Srednicki §8 自由场论的路径积分

26 年 9 月 14 日 星期一
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自由标量场可以分解为一组独立的谐振子,每个动量模式的频率由自由粒子的能量决定。把上一节的高斯积分用于全部模式,就能求出自由场的外源生成泛函;二次核的逆给出费曼传播子,源导数则生成场的时间序关联函数。

把场看成一组耦合振子

从自由标量场的哈密顿量出发:

H0=d3xH0,H0=12Π2+12(φ)2+12m2φ2.(8.1)H_0=\int d^3x\,\mathcal H_0,\qquad \mathcal H_0=\frac12\Pi^2+ \frac12(\nabla\varphi)^2+\frac12m^2\varphi^2. \tag{8.1}

沿用 c==1c=\hbar=1(,+,+,+)(-,+,+,+) 度规,先取 m>0m>0。与谐振子相比,场的坐标还要标明空间中的哪个点:路径中的普通坐标 q(t)q(t) 推广为普通实函数 φ(x,t)\varphi(\mathbf x,t),位置算符 Q(t)Q(t) 推广为场算符 φ(x,t)\varphi(\mathbf x,t),外源则由 f(t)f(t) 推广为 J(x,t)J(\mathbf x,t)。因此,路径积分中的 φ\varphi 表示待积的场位形,而矩阵元中的 φ\varphi 表示算符;两者的角色由所在表达式区分。

先把这个对应放在有限系统中看清。将空间置于有限周期盒,格距记为 aa,格点用 r,sr,s 标记。等时场对易关系离散后为

[φr,Πs]=ia3δrs.qr=a3/2φr,pr=a3/2Πr[qr,ps]=iδrs.(8.2)[\varphi_r,\Pi_s]=\frac{i}{a^3}\delta_{rs}. \qquad q_r=a^{3/2}\varphi_r,\quad p_r=a^{3/2}\Pi_r \quad\Longrightarrow\quad [q_r,p_s]=i\delta_{rs}. \tag{8.2}

其中 a3a^{-3} 来自空间delta函数的归一化,因为 a3sδrs/a3=1a^3\sum_s\delta_{rs}/a^3=1。按上式重标度后,每个 qr,prq_r,p_r 恰好成为一对普通正则坐标,哈密顿量相应写成

H0=12rpr2+12rsqrKrsqs,K=m2Ia2.(8.3)H_0=\frac12\sum_r p_r^2+\frac12\sum_{rs}q_rK_{rs}q_s, \qquad K=m^2I-\nabla_a^2. \tag{8.3}

势能中的梯度平方耦合相邻格点;在傅里叶模式中,这种耦合转化为不同的振动频率。最近邻差分作用于 eikxre^{i\mathbf k\cdot\mathbf x_r} 时,每个方向给出 [eikja+eikja2]/a2=4sin2(kja/2)/a2[e^{ik_ja}+e^{-ik_ja}-2]/a^2=-4\sin^2(k_ja/2)/a^2,于是 KK 的本征值为

ωk,a2=m2+4a2j=13sin2kja2  k2+m2.(8.4)\omega_{\mathbf k,a}^2 =m^2+\frac4{a^2}\sum_{j=1}^{3}\sin^2\frac{k_ja}{2} \ \longrightarrow\ \mathbf k^2+m^2. \tag{8.4}

由于 KK 实对称且正定,可以用实正交矩阵对角化。对 q,pq,p 同作这个变换,就得到一组彼此独立的谐振子,且Jacobian的绝对值为一。也可以使用复傅里叶模式,但实场的正、负动量分量互为共轭,所代表的仍是同一组实自由度。

与坐标的重标度相配,外源的对应也要包含胞元体积:

d3xJφ  ra3Jrφr=rFrqr,Fr=a3/2Jr.(8.5)\int d^3x\,J\varphi \ \longrightarrow\ \sum_r a^3J_r\varphi_r =\sum_rF_rq_r,\qquad F_r=a^{3/2}J_r. \tag{8.5}

在某一时刻指定全部 qrq_r,就是给定一次场位形;让这些坐标随时间演化,便得到场位形空间中的路径。因此,我们可以对每个格点使用第6节的时间切片。若空间有 NsN_s 个格点,时间分成 Nt+1N_t+1 段,逐段积掉全部正则动量后,位置测度为

(12πiδt)(Nt+1)Ns/2j=1Ntr=1Nsdqrj.(8.6)\left(\frac1{2\pi i\delta t}\right)^{(N_t+1)N_s/2} \prod_{j=1}^{N_t}\prod_{r=1}^{N_s}dq_{rj}. \tag{8.6}

转回场值时,还有 dq=a3NtNs/2dφ\prod dq=a^{3N_tN_s/2}\prod d\varphi。这些常数都与外源无关,连同真空端点因子一起由零源归一化确定,因而可简记为 Dφxdφ(x)\mathcal D\varphi\propto\prod_x d\varphi(x)。这一符号所代表的,是有限盒、空间格点和时间切片的相应极限。

真空泛函与质量的无穷小虚部

与谐振子一样,场论积分也要保留选择真空的收敛处方。令 α=1iϵ0\alpha=1-i\epsilon_0,把整个 H0H_0 乘以 α\alpha,再对每个空间模式完成动量平方,所得受调节拉格朗日密度为

Lϵ0+Jφ=12αφ˙2α2[(φ)2+m2φ2]+Jφ.(8.7)\mathcal L_{\epsilon_0}+J\varphi =\frac1{2\alpha}\dot\varphi^2 -\frac{\alpha}{2}\big[(\nabla\varphi)^2+m^2\varphi^2\big] +J\varphi. \tag{8.7}

对于固定的 k\mathbf k,这一计算就是上一节的谐振子,只须代入 ω=ωk=k2+m2\omega=\omega_{\mathbf k}=\sqrt{\mathbf k^2+m^2}。频率作用量中的二次核为 (k0)2/ααωk2(k^0)^2/\alpha-\alpha\omega_{\mathbf k}^2,其零点在 k0=±αωkk^0=\pm\alpha\omega_{\mathbf k},所以正能极点仍在实轴下方,负能极点在上方。

同一边界处方还可以用质量平方的微小负虚部表示。为与无量纲的 ϵ0\epsilon_0区分,令 m2m2iηm^2\to m^2-i\eta,其中 η>0\eta>0,并定义

Dη=2+m2iη,Dη(k)=k2+m2iη,k2=(k0)2+k2.(8.8)D_\eta=-\partial^2+m^2-i\eta,\qquad D_\eta(k)=k^2+m^2-i\eta, \qquad k^2=-(k^0)^2+\mathbf k^2. \tag{8.8}

这项质量虚部是对实轴边界值的简洁表示。精确二次核的相反数为 αωk2(k0)2/α\alpha\omega_{\mathbf k}^2-(k^0)^2/\alpha,一阶虚部为 iϵ0[(k0)2+ωk2]-i\epsilon_0[(k^0)^2+\omega_{\mathbf k}^2];两个质量壳点上的正权重均等于 2ωk22\omega_{\mathbf k}^2,因此它与 Dη(k)D_\eta(k) 指定相同的极点方向。两种调节量的量纲不同:η\eta 为质量平方,ϵ0\epsilon_0 则无量纲。

采用这一记法,自由场泛函可写为

Z0[J]=NηDφeiS0[φ,J],Z0[0]=1,S0[φ,J]=d4x[12μφμφ12(m2iη)φ2+Jφ].(8.9)\begin{aligned} Z_0[J]&=\mathcal N_\eta\int\mathcal D\varphi\, e^{iS_0[\varphi,J]},\qquad Z_0[0]=1,\\ S_0[\varphi,J]&=\int d^4x\left[ -\frac12\partial^\mu\varphi\,\partial_\mu\varphi -\frac12(m^2-i\eta)\varphi^2+J\varphi\right]. \end{aligned} \tag{8.9}

常数 Nη\mathcal N_\eta 包含除以无源振幅的归一化,第3节对零点能的平移也可在此统一处理。在有限实模式下,作用量中的 +iηφ2/2+i\eta\varphi^2/2 使积分含有 eηd4xφ2/2e^{-\eta\int d^4x\,\varphi^2/2},所以接下来的高斯运算具有所需的衰减。

四维 傅里叶 变换与完成平方

与上一节对时间的变换相仿,现在对全部时空坐标作傅里叶变换,使自由二次作用量在四动量中对角化。定义四维傅里叶变换为

φ~(k)=d4xeikxφ(x),φ(x)=d4k(2π)4eikxφ~(k),kx=k0t+kx.(8.10)\widetilde\varphi(k)=\int d^4x\,e^{-ikx}\varphi(x), \qquad \varphi(x)=\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4}e^{ikx}\widetilde\varphi(k), \qquad kx=-k^0t+\mathbf k\cdot\mathbf x. \tag{8.10}

JJ 也采用同一变换。这里的 k0k^0 与空间动量一样,是独立积分变量,还没有取成在壳能量 ωk\omega_{\mathbf k}。每个场导数由 μeikx=ikμeikx\partial_\mu e^{ikx}=ik_\mu e^{ikx} 转换成动量因子,而时空积分给出

d4xei(k+k)x=(2π)4δ4(k+k).(8.11)\int d^4x\,e^{i(k+k')x}=(2\pi)^4\delta^4(k+k'). \tag{8.11}

先看动能项的符号。将两份场的傅里叶积分代入,两个 ii 与拉氏量前的负号相乘,得到 12kμkμ\frac12 k^\mu k'_\mu;随后delta函数令 k=kk'=-k,于是该系数变成 12k2-\frac12 k^2。再加上质量项,将源项对称写开,得到

S0=12d4k(2π)4[φ~(k)Dη(k)φ~(k)+J~(k)φ~(k)+J~(k)φ~(k)].(8.12)\begin{aligned} S_0=\frac12\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4} \big[& -\widetilde\varphi(k)D_\eta(k)\widetilde\varphi(-k)\\ &+\widetilde J(k)\widetilde\varphi(-k) +\widetilde J(-k)\widetilde\varphi(k)\big]. \end{aligned} \tag{8.12}

两份源项经 kkk\leftrightarrow-k 换元后相等,外面的 1/21/2 因而正好恢复原系数。也可以先在坐标空间分部积分;当边界项已按所选端点处方处理后,作用量为 S0=12φDηφ+JφS_0=-\frac12\int\varphi D_\eta\varphi+\int J\varphi,与上面的频域二次型一致。

第7节的二次核 A=E2ω2+i0A=E^2-\omega^2+i0在这里对应 D-D。相应的完成平方采用平移

χ~(k)=φ~(k)J~(k)Dη(k).(8.13)\widetilde\chi(k)=\widetilde\varphi(k) -\frac{\widetilde J(k)}{D_\eta(k)}. \tag{8.13}

φ~=χ~+Dη1J~\widetilde\varphi=\widetilde\chi+D_\eta^{-1}\widetilde J 代回式(8.12),负二次项产生的两份负交叉项被显式源项分别消去;剩余源平方项的系数为 1+1+1=1-1+1+1=1。作用量因而成为

S0=12d4k(2π)4[J~(k)J~(k)Dη(k)χ~(k)Dη(k)χ~(k)].(8.14)S_0=\frac12\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4} \left[ \frac{\widetilde J(k)\widetilde J(-k)}{D_\eta(k)} -\widetilde\chi(k)D_\eta(k)\widetilde\chi(-k) \right]. \tag{8.14}

原来的场变量已经与外源分开。要在积分中使用这个复平移,可直接沿用式(7.15)的恒等式,并把本题的核和测度代入。若四维离散胞元体积为 v4v_4,相应矩阵取 A=v4DηA=-v_4D_\eta,源列向量取 v4Jv_4J。矩阵的虚部为正定的 v4ηIv_4\eta I,因此

I(v4J)I(0)=exp ⁣[i2(v4J)T(v4Dη)1(v4J)]=exp ⁣[i2v4JTDη1J].(8.15)\frac{I(v_4J)}{I(0)} =\exp\!\left[ -\frac i2(v_4J)^T(-v_4D_\eta)^{-1}(v_4J)\right] =\exp\!\left[\frac i2v_4J^TD_\eta^{-1}J\right]. \tag{8.15}

从矩阵逆转为连续积分核时,还要计入求和的体积因子:离散核是 (Δη)rs=(Dη1)rs/v4(\Delta_\eta)_{rs}=(D_\eta^{-1})_{rs}/v_4,所以上式右边等于 exp[(i/2)v42rsJr(Δη)rsJs]\exp[(i/2)v_4^2\sum_{rs}J_r(\Delta_\eta)_{rs}J_s],恰具有两个时空积分的形式。无源高斯因子、傅里叶变换的常数Jacobian和动量积分常数,则全在有源、无源的比值中相消。

将外源因子提出后,取相同的连续极限与真空边界极限,得到自由生成泛函:

Z0[J]=exp ⁣[i2d4k(2π)4J~(k)J~(k)k2+m2i0]=exp ⁣[i2d4xd4yJ(x)Δ(xy)J(y)],(8.16)\begin{aligned} Z_0[J] &=\exp\!\left[ \frac i2\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4} \frac{\widetilde J(k)\widetilde J(-k)}{k^2+m^2-i0}\right]\\ &=\exp\!\left[ \frac i2\int d^4x\,d^4y\, J(x)\Delta(x-y)J(y)\right], \end{aligned} \tag{8.16}

这里定义Feynman传播子(Feynman propagator):

Δ(z)=limη0Δη(z),Δη(z)=d4k(2π)4eikzk2+m2iη.(8.17)\Delta(z)=\lim_{\eta\downarrow0}\Delta_\eta(z), \qquad \Delta_\eta(z)=\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4} \frac{e^{ikz}}{k^2+m^2-i\eta}. \tag{8.17}

将双源指数从动量表示改写为坐标表示时,两份源的傅里叶相位最初给出 eik(xy)e^{-ik(x-y)};分母为偶函数,作 kkk\to-k 后便成为传播子定义中的相位。这个结果的量纲也与源作用量相符:[φ]=1[\varphi]=1[J]=3[J]=3[Δ]=2[\Delta]=2,所以双源指数的总质量维数为 3+3+28=03+3+2-8=0

作完能量积分

为了看出传播子怎样联系两个时空点,令 z=xy=(τ,r)z=x-y=(\tau,\mathbf r),先在式(8.17)中固定三动量并作 k0k^0 积分。它就是第7节的振子积分,替换为 E=k0E=k^0ω=ωk\omega=\omega_{\mathbf k} 即可。具体取 Ωk=ωk2iη\Omega_{\mathbf k}=\sqrt{\omega_{\mathbf k}^2-i\eta},正实部、负虚部的根位于下半平面。当 τ>0\tau>0 时,顺时针围道包围这一根,给出 i[eiΩkτ/(2Ωk)]-i[-e^{-i\Omega_{\mathbf k}\tau}/(2\Omega_{\mathbf k})];当 τ<0\tau<0 时,在上半平面取负根,给出 ieiΩkτ/(2Ωk)i e^{i\Omega_{\mathbf k}\tau}/(2\Omega_{\mathbf k})。再撤去 η\eta,得到

dk02πeik0τ(k0)2+ωk2i0=i2ωkeiωkτ.(8.18)\int\frac{dk^0}{2\pi} \frac{e^{-ik^0\tau}}{-(k^0)^2+\omega_{\mathbf k}^2-i0} =\frac{i}{2\omega_{\mathbf k}}e^{-i\omega_{\mathbf k}|\tau|}. \tag{8.18}

圆弧积分与式(7.20)(7.21)一样消失:所选半平面中的指数不增长,二次分母又提供 R2R^{-2} 的衰减。将结果代回剩余的三动量积分,得到

Δ(z)=id3k(2π)32ωkeikriωkτ.(8.19)\Delta(z) =i\int\frac{d^3k}{(2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf k}}\, e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r-i\omega_{\mathbf k}|\tau|}. \tag{8.19}

因此,在壳测度 dk~d\widetilde k 是作完能量积分之后才出现的;分母中的 2ωk2\omega_{\mathbf k} 正是简单极点留数所包含的导数因子。

为了把两支的时间次序显式写出,对负时间支将空间积分变量换成 k-\mathbf k,而 ωk\omega_{\mathbf k} 保持不变。这样就能用两份在壳积分写出传播子:

Δ(z)=iθ(τ)dk~eikz+iθ(τ)dk~eikz,k0=ωk.(8.20)\Delta(z) =i\theta(\tau)\int d\widetilde k\,e^{ikz} +i\theta(-\tau)\int d\widetilde k\,e^{-ikz}, \qquad k^0=\omega_{\mathbf k}. \tag{8.20}

第一支将正频率模式从较早的 y0y^0联系到较晚的 x0x^0,第二支交换两点的次序。它们共同组成真空时间序条件所选定的传播子。

外源作用后的响应由推迟Green函数描述。将两个能量极点都移到下半平面,定义

Δret(τ,r)=limϵ0d3kdE(2π)4eikriEτωk2(E+iϵ)2.\Delta_{\rm ret}(\tau,\mathbf r) =\lim_{\epsilon\downarrow0}\int\frac{d^3k\,dE}{(2\pi)^4} \frac{e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r-iE\tau}} {\omega_{\mathbf k}^2-(E+i\epsilon)^2}.

τ<0\tau<0时在上半平面闭合,内部没有极点,所以积分为零。当 τ>0\tau>0时,顺时针围道同时包围 E=ωkiϵE=\omega_{\mathbf k}-i\epsilonE=ωkiϵE=-\omega_{\mathbf k}-i\epsilon,两份留数相加给出

i[eiωkτ2ωk+eiωkτ2ωk]=sin(ωkτ)ωk,Δret(τ,r)=θ(τ)d3k(2π)3eikrsin(ωkτ)ωk.\begin{aligned} -i\left[-\frac{e^{-i\omega_{\mathbf k}\tau}}{2\omega_{\mathbf k}} +\frac{e^{i\omega_{\mathbf k}\tau}}{2\omega_{\mathbf k}}\right] &=\frac{\sin(\omega_{\mathbf k}\tau)}{\omega_{\mathbf k}},\\ \Delta_{\rm ret}(\tau,\mathbf r) &=\theta(\tau)\int\frac{d^3k}{(2\pi)^3} e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r} \frac{\sin(\omega_{\mathbf k}\tau)}{\omega_{\mathbf k}}. \end{aligned}

它在零时刻连续,时间导数从零跳到 δ3(r)\delta^3(\mathbf r),故同样满足 DΔret=δ4D\Delta_{\rm ret}=\delta^4。通过卷积 φJ(x)=d4yΔret(xy)J(y)\varphi_J(x)=\int d^4y\,\Delta_{\rm ret}(x-y)J(y),可得到外源作用前为零的受迫解。超前Green函数则把两个极点都移到上半平面,即采用 ωk2(Ei0)2\omega_{\mathbf k}^2-(E-i0)^2,得到

Δadv(τ,r)=θ(τ)d3k(2π)3eikrsin(ωkτ)ωk.\Delta_{\rm adv}(\tau,\mathbf r) =-\theta(-\tau)\int\frac{d^3k}{(2\pi)^3} e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r}\frac{\sin(\omega_{\mathbf k}\tau)}{\omega_{\mathbf k}}.

Green 方程中的接触项

传播子是自由二次核的逆,因此应满足相应的Green方程。先利用 2eikz=k2eikz\partial^2e^{ikz}=-k^2e^{ikz},在有限 η\eta 下直接作用波算符:

DηΔη(z)=d4k(2π)4eikz=δ4(z).(8.21)D_\eta\Delta_\eta(z) =\int\frac{d^4k}{(2\pi)^4}e^{ikz} =\delta^4(z). \tag{8.21}

分母被波算符抵消后只剩傅里叶表示的delta函数,取边界极限便有

(2+m2)Δ(z)=δ4(z).(8.22)(-\partial^2+m^2)\Delta(z)=\delta^4(z). \tag{8.22}

也可从式(8.19)的时间表示求出同一个delta源。两支在 τ=0\tau=0连续,一阶时间导数之差为

τΔ(0+,r)τΔ(0,r)=2dk~ωkeikr=d3k(2π)3eikr=δ3(r).(8.23)\begin{aligned} \partial_\tau\Delta(0^+,\mathbf r) -\partial_\tau\Delta(0^-,\mathbf r) &=2\int d\widetilde k\,\omega_{\mathbf k} e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r}\\ &=\int\frac{d^3k}{(2\pi)^3} e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r} =\delta^3(\mathbf r). \end{aligned} \tag{8.23}

这些等时关系按空间分布理解。离开 τ=0\tau=0,每个模式满足 (τ2+ωk2)eiωkτ=0(\partial_\tau^2+\omega_{\mathbf k}^2)e^{-i\omega_{\mathbf k}|\tau|}=0;原点处的一阶导数跳跃则使二阶导数产生 δ(τ)δ3(r)\delta(\tau)\delta^3(\mathbf r),这就给出完整的四维源。

也可以直接对式(8.20)中的阶跃函数求导,但须将所产生的 δ\deltaδ\delta' 一起保留。设两条平滑支的差为 F(τ)F(\tau),连续性给出 F(0)=0F(0)=0。从测试函数上的乘积法则可得

F(τ)δ(τ)=F(0)δ(τ)F(0)δ(τ).(8.24)F(\tau)\delta'(\tau) =F(0)\delta'(\tau)-F'(0)\delta(\tau). \tag{8.24}

所以二阶导数中暂时出现的 2Fδ+Fδ2F'\delta+F\delta' 最后只留下 F(0)δF'(0)\delta,与跳跃计算相同。

剩余空间积分的 Bessel 表示

剩余空间积分可用Bessel函数表示。第4节已求出等时类空核,现在只需把时间依赖接到同一积分中。为控制收敛,先取正实欧几里得时间 s>0s>0,定义

CE(s,r)=dk~eikrωks.(8.25)C_E(s,\mathbf r)= \int d\widetilde k\,e^{i\mathbf k\cdot\mathbf r-\omega_{\mathbf k}s}. \tag{8.25}

ss 为正,空间动量积分绝对收敛。引入辅助积分变量 k4k_4,在上半平面取极点 k4=iωkk_4=i\omega_{\mathbf k},便有 dk4eik4s/[2π(k42+ωk2)]=eωks/(2ωk)\int dk_4\,e^{ik_4s}/[2\pi(k_4^2+\omega_{\mathbf k}^2)] =e^{-\omega_{\mathbf k}s}/(2\omega_{\mathbf k})。因此 CEC_E 可以写为四维欧几里得逆核。再使用 1/(kE2+m2)=0dueu(kE2+m2)1/(k_E^2+m^2)=\int_0^\infty du\,e^{-u(k_E^2+m^2)},四个动量积分都化成高斯积分:

CE(s,r)=d4kE(2π)4eikEXkE2+m2=116π20duu2exp ⁣[m2uR24u],R=r2+s2>0.(8.26)\begin{aligned} C_E(s,\mathbf r) &=\int\frac{d^4k_E}{(2\pi)^4} \frac{e^{ik_EX}}{k_E^2+m^2}\\ &=\frac1{16\pi^2}\int_0^\infty\frac{du}{u^2} \exp\!\left[-m^2u-\frac{R^2}{4u}\right], \qquad R=\sqrt{r^2+s^2}>0 . \end{aligned} \tag{8.26}

每个方向给出 (4πu)1/2eXj2/(4u)(4\pi u)^{-1/2}e^{-X_j^2/(4u)},四者相乘便得到上式的系数和径向指数。交换积分时,可先将辅助参数限制在 u[ε,M]u\in[\varepsilon,M];完成四维高斯积分后,u0u\downarrow0 端由 eR2/(4u)e^{-R^2/(4u)} 控制,uu\to\infty 端则由质量指数控制。

此时剩余的正是式(4.14),只须把 rr 换为 RR。令 v=R2/(4u)v=R^2/(4u),Jacobian为 du/u2=4dv/R2du/u^2=-4\,dv/R^2;再代入式(4.16)已求出的 0dvev(mR)2/(4v)=mRK1(mR)\int_0^\infty dv\,e^{-v-(mR)^2/(4v)}=mR K_1(mR),即得

CE(s,r)=m4π2RK1(mR).(8.27)C_E(s,\mathbf r)=\frac{m}{4\pi^2R}K_1(mR). \tag{8.27}

接下来将欧几里得时间延拓回实时间。在复 ss 的右半平面,式(8.25)eωkRese^{-\omega_{\mathbf k}\operatorname{Re}s} 衰减而收敛,并定义解析函数;右边Bessel表达式取连续的同一平方根,也在这个区域解析。两边在正实轴的各阶导数相同,局部幂级数便相同,再用相接的收敛圆把等式延拓到整个右半平面。于是可从正实 ss 连续到达 s=δ+iτs=\delta+i|\tau|,其中 δ>0\delta>0,最后取边界值。由式(8.19)得到

Δ(z)=im4π2z2+i0K1 ⁣(mz2+i0),z2=r2τ2.(8.28)\Delta(z)= \frac{im}{4\pi^2\sqrt{z^2+i0}}\, K_1\!\left(m\sqrt{z^2+i0}\right), \qquad z^2=r^2-\tau^2 . \tag{8.28}

这个延拓同时指定平方根的分支:类空区域取正实根,类时区域从负实轴上方趋近,光锥上则按相应的分布边界值理解。

z2>0z^2>0 时,上式直接成为第4节类空核乘以 ii。若再取 m0m\to0,式(4.15)中的积分趋于一,传播子简化为

Δm=0(z)=i4π2(z2+i0).(8.29)\Delta_{m=0}(z)=\frac{i}{4\pi^2(z^2+i0)}. \tag{8.29}

传播子在光锥上具有奇异性;相互作用展开中的同点传播子 Δ(0)\Delta(0)将在调节后计算。

场关联函数与 Wick 配对

自由生成泛函一经求出,关联函数仍按第7节的方法产生。将每次位置源微分推广为四维源微分,得到

0Tφ(x1)φ(xn)0=a=1n1iδδJ(xa)Z0[J]J=0.(8.30)\langle0|T\varphi(x_1)\cdots\varphi(x_n)|0\rangle =\left. \prod_{a=1}^{n}\frac1i\frac{\delta}{\delta J(x_a)} Z_0[J]\right|_{J=0}. \tag{8.30}

泛函导数的归一化也与先前的胞元体积相配。沿式(8.5),四维源作用量写成 rv4Jrφr\sum_rv_4J_r\varphi_r,普通导数 /Jr\partial/\partial J_r 带下 iv4φriv_4\varphi_r。因此连续导数应对应 v41/Jrv_4^{-1}\partial/\partial J_r,而 δ4(xrxs)\delta^4(x_r-x_s) 对应 δrs/v4\delta_{rs}/v_4,这样每次微分才恰好产生一个场插入。

Fx[J]=d4yΔ(xy)J(y)F_x[J]=\int d^4y\,\Delta(x-y)J(y)Dx=i1δ/δJ(x)\mathscr D_x=i^{-1}\delta/\delta J(x)。由于 Δ(z)=Δ(z)\Delta(z)=\Delta(-z),对源二次型中两份源微分得到的项相同;按第7节的链式法则,前两次导数为

DxZ0=FxZ0,DyDxZ0=[Δ(xy)i+FxFy]Z0.(8.31)\mathscr D_xZ_0=F_xZ_0,\qquad \mathscr D_y\mathscr D_xZ_0 =\left[\frac{\Delta(x-y)}i+F_xF_y\right]Z_0 . \tag{8.31}

第一项已不含源,第二项则仍带两份源;因而在 J=0J=0 处只留下

C(x,y)0Tφ(x)φ(y)0=Δ(xy)i,Δ=iC.(8.32)C(x,y)\equiv\langle0|T\varphi(x)\varphi(y)|0\rangle =\frac{\Delta(x-y)}i,\qquad \Delta=iC . \tag{8.32}

传播子与时间序矩阵元由此相差一个 ii,以后书写图规则时也要沿用这个定义。于是 DΔ=δ4D\Delta=\delta^4 等价于 DC=iδ4DC=-i\delta^4,与第5节由时间序导数求出的接触项关系一致。

模式展开也给出同一结果。由第3节的场展开和式(3.20),有 φ(x)=dk~[aeikx+aeikx]\varphi(x)=\int d\widetilde k\,[ae^{ikx}+a^\dagger e^{-ikx}],利用真空湮灭条件,只保留湮灭算符在左、产生算符在右的一项:

0φ(x)φ(y)0=dk~dp~eikxipy(2π)32ωkδ3(kp)=dk~eik(xy).(8.33)\begin{aligned} \langle0|\varphi(x)\varphi(y)|0\rangle &=\int d\widetilde k\,d\widetilde p\, e^{ikx-ipy} (2\pi)^3\,2\omega_{\mathbf k}\delta^3(\mathbf k-\mathbf p)\\ &=\int d\widetilde k\,e^{ik(x-y)}. \end{aligned} \tag{8.33}

对易子系数抵消 p\mathbf p 测度中的 (2π)32ωp(2\pi)^3 2\omega_{\mathbf p},因而只剩一份在壳积分。对于 x0>y0x^0>y^0,使用上式;时间次序相反时,交换 x,yx,y,二者合起来恰好等于式(8.20)除以 ii

高阶关联的组合计数也可以直接沿用第7节。现在插入标号由时间改成时空点,每个配对的核由 GG 换成 Δ\Delta,源导数的分配方式不变。四个插入仍只有三种不同配对,所以四点函数为

0Tφ1φ2φ3φ40=1i2[Δ12Δ34+Δ13Δ24+Δ14Δ23],φa=φ(xa),Δab=Δ(xaxb).(8.34)\begin{aligned} \langle0|T\varphi_1\varphi_2\varphi_3\varphi_4|0\rangle =\frac1{i^2}\big[ &\Delta_{12}\Delta_{34} +\Delta_{13}\Delta_{24} +\Delta_{14}\Delta_{23}\big],\\ &\varphi_a=\varphi(x_a),\qquad \Delta_{ab}=\Delta(x_a-x_b). \end{aligned} \tag{8.34}

对于一般 2n2n 点函数,零源处只有源指数展开的第 nn 项有贡献。同一个无序配对出现 2nn!2^n n! 次,抵消该项的 2nn!2^n n! 分母;每次导数还带 1/i1/i,最终留下 ini^{-n}。由此得到一般偶数点函数:

0Tφ(x1)φ(x2n)0=1inP(a,b)PΔ(xaxb).(8.35)\langle0|T\varphi(x_1)\cdots\varphi(x_{2n})|0\rangle =\frac1{i^n}\sum_{\mathcal P} \prod_{(a,b)\in\mathcal P}\Delta(x_a-x_b). \tag{8.35}

奇数点函数为零,而上式不重复的配对数为 (2n1)!!(2n-1)!!。这就是本节所用的Wick定理(Wick's theorem):自由真空中的时间序关联,全部归结为二点函数的配对。同点乘积先在共同调节下计算,具体的重整化将在相互作用理论中展开。

复标量场的外源与配对

把两个独立、质量相同的实场组合为 ϕ=(φ1+iφ2)/2\phi=(\varphi_1+i\varphi_2)/\sqrt2,自由拉格朗日密度及源项为

L0+LJ=μϕμϕm2ϕϕ+Jϕ+ϕJ.\mathcal L_0+\mathcal L_J =-\partial^\mu\phi^\dagger\partial_\mu\phi-m^2\phi^\dagger\phi +J^\dagger\phi+\phi^\dagger J.

J=(J1+iJ2)/2J=(J_1+iJ_2)/\sqrt2,源项恰好化为 J1φ1+J2φ2J_1\varphi_1+J_2\varphi_2。两个实场独立,生成泛函相乘,得到

Z0[J,J]=exp ⁣[i2d4xd4y(J1(x)Δ(xy)J1(y)+J2(x)Δ(xy)J2(y))]=exp ⁣[id4xd4yJ(x)Δ(xy)J(y)].\begin{aligned} Z_0[J^\dagger,J] &=\exp\!\left[\frac i2\int d^4x\,d^4y\, \bigl(J_1(x)\Delta(x-y)J_1(y)+J_2(x)\Delta(x-y)J_2(y)\bigr)\right]\\ &=\exp\!\left[i\int d^4x\,d^4y\, J^\dagger(x)\Delta(x-y)J(y)\right]. \end{aligned}

第二行利用 Δ(xy)=Δ(yx)\Delta(x-y)=\Delta(y-x)消去了两份虚交叉项。将 J,JJ,J^\dagger视作独立变量求导,i1δ/δJi^{-1}\delta/\delta J^\dagger插入 ϕ\phii1δ/δJi^{-1}\delta/\delta J插入 ϕ\phi^\dagger。指数中的每一项各含一份 JJJJ^\dagger,故

0Tϕ(x)ϕ(y)0=Δ(xy)i,Tϕ(x)ϕ(y)=Tϕ(x)ϕ(y)=0.\langle0|T\phi(x)\phi^\dagger(y)|0\rangle=\frac{\Delta(x-y)}i, \qquad \langle T\phi(x)\phi(y)\rangle =\langle T\phi^\dagger(x)\phi^\dagger(y)\rangle=0.

一般关联函数在两种场的数目相等时才能非零。含 nnϕ\phinnϕ\phi^\dagger时,每个场只能与一份共轭场配对,配对数为 n!n!,于是

0Tϕ(x1)ϕ(xn)ϕ(y1)ϕ(yn)0=1inσSna=1nΔ(xayσ(a)).\langle0|T\phi(x_1)\cdots\phi(x_n) \phi^\dagger(y_1)\cdots\phi^\dagger(y_n)|0\rangle =\frac1{i^n}\sum_{\sigma\in S_n} \prod_{a=1}^n\Delta(x_a-y_{\sigma(a)}).

这里 SnS_n表示 nn个标号的全部排列。例如两场两共轭场有两种配对,得到 i2[Δ(x1y1)Δ(x2y2)+Δ(x1y2)Δ(x2y1)]i^{-2}[\Delta(x_1-y_1)\Delta(x_2-y_2)+\Delta(x_1-y_2)\Delta(x_2-y_1)]

下一节将相互作用写成作用于 Z0[J]Z_0[J]的微分算符。Wick配对使微扰展开的每一项化为传播子的乘积。


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文章标题:Srednicki §8 自由场论的路径积分

文章作者:Whitney

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