t1)\delta f(t_2)=\int dt_1\,\delta(t_1-t_2)\delta f(t_1),再与定义比较,就得到

δf(t2)δf(t1)=δ(t1t2).(6.29)\frac{\delta f(t_2)}{\delta f(t_1)} =\delta(t_1-t_2). \tag{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 δdta(t)f(t)2/δf(s)=2a(s)f(s)\delta\int dt\,a(t)f(t)^2/\delta f(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\delta\mathcal F=\sum_j(\partial\mathcal F/\partial f_j)\delta f_j,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

δδf(tj)  1δtfj,δ(tjtk)  δjkδt.(6.30)\frac{\delta}{\delta f(t_j)} \ \longleftrightarrow\ \frac1{\delta t}\frac{\partial}{\partial f_j}, \qquad \delta(t_j-t_k)\ \longleftrightarrow\ \frac{\delta_{jk}}{\delta t}. \tag{6.30}

泛函导数中的 1/δt1/\delta t 正好补偿作用量求和中的 δt\delta t,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)=Hf(t)Qh(t)PH_{f,h}(t)=H-f(t)Q-h(t)P。其中 ff 是作用在位置上的通常外力,hh 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+ittdt[f(t)q(t)+h(t)p(t)]}.(6.31)\mathcal K[f,h] =\int\mathcal Dp\,\mathcal Dq\, \exp\!\left\{ iS+i\int_{t'}^{t''}dt\,[f(t)q(t)+h(t)p(t)] \right\}. \tag{6.31}

对外源求一次导数,指数便带下 iqiqipip。为了直接得到插入因子,记 Df(t)=i1δ/δf(t)D_f(t)=i^{-1}\delta/\delta f(t)Dh(t)=i1δ/δh(t)D_h(t)=i^{-1}\delta/\delta h(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]=DpDqq(t1)eiS+i(fq+hp),Df(t1)Df(t2)K[f,h]=DpDqq(t1)q(t2)eiS+i(fq+hp),Dh(t1)K[f,h]=DpDqp(t1)eiS+i(fq+hp).(6.32)\begin{aligned} D_f(t_1)\mathcal K[f,h] &=\int\mathcal Dp\,\mathcal Dq\,q(t_1)e^{iS+i\int(fq+hp)},\\ D_f(t_1)D_f(t_2)\mathcal K[f,h] &=\int\mathcal Dp\,\mathcal Dq\,q(t_1)q(t_2)e^{iS+i\int(fq+hp)},\\ D_h(t_1)\mathcal K[f,h] &=\int\mathcal Dp\,\mathcal Dq\,p(t_1)e^{iS+i\int(fq+hp)}. \end{aligned} \tag{6.32}

先完成所需次数的微分,再令 f=h=0f=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,tT{Q(t1)P(s1)}q,t=Df(t1)Dh(s1)K[f,h]f=h=0.(6.33)\langle q'',t''|T\{Q(t_1)\cdots P(s_1)\cdots\}|q',t'\rangle = \left. D_f(t_1)\cdots D_h(s_1)\cdots\mathcal K[f,h] \right|_{f=h=0}. \tag{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)H=p^2/(2m)+V(q),在保留非零 hh 的情况下,对 p(q˙+h)p2/(2m)p(\dot q+h)-p^2/(2m) 完成平方。动量积分给出

K[f,h]=Dqexp ⁣{idt[m2(q˙+h)2V(q)+fq]}.(6.34)\mathcal K[f,h] =\int\mathcal Dq\, \exp\!\left\{i\int dt \left[\frac m2(\dot q+h)^2-V(q)+fq\right]\right\}. \tag{6.34}

现在作用一次 DhD_h,会从指数中带下 m(q˙+h)m(\dot 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 hh。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(t1t2)]eiSL.(6.35)\left.D_h(t_1)D_h(t_2)\mathcal K[f,h]\right|_0 =\int\mathcal Dq\, \left[m^2\dot q(t_1)\dot q(t_2)-im\delta(t_1-t_2)\right]e^{iS_L}. \tag{6.35}

这里 SL=dtLS_L=\int dt\,L。第二项中的 i-i 来自 1/i1/i;在切片上,正是 Dh,j=1/(iδt)hjD_{h,j}=1/(i\delta t)\,\partial_{h_j} 再次作用于 mhjmh_j 所产生的项。因此,积掉动量后计算 PPPP 插入,除了速度乘积,还必须包括这个接触项。若只需要 QQ 的关联函数,则可从一开始取 h=0h=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\psi_{\rm in} 和末态波函数 ψout\psi_{\rm out},只要将传播核乘以 ψout(q)ψin(q)\psi_{\rm out}^*(q'')\psi_{\rm in}(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 HH 有唯一、可归一化的基态 0|0\rangle,将能量零点平移到 E0=0E_0=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=nψn(q)eiEntn,ψn(q)=qn.(6.36)|q',t'\rangle =\sum_n\psi_n(q')^*e^{iE_nt'}|n\rangle, \qquad \psi_n(q)=\langle q|n\rangle . \tag{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(1iϵ)HH\to(1-i\epsilon)H,其中 ϵ>0\epsilon>0,再写 t=Tt'=-T,各能量分量便带有 eiEnTeϵEnTe^{-iE_nT}e^{-\epsilon E_nT}。保持 ϵ\epsilon固定并令 TT\to\infty,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\chiqq' 涂抹。只要它与基态的重叠 c0=0χ0c_0=\langle0|\chi\rangle\ne0,就得到

eiHTϵHTχc00.(6.37)e^{-iHT-\epsilon HT}|\chi\rangle \longrightarrow c_0|0\rangle . \tag{6.37}

若存在能隙 Δ>0\Delta>0,基态正交分量的范数至多为 eϵΔTχc00e^{-\epsilon\Delta T}\|\chi-c_0|0\rangle\|,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 χouteiHTϵHT\langle\chi_{\rm out}|e^{-iHT-\epsilon HT},长时间极限留下 χout00\langle\chi_{\rm out}|0\rangle\langle0|。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\chi_{\rm in},\chi_{\rm out} 的振幅记为 AT,ϵ[f,h]\mathcal A_{T,\epsilon}[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]=limϵ0limTAT,ϵ[f,h]AT,ϵ[0,0],Z[0,0]=1.(6.38)Z[f,h] =\lim_{\epsilon\downarrow0}\lim_{T\to\infty} \frac{\mathcal A_{T,\epsilon}[f,h]} {\mathcal A_{T,\epsilon}[0,0]}, \qquad Z[0,0]=1. \tag{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\epsilon>0时取长时间极限选出基态,再令 ϵ0\epsilon\downarrow0,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]=NDpDqexp ⁣{i+dt[pq˙(1iϵ)H+fq+hp]},(6.39)Z[f,h] =\mathcal N\int\mathcal Dp\,\mathcal Dq\, \exp\!\left\{ i\int_{-\infty}^{+\infty}dt [p\dot q-(1-i\epsilon)H+fq+hp] \right\}, \tag{6.39}

常数 N\mathcal NZ[0,0]=1Z[0,0]=1 确定,ϵ\epsilon 的极限按前式理解。至此,式(6.33)中的两端态已换成真空;对 ZZ 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+H1H=H_0+H_1,其中 H0H_0 可解,H1H_1 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:

eidtH1(p,q)=r=0(i)rr!=1rdtH1(p(t),q(t)).(6.40)e^{-i\int dt\,H_1(p,q)} =\sum_{r=0}^{\infty}\frac{(-i)^r}{r!} \prod_{\ell=1}^{r}\int dt_\ell\,H_1(p(t_\ell),q(t_\ell)). \tag{6.40}

每项中的 p(t)p(t_\ell) 可以由 Dh(t)D_h(t_\ell) 从外源指数取出,q(t)q(t_\ell) 则由 Df(t)D_f(t_\ell) 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 ⁣[idtH1(Dh(t),Df(t))]Z0[f,h].(6.41)\mathcal Z[f,h] =\exp\!\left[-i\int dt\,H_1(D_h(t),D_f(t))\right] Z_0[f,h]. \tag{6.41}

这里的 Z0Z_0 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 H1H_1 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 H1H_1 的Weyl符号相同的处方。上式为简洁省略了 ϵ\epsilon;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 Z0Z_0 后,零源值一般会变化,所以即使原先 Z0[0,0]=1Z_0[0,0]=1,仍须重新取比值:

Z[f,h]=Z[f,h]Z[0,0].(6.42)Z[f,h]=\frac{\mathcal Z[f,h]}{\mathcal Z[0,0]}. \tag{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!H_1=\lambda Q^4/4!,将式(6.41)保留到 λ\lambda 的一次项。对于一组由源导数产生的插入 O\mathcal O,把分子和分母分别展开,再取二者之比,得到

TO=TO0iλ4!dt[T{OQ0(t)4}0TO0Q0(t)40]+O(λ2).(6.43)\begin{aligned} \langle T\mathcal O\rangle ={}&\langle T\mathcal O\rangle_0 -\frac{i\lambda}{4!}\int dt\, \bigl[ \langle T\{\mathcal O Q_0(t)^4\}\rangle_0\\ &\hspace{9em} -\langle T\mathcal O\rangle_0\langle Q_0(t)^4\rangle_0 \bigr]+O(\lambda^2). \end{aligned} \tag{6.43}

下标0表示矩阵元按 H0H_0 计算。方括号中的第二个乘积来自分母展开 (1+λa)1=1λa+O(λ2)(1+\lambda a)^{-1}=1-\lambda a+O(\lambda^2),恰好减去与 O\mathcal 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。

H1H_1 只依赖 qq,所求的又只是 QQ 的关联函数,便可以令 h=0h=0。进一步,若 HHpp 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+L1L=L_0+L_1L1(q)=H1(q)L_1(q)=-H_1(q)。微扰公式于是化为拉格朗日形式:

Z[f]=exp ⁣[idtL1(Df(t))]Z0[f],Z0[f]=N0Dqexp ⁣{idt[L0(q˙,q)+f(t)q(t)]},Z[f]=Z[f]Z[0].(6.44)\begin{aligned} \mathcal Z[f] &=\exp\!\left[i\int dt\,L_1(D_f(t))\right]Z_0[f],\\ Z_0[f] &=\mathcal N_0\int\mathcal Dq\, \exp\!\left\{i\int dt\,[L_0(\dot q,q)+f(t)q(t)]\right\}, \qquad Z[f]=\frac{\mathcal Z[f]}{\mathcal Z[0]}. \end{aligned} \tag{6.44}

指数中的 iH1-iH_1 因而改写为 +iL1+iL_1,因为这里 L1=H1L_1=-H_1。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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文章标题:Srednicki §6 量子力学中的路径积分

文章作者:Whitney

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