习题 12.1 - 解答
先分析物理背景
自旋统计定理表明,半整数自旋的费米场必须使用反对易关系进行量子化。题目要求我们假设旋量场使用对易关系(即错误的玻色子统计)进行量子化,并考察由其构成的双线性可观测量 ψˉψ(x) 在类空间隔下的因果性(即对易子是否为零)。
下面计算真空期望值 ⟨0∣[ψˉψ(x),ψˉψ(y)]∣0⟩
首先,写出旋量场在对易关系假设下的两点关联函数。设标量场的 Wightman 传播子为 D(x−y)=∫(2π)32Epd3pe−ip(x−y)。
对于使用对易关系 [apr,aqs†]=(2π)3δ3(p−q)δrs 和 [bpr,bqs†]=(2π)3δ3(p−q)δrs 量子化的 Dirac 场,非零的缩并(传播子)为:
Sαβ+(x−y)≡⟨0∣ψα(x)ψˉβ(y)∣0⟩=∫(2π)32Epd3p(p+m)αβe−ip(x−y)=(iγμ∂μ+m)αβD(x−y)
Sβα−(x−y)≡⟨0∣ψˉα(x)ψβ(y)∣0⟩=∫(2π)32Epd3p(p−m)βαe−ip(x−y)=(iγμ∂μ−m)βαD(x−y)
分两步处理对易子的真空期望值:
⟨0∣[ψˉψ(x),ψˉψ(y)]∣0⟩=⟨0∣ψˉα(x)ψα(x)ψˉβ(y)ψβ(y)∣0⟩−⟨0∣ψˉβ(y)ψβ(y)ψˉα(x)ψα(x)∣0⟩
利用对易场的 Wick 定理(算符交换时不产生费米负号),第一项的连通图部分贡献为:
V(x,y)≡⟨0∣ψˉα(x)ψα(x)ψˉβ(y)ψβ(y)∣0⟩conn=⟨0∣ψˉα(x)ψβ(y)∣0⟩⟨0∣ψα(x)ψˉβ(y)∣0⟩
=Sβα−(x−y)Sαβ+(x−y)=Tr[S−(x−y)S+(x−y)]
(注:非连通图部分 ⟨0∣ψˉψ∣0⟩2 在 x↔y 交换下显然对称,在对易子中会直接抵消,故只需关注连通部分)。
代入 S+ 和 S− 的表达式计算 Dirac 迹:
Tr[S−(x−y)S+(x−y)]=Tr[(iγμ∂μ−m)D(x−y)(iγν∂ν+m)D(x−y)]
展开并利用 Dirac 矩阵的迹性质 Tr[γμ]=0 和 Tr[γμγν]=4ημν:
V(x,y)=Tr[−γμγν(∂μD(x−y))(∂νD(x−y))−m2D(x−y)2]
V(x,y)=−4[∂μD(x−y)∂μD(x−y)+m2D(x−y)2]
分析类空间隔下的行为
当处于光锥外即 (x−y)2<0 时,标量传播子 D(x−y) 仅依赖于洛伦兹不变量 (x−y)2,因此它是一个关于坐标差 (x−y) 的偶函数。
其一阶导数 ∂μD(x−y) 是关于 (x−y) 的奇函数,但其平方项 ∂μD(x−y)∂μD(x−y) 依然是偶函数。
因此,整个迹 V(x,y) 在类空间隔下是关于 (x−y) 的偶函数,即:
V(x,y)=V(y,x)for (x−y)2<0
将此结果代回对易子期望值中,得到:
⟨0∣[ψˉψ(x),ψˉψ(y)]∣0⟩=V(x,y)−V(y,x)=0
物理结论
即使我们错误地使用对易关系来量子化旋量场,由其构成的双线性可观测量在光锥外依然是对易的。这解释了题目中的论断:“这并不能证明旋量必须反对易”。自旋统计定理对于费米子的真正强制性要求,并不来源于可观测量的微观因果性,而是为了保证系统的哈密顿量具有能量下界(Energy Positivity)。
最终结果为:
⟨0∣[ψˉψ(x),ψˉψ(y)]∣0⟩=0for (x−y)2<0