6.1

Problem 6.1

schwarzChapter 6

习题 6.1

来源: 第6章, PDF第77页


6.1 Calculate the Feynman propagator in position space. To get the pole structure correct, you may find it helpful to use Schwinger parameters (see Appendix B). Take the m→0m \rightarrow 0 limit of your result to find

⟨0∣T{ϕ0(x1)ϕ0(x2)}∣0⟩=−14π21(x1−x2)2−iϵ.(6.35)\langle 0 | T \{ \phi_0(x_1) \phi_0(x_2) \} | 0 \rangle = -\frac{1}{4\pi^2} \frac{1}{(x_1 - x_2)^2 - i\epsilon}. \tag{6.35}

习题 6.1 - 解答


习题分析与物理背景

本题要求在位置空间中计算自由标量场的 Feynman 传播子 ⟨0∣T{ϕ0(x1)ϕ0(x2)}∣0⟩\langle 0 | T \{ \phi_0(x_1) \phi_0(x_2) \} | 0 \rangle,并取无质量极限 m→0m \to 0。Feynman 传播子在动量空间中的表达式为: ΔF(x)=∫d4p(2π)4ip2−m2+iϵe−ip⋅x\Delta_F(x) = \int \frac{d^4 p}{(2\pi)^4} \frac{i}{p^2 - m^2 + i\epsilon} e^{-i p \cdot x} 其中 x=x1−x2x = x_1 - x_2。为了正确处理极点结构并完成动量积分,引入 Schwinger 参数化(Schwinger parameterization)将分母转化为指数形式,从而将动量积分转化为高斯积分(Gaussian integral)。


解题过程

1. 引入 Schwinger 参数化 利用 Schwinger 参数 α\alpha,我们可以将动量空间传播子的分母重写为: ip2−m2+iϵ=∫0∞dα eiα(p2−m2+iϵ)\frac{i}{p^2 - m^2 + i\epsilon} = \int_0^\infty d\alpha \, e^{i \alpha (p^2 - m^2 + i\epsilon)} 将其代入传播子的定义式中,交换积分顺序: ΔF(x)=∫0∞dα∫d4p(2π)4eiα(p2−m2+iϵ)−ip⋅x\Delta_F(x) = \int_0^\infty d\alpha \int \frac{d^4 p}{(2\pi)^4} e^{i \alpha (p^2 - m^2 + i\epsilon) - i p \cdot x}

2. 完成动量空间的高斯积分 对指数上的动量部分进行配方(Complete the square): iαp2−ip⋅x=iα(p2−p⋅xα)=iα(p−x2α)2−ix24αi \alpha p^2 - i p \cdot x = i \alpha \left( p^2 - \frac{p \cdot x}{\alpha} \right) = i \alpha \left( p - \frac{x}{2\alpha} \right)^2 - i \frac{x^2}{4\alpha} 令 k=p−x2αk = p - \frac{x}{2\alpha},由于平移不改变积分测度 d4k=d4pd^4 k = d^4 p,动量积分变为: ∫d4k(2π)4eiαk2=∫dk02πeiα(k0)2∏j=13∫dkj2πe−iα(kj)2\int \frac{d^4 k}{(2\pi)^4} e^{i \alpha k^2} = \int \frac{dk^0}{2\pi} e^{i \alpha (k^0)^2} \prod_{j=1}^3 \int \frac{dk^j}{2\pi} e^{-i \alpha (k^j)^2} 利用标准的 Fresnel 积分公式 ∫−∞∞dx e±iax2=±iπa\int_{-\infty}^\infty dx \, e^{\pm i a x^2} = \sqrt{\frac{\pm i \pi}{a}} (对于 a>0a > 0),可得: ∫d4k(2π)4eiαk2=116π4iπα(−iπα)3=116π4π2α2eiπ/4e−i3π/4=116π2α2e−iπ/2=−i16π2α2\int \frac{d^4 k}{(2\pi)^4} e^{i \alpha k^2} = \frac{1}{16\pi^4} \sqrt{\frac{i \pi}{\alpha}} \left( \sqrt{\frac{-i \pi}{\alpha}} \right)^3 = \frac{1}{16\pi^4} \frac{\pi^2}{\alpha^2} e^{i\pi/4} e^{-i 3\pi/4} = \frac{1}{16\pi^2 \alpha^2} e^{-i\pi/2} = \frac{-i}{16\pi^2 \alpha^2} 将动量积分结果代回 ΔF(x)\Delta_F(x) 的表达式中: ΔF(x)=−i16π2∫0∞dαα2e−ix24α−iαm2−αϵ\Delta_F(x) = -\frac{i}{16\pi^2} \int_0^\infty \frac{d\alpha}{\alpha^2} e^{-i \frac{x^2}{4\alpha} - i \alpha m^2 - \alpha \epsilon}

3. 取无质量极限并计算 α\alpha 积分 现在我们取无质量极限 m→0m \to 0,传播子简化为: ΔF(x)=−i16π2∫0∞dαα2e−ix24α−αϵ\Delta_F(x) = -\frac{i}{16\pi^2} \int_0^\infty \frac{d\alpha}{\alpha^2} e^{-i \frac{x^2}{4\alpha} - \alpha \epsilon} 这里的 e−αϵe^{-\alpha \epsilon} 确保了 α→∞\alpha \to \infty(红外极限)时的积分收敛性。然而,在 α→0\alpha \to 0(紫外极限)时,被积函数会发生剧烈振荡。为了使积分在数学上严格收敛,并正确反映时间序(Time-ordering)带来的极点结构,我们需要赋予 x2x^2 一个微小的负虚部,即 x2→x2−iϵx^2 \to x^2 - i\epsilon。这等效于在位置空间中引入了正确的 iϵi\epsilon 处方,从而在 α→0\alpha \to 0 时提供一个 e−ϵ/(4α)e^{-\epsilon / (4\alpha)} 的指数衰减压低因子。

引入该正则化后,积分变为: ΔF(x)=−i16π2∫0∞dαα2e−ix2−iϵ4α\Delta_F(x) = -\frac{i}{16\pi^2} \int_0^\infty \frac{d\alpha}{\alpha^2} e^{-i \frac{x^2 - i\epsilon}{4\alpha}} 作变量代换,令 z=i(x2−iϵ)4αz = \frac{i(x^2 - i\epsilon)}{4\alpha},则有: dz=−i(x2−iϵ)4α2dα  ⟹  dαα2=4ix2−iϵdzdz = -\frac{i(x^2 - i\epsilon)}{4\alpha^2} d\alpha \quad \implies \quad \frac{d\alpha}{\alpha^2} = \frac{4i}{x^2 - i\epsilon} dz 积分限的变化为:当 α→0\alpha \to 0 时,z→∞z \to \infty(由于 −iϵ-i\epsilon 的存在,Re(z)>0\text{Re}(z) > 0,保证了 e−z→0e^{-z} \to 0);当 α→∞\alpha \to \infty 时,z→0z \to 0。 代入后得到: ΔF(x)=−i16π2∫∞0(4ix2−iϵdz)e−z\Delta_F(x) = -\frac{i}{16\pi^2} \int_\infty^0 \left( \frac{4i}{x^2 - i\epsilon} dz \right) e^{-z} 交换积分上下限吸收一个负号,并提取常数: ΔF(x)=4i216π2(x2−iϵ)∫0∞dz e−z\Delta_F(x) = \frac{4 i^2}{16\pi^2 (x^2 - i\epsilon)} \int_0^\infty dz \, e^{-z} 由于 i2=−1i^2 = -1 且 ∫0∞dz e−z=1\int_0^\infty dz \, e^{-z} = 1,我们得到: ΔF(x)=−14π21x2−iϵ\Delta_F(x) = -\frac{1}{4\pi^2} \frac{1}{x^2 - i\epsilon}

4. 最终结果 将 x=x1−x2x = x_1 - x_2 代回上式,即得到无质量标量场在位置空间的 Feynman 传播子:

⟨0∣T{ϕ0(x1)ϕ0(x2)}∣0⟩=−14π21(x1−x2)2−iϵ\boxed{ \langle 0 | T \{ \phi_0(x_1) \phi_0(x_2) \} | 0 \rangle = -\frac{1}{4\pi^2} \frac{1}{(x_1 - x_2)^2 - i\epsilon} }
6.2

Problem 6.2

schwarzChapter 6

习题 6.2

来源: 第6章, PDF第77页


6.2 Find expressions for the advanced and retarded propagators as d4kd^4 k integrals.

习题 6.2 - 解答


习题分析

在量子场论中,推迟传播子(Retarded Propagator)DR(x−y)D_R(x-y) 和超前传播子(Advanced Propagator)DA(x−y)D_A(x-y) 是克莱因-戈尔登(Klein-Gordon)方程的格林函数,它们描述了标量场对经典源的因果响应。

根据因果性要求:

  1. 推迟传播子 DR(x−y)D_R(x-y) 描述了在 yy 处的源对未来时空点 xx 的影响,因此当 x0<y0x^0 < y^0 时,它必须严格为零。
  2. 超前传播子 DA(x−y)D_A(x-y) 描述了在 yy 处的源对过去时空点 xx 的影响,因此当 x0>y0x^0 > y^0 时,它必须严格为零。

在算符形式下,它们可以通过自由标量场的对易子来定义: DR(x−y)=θ(x0−y0)⟨0∣[ϕ(x),ϕ(y)]∣0⟩D_R(x-y) = \theta(x^0 - y^0) \langle 0 | [\phi(x), \phi(y)] | 0 \rangle DA(x−y)=−θ(y0−x0)⟨0∣[ϕ(x),ϕ(y)]∣0⟩D_A(x-y) = -\theta(y^0 - x^0) \langle 0 | [\phi(x), \phi(y)] | 0 \rangle

为了将它们表示为动量空间的 d4kd^4 k 积分,我们需要利用复变函数中的留数定理,通过引入无穷小量 iϵi\epsilon 来平移复 k0k^0 平面上的极点,从而自然地给出阶跃函数 θ(±(x0−y0))\theta(\pm(x^0 - y^0)) 的行为。


推导与解答

首先,写出自由标量场对易子的三维动量积分表达式: ⟨0∣[ϕ(x),ϕ(y)]∣0⟩=∫d3k(2π)312ωk(e−ik⋅(x−y)−eik⋅(x−y))\langle 0 | [\phi(x), \phi(y)] | 0 \rangle = \int \frac{d^3 k}{(2\pi)^3} \frac{1}{2\omega_{\mathbf{k}}} \left( e^{-ik \cdot (x-y)} - e^{ik \cdot (x-y)} \right) 其中 ωk=k2+m2\omega_{\mathbf{k}} = \sqrt{\mathbf{k}^2 + m^2},且四维内积 k⋅(x−y)=ωk(x0−y0)−k⋅(x−y)k \cdot (x-y) = \omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0) - \mathbf{k} \cdot (\mathbf{x} - \mathbf{y})。

我们考虑如下形式的四维动量积分: I=∫d4k(2π)4i(k0)2−ωk2e−ik0(x0−y0)+ik⋅(x−y)I = \int \frac{d^4 k}{(2\pi)^4} \frac{i}{(k^0)^2 - \omega_{\mathbf{k}}^2} e^{-ik^0(x^0 - y^0) + i\mathbf{k} \cdot (\mathbf{x} - \mathbf{y})} 被积函数在复 k0k^0 平面上有两个极点:k0=±ωkk^0 = \pm \omega_{\mathbf{k}}。

1. 推迟传播子 DR(x−y)D_R(x-y)

为了满足 x0<y0x^0 < y^0 时 DR(x−y)=0D_R(x-y) = 0 的条件,当我们在上半平面闭合积分回路时(此时 e−ik0(x0−y0)e^{-ik^0(x^0 - y^0)} 指数衰减),回路内部不能包含任何极点。因此,必须将两个极点都平移到下半平面。 这可以通过替换 k0→k0+iϵk^0 \to k^0 + i\epsilon (ϵ→0+\epsilon \to 0^+)来实现。此时分母变为 (k0+iϵ)2−ωk2(k^0 + i\epsilon)^2 - \omega_{\mathbf{k}}^2,极点移至 k0=±ωk−iϵk^0 = \pm \omega_{\mathbf{k}} - i\epsilon。

验证 x0>y0x^0 > y^0 的情况:此时我们在下半平面闭合回路(顺时针方向,引入负号 −2πi-2\pi i),包围了这两个极点。利用留数定理计算 k0k^0 积分: ∫dk02πie−ik0(x0−y0)(k0−ωk+iϵ)(k0+ωk+iϵ)=−2πi⋅12π[ie−iωk(x0−y0)2ωk+ieiωk(x0−y0)−2ωk]\int \frac{d k^0}{2\pi} \frac{i e^{-ik^0(x^0 - y^0)}}{(k^0 - \omega_{\mathbf{k}} + i\epsilon)(k^0 + \omega_{\mathbf{k}} + i\epsilon)} = -2\pi i \cdot \frac{1}{2\pi} \left[ \frac{i e^{-i\omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0)}}{2\omega_{\mathbf{k}}} + \frac{i e^{i\omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0)}}{-2\omega_{\mathbf{k}}} \right] =12ωk(e−iωk(x0−y0)−eiωk(x0−y0))= \frac{1}{2\omega_{\mathbf{k}}} \left( e^{-i\omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0)} - e^{i\omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0)} \right) 代回原积分,并对第二项作变量代换 k→−k\mathbf{k} \to -\mathbf{k},得到: IR=∫d3k(2π)312ωk(e−ik⋅(x−y)−eik⋅(x−y))=⟨0∣[ϕ(x),ϕ(y)]∣0⟩I_R = \int \frac{d^3 k}{(2\pi)^3} \frac{1}{2\omega_{\mathbf{k}}} \left( e^{-ik \cdot (x-y)} - e^{ik \cdot (x-y)} \right) = \langle 0 | [\phi(x), \phi(y)] | 0 \rangle 这与推迟传播子的定义完全一致。因此,推迟传播子的积分表达式为: DR(x−y)=∫d4k(2π)4i(k0+iϵ)2−k2−m2e−ik⋅(x−y)D_R(x-y) = \int \frac{d^4 k}{(2\pi)^4} \frac{i}{(k^0 + i\epsilon)^2 - \mathbf{k}^2 - m^2} e^{-ik \cdot (x-y)}

2. 超前传播子 DA(x−y)D_A(x-y)

同理,为了满足 x0>y0x^0 > y^0 时 DA(x−y)=0D_A(x-y) = 0 的条件,当我们在下半平面闭合回路时,不能包含任何极点。因此,必须将两个极点都平移到上半平面。 这可以通过替换 k0→k0−iϵk^0 \to k^0 - i\epsilon 来实现。分母变为 (k0−iϵ)2−ωk2(k^0 - i\epsilon)^2 - \omega_{\mathbf{k}}^2,极点移至 k0=±ωk+iϵk^0 = \pm \omega_{\mathbf{k}} + i\epsilon。

验证 x0<y0x^0 < y^0 的情况:此时我们在上半平面闭合回路(逆时针方向,系数为 2πi2\pi i),包围了这两个极点。计算 k0k^0 积分: ∫dk02πie−ik0(x0−y0)(k0−ωk−iϵ)(k0+ωk−iϵ)=2πi⋅12π[ie−iωk(x0−y0)2ωk+ieiωk(x0−y0)−2ωk]\int \frac{d k^0}{2\pi} \frac{i e^{-ik^0(x^0 - y^0)}}{(k^0 - \omega_{\mathbf{k}} - i\epsilon)(k^0 + \omega_{\mathbf{k}} - i\epsilon)} = 2\pi i \cdot \frac{1}{2\pi} \left[ \frac{i e^{-i\omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0)}}{2\omega_{\mathbf{k}}} + \frac{i e^{i\omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0)}}{-2\omega_{\mathbf{k}}} \right] =−12ωk(e−iωk(x0−y0)−eiωk(x0−y0))= -\frac{1}{2\omega_{\mathbf{k}}} \left( e^{-i\omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0)} - e^{i\omega_{\mathbf{k}}(x^0 - y^0)} \right) 代回原积分并作 k→−k\mathbf{k} \to -\mathbf{k} 代换,得到: IA=−∫d3k(2π)312ωk(e−ik⋅(x−y)−eik⋅(x−y))=−⟨0∣[ϕ(x),ϕ(y)]∣0⟩I_A = -\int \frac{d^3 k}{(2\pi)^3} \frac{1}{2\omega_{\mathbf{k}}} \left( e^{-ik \cdot (x-y)} - e^{ik \cdot (x-y)} \right) = -\langle 0 | [\phi(x), \phi(y)] | 0 \rangle 这与超前传播子的定义完全一致。因此,超前传播子的积分表达式为: DA(x−y)=∫d4k(2π)4i(k0−iϵ)2−k2−m2e−ik⋅(x−y)D_A(x-y) = \int \frac{d^4 k}{(2\pi)^4} \frac{i}{(k^0 - i\epsilon)^2 - \mathbf{k}^2 - m^2} e^{-ik \cdot (x-y)}


最终结果

推迟传播子(Retarded Propagator)与超前传播子(Advanced Propagator)的 d4kd^4 k 积分表达式分别为:

DR(x−y)=∫d4k(2π)4i(k0+iϵ)2−k2−m2e−ik⋅(x−y)\boxed{ D_R(x-y) = \int \frac{d^4 k}{(2\pi)^4} \frac{i}{(k^0 + i\epsilon)^2 - \mathbf{k}^2 - m^2} e^{-ik \cdot (x-y)} }
DA(x−y)=∫d4k(2π)4i(k0−iϵ)2−k2−m2e−ik⋅(x−y)\boxed{ D_A(x-y) = \int \frac{d^4 k}{(2\pi)^4} \frac{i}{(k^0 - i\epsilon)^2 - \mathbf{k}^2 - m^2} e^{-ik \cdot (x-y)} }
6.3

Problem 6.3

schwarzChapter 6

习题 6.3

来源: 第6章, PDF第77页


6.3 Prove that any operator can be put in the form of Eq. (6.22).

Referenced Equations:

Equation (6.22):

O=∑n,m∫dq1⋯dqndp1⋯dpmaq1†⋯aqn†apm⋯ap1Cnm(q1,…,pm).(6.22)\mathcal{O} = \sum_{n,m} \int dq_1 \cdots dq_n dp_1 \cdots dp_m a_{q_1}^{\dagger} \cdots a_{q_n}^{\dagger} a_{p_m} \cdots a_{p_1} C_{nm}(q_1, \dots, p_m) . \tag{6.22}

习题 6.3 - 解答


要证明任何算符 O\mathcal{O} 都可以写成公式 (6.22) 的正规序(Normal Ordering)形式,即所有产生算符 a†a^\dagger 均位于湮灭算符 aa 的左侧,我们可以通过代数方法(基于对易关系)和构造性方法(基于相干态表象)给出严谨的证明。

1. 代数证明(基于算符代数的不可约性与对易关系)

物理背景:在 Fock 空间中,产生算符 aq†a_q^\dagger 和湮灭算符 apa_p 构成了算符代数的不可约表示(Irreducible Representation)。根据 Schur 引理,任何作用在 Fock 空间上的线性算符 O\mathcal{O} 都可以展开为 aa 和 a†a^\dagger 的多项式或收敛的幂级数。

推导过程: 假设 O\mathcal{O} 已经展开为一系列 aa 和 a†a^\dagger 的乘积项的线性组合。考虑其中任意一个包含 NN 个算符的乘积项。如果该项不是正规序的,必然存在至少一个湮灭算符 apa_p 位于产生算符 aq†a_q^\dagger 的左侧。

我们可以利用玻色子的正则对易关系(CCR)或费米子的正则反对易关系(CAR)来交换这两个算符的位置: apaq†=±aq†ap+δ(p−q)a_p a_q^\dagger = \pm a_q^\dagger a_p + \delta(p-q) 其中,++ 对应玻色子,−- 对应费米子。

每次应用上述关系替换逆序的算符对 (ap,aq†)(a_p, a_q^\dagger) 时,原乘积项会分裂为两项:

  1. 交换项:算符位置被交换,变得更接近正规序,总算符数目仍为 NN。
  2. 收缩项:产生一个 c-数 δ(p−q)\delta(p-q),算符总数减少为 N−2N-2。

由于每个乘积项中的算符数量 NN 是有限的,上述交换过程必然在有限步内终止(类似于 Wick 定理的代数操作)。最终,该乘积项被完全转化为一系列正规序乘积项的线性组合。

将算符 O\mathcal{O} 展开式中所有项都进行上述正规序化操作,并将包含 nn 个产生算符和 mm 个湮灭算符的项合并。所有组合系数、展开系数以及收缩产生的 δ\delta 函数都可以被吸收到一个总的 c-数分布函数 Cnm(q1,…,pm)C_{nm}(q_1, \dots, p_m) 中。对所有可能的 nn 和 mm 求和,并对连续动量(或坐标)指标积分,即可得到: O=∑n,m∫dq1⋯dqndp1⋯dpmaq1†⋯aqn†apm⋯ap1Cnm(q1,…,pm)\mathcal{O} = \sum_{n,m} \int dq_1 \cdots dq_n dp_1 \cdots dp_m a_{q_1}^{\dagger} \cdots a_{q_n}^{\dagger} a_{p_m} \cdots a_{p_1} C_{nm}(q_1, \dots, p_m) 这就证明了任何算符都可以写成公式 (6.22) 的形式。


2. 构造性证明(基于相干态表象与泛函展开)

物理背景:相干态 ∣ϕ⟩|\phi\rangle 构成了 Fock 空间的一组超完备基(Overcomplete Basis)。任何算符 O\mathcal{O} 都可以由其在相干态基下的矩阵元 ⟨ϕ∣O∣ψ⟩\langle \phi | \mathcal{O} | \psi \rangle 唯一确定。通过计算矩阵元,我们可以显式地构造出系数 CnmC_{nm}。

推导过程: 以玻色子为例(费米子可使用 Grassmann 数进行完全平行的推导),相干态定义为 ∣ϕ⟩=exp⁡(∫dq ϕqaq†)∣0⟩|\phi\rangle = \exp\left(\int dq \, \phi_q a_q^\dagger\right) |0\rangle,其满足本征值方程 ap∣ϕ⟩=ϕp∣ϕ⟩a_p |\phi\rangle = \phi_p |\phi\rangle 以及 ⟨ϕ∣aq†=⟨ϕ∣ϕˉq\langle \phi | a_q^\dagger = \langle \phi | \bar{\phi}_q。

假设算符 O\mathcal{O} 具有公式 (6.22) 的正规序形式,我们计算其在相干态下的矩阵元。由于正规序算符直接作用于相干态会析出相应的本征值,我们有: ⟨ϕ∣O∣ψ⟩=⟨ϕ∣ψ⟩∑n,m∫dq1⋯dpmCnm(q1,…,pm)ϕˉq1⋯ϕˉqnψpm⋯ψp1\langle \phi | \mathcal{O} | \psi \rangle = \langle \phi | \psi \rangle \sum_{n,m} \int dq_1 \cdots dp_m C_{nm}(q_1, \dots, p_m) \bar{\phi}_{q_1} \cdots \bar{\phi}_{q_n} \psi_{p_m} \cdots \psi_{p_1}

定义一个由算符 O\mathcal{O} 唯一确定的泛函 F[ϕˉ,ψ]F[\bar{\phi}, \psi]: F[ϕˉ,ψ]≡⟨ϕ∣O∣ψ⟩⟨ϕ∣ψ⟩F[\bar{\phi}, \psi] \equiv \frac{\langle \phi | \mathcal{O} | \psi \rangle}{\langle \phi | \psi \rangle}

由于 F[ϕˉ,ψ]F[\bar{\phi}, \psi] 是经典场 ϕˉ\bar{\phi} 和 ψ\psi 的平滑泛函,它可以在 ϕˉ=ψ=0\bar{\phi} = \psi = 0 处进行泛函 Taylor 展开(Volterra 级数): F[ϕˉ,ψ]=∑n,m1n!m!∫dq1⋯dpmδn+mFδϕˉq1⋯δϕˉqnδψpm⋯δψp1∣ϕ=ψ=0ϕˉq1⋯ϕˉqnψpm⋯ψp1F[\bar{\phi}, \psi] = \sum_{n,m} \frac{1}{n! m!} \int dq_1 \cdots dp_m \left. \frac{\delta^{n+m} F}{\delta \bar{\phi}_{q_1} \cdots \delta \bar{\phi}_{q_n} \delta \psi_{p_m} \cdots \delta \psi_{p_1}} \right|_{\phi=\psi=0} \bar{\phi}_{q_1} \cdots \bar{\phi}_{q_n} \psi_{p_m} \cdots \psi_{p_1}

对比上述两式,我们可以显式地提取出系数 CnmC_{nm} 的解析表达式: Cnm(q1,…,pm)=1n!m!δn+mδϕˉq1⋯δϕˉqnδψpm⋯δψp1(⟨ϕ∣O∣ψ⟩⟨ϕ∣ψ⟩)∣ϕ=ψ=0C_{nm}(q_1, \dots, p_m) = \frac{1}{n! m!} \left. \frac{\delta^{n+m}}{\delta \bar{\phi}_{q_1} \cdots \delta \bar{\phi}_{q_n} \delta \psi_{p_m} \cdots \delta \psi_{p_1}} \left( \frac{\langle \phi | \mathcal{O} | \psi \rangle}{\langle \phi | \psi \rangle} \right) \right|_{\phi=\psi=0}

结论: 因为对于 Fock 空间上的任意良态算符 O\mathcal{O},其相干态矩阵元总是存在的,且上述泛函导数总是可以被计算出来。这就意味着我们总是可以显式地构造出对应的系数 CnmC_{nm}。由于相干态的超完备性保证了矩阵元与算符之间的一一对应关系,这严格证明了任意算符都可以被等价地重写为公式 (6.22) 的正规序形式。

O=∑n,m∫dq1⋯dqndp1⋯dpmaq1†⋯aqn†apm⋯ap1Cnm(q1,…,pm)\boxed{ \mathcal{O} = \sum_{n,m} \int dq_1 \cdots dq_n dp_1 \cdots dp_m a_{q_1}^{\dagger} \cdots a_{q_n}^{\dagger} a_{p_m} \cdots a_{p_1} C_{nm}(q_1, \dots, p_m) }