习题 2.8 - 解答
(a)
对于无穷小洛伦兹变换 Λμνμ=δνμ+δωμνμ,其中参数 δωμν 是反对称的(即 δωμν=−δωνμ)。
对应的幺正算符展开为:
U(Λ)≈1+2ℏiδωμνMμν
其逆算符为 U(Λ)−1≈1−2ℏiδωμνMμν。
将此代入方程 (2.26) 的左边:
U(Λ)−1φ(x)U(Λ)≈(1−2ℏiδωμνMμν)φ(x)(1+2ℏiδωμνMμν)
保留到 δω 的一阶项:
U(Λ)−1φ(x)U(Λ)≈φ(x)−2ℏiδωμν[Mμν,φ(x)]=φ(x)+2ℏiδωμν[φ(x),Mμν]
对于方程 (2.26) 的右边,逆变换作用在坐标上为 (Λ−1)μνμ≈δνμ−δωμνμ,因此:
φ(Λ−1x)=φ(xμ−δωμνμxν)
进行泰勒展开保留到一阶项:
φ(Λ−1x)≈φ(x)−δωμνμxν∂μφ(x)=φ(x)−δωμνxν∂μφ(x)
利用 δωμν 的反对称性,可以将上式改写为:
φ(Λ−1x)≈φ(x)−21δωμν(xν∂μ−xμ∂ν)φ(x)
比较左右两边的一阶项:
2ℏiδωμν[φ(x),Mμν]=21δωμν(xμ∂ν−xν∂μ)φ(x)
由于 δωμν 是任意的反对称张量,我们可以去掉它并得到对易关系:
[φ(x),Mμν]=iℏ(xμ∂ν−xν∂μ)φ(x)
定义 Lμν≡iℏ(xμ∂ν−xν∂μ),即得:
[φ(x),Mμν]=Lμνφ(x)
(b)
利用 (a) 中的结果 [φ(x),Mμν]=Lμνφ(x),将其代入双重对易子中:
[[φ(x),Mμν],Mρσ]=[Lμνφ(x),Mρσ]
由于 Lμν 是仅作用于时空坐标 x 的微分算符,而 Mρσ 是作用于希尔伯特空间的算符,两者相互对易。因此可以将 Lμν 提取到对易子外部:
[Lμνφ(x),Mρσ]=Lμν[φ(x),Mρσ]
再次应用 (a) 中的结果 [φ(x),Mρσ]=Lρσφ(x),得到:
[[φ(x),Mμν],Mρσ]=LμνLρσφ(x)
(c)
直接展开雅可比恒等式中的所有对易子:
[[A,B],C]=[AB−BA,C]=ABC−BAC−CAB+CBA
[[B,C],A]=[BC−CB,A]=BCA−CBA−ABC+ACB
[[C,A],B]=[CA−AC,B]=CAB−ACB−BCA+BAC
将这三项相加:
(ABC−BAC−CAB+CBA)+(BCA−CBA−ABC+ACB)+(CAB−ACB−BCA+BAC)
重新排列并合并同类项:
(ABC−ABC)+(−BAC+BAC)+(−CAB+CAB)+(CBA−CBA)+(BCA−BCA)+(ACB−ACB)=0
得证:
[[A,B],C]+[[B,C],A]+[[C,A],B]=0
(d)
在雅可比恒等式中,令 A=φ(x),B=Mμν,C=Mρσ:
[[φ(x),Mμν],Mρσ]+[[Mμν,Mρσ],φ(x)]+[[Mρσ,φ(x)],Mμν]=0
利用对易子的反对称性 [[Mμν,Mρσ],φ(x)]=−[φ(x),[Mμν,Mρσ]],并移项得到:
[φ(x),[Mμν,Mρσ]]=[[φ(x),Mμν],Mρσ]−[[φ(x),Mρσ],Mμν]
将 (b) 中的结果代入右边两项:
[[φ(x),Mμν],Mρσ]=LμνLρσφ(x)
[[φ(x),Mρσ],Mμν]=LρσLμνφ(x)
因此:
[φ(x),[Mμν,Mρσ]]=(LμνLρσ−LρσLμν)φ(x)
(e)
我们需要计算微分算符的对易子 [Lμν,Lρσ]。
已知 Lμν=−iℏ(xμ∂ν−xν∂μ)。首先计算基本对易关系 [xα,∂β]=−gαβ。
计算单项的对易子:
[xμ∂ν,xρ∂σ]=xμ[∂ν,xρ]∂σ+xρ[xμ,∂σ]∂ν=gνρxμ∂σ−gμσxρ∂ν
利用此结果展开完整的对易子:
[xμ∂ν−xν∂μ,xρ∂σ−xσ∂ρ]
=[xμ∂ν,xρ∂σ]−[xμ∂ν,xσ∂ρ]−[xν∂μ,xρ∂σ]+[xν∂μ,xσ∂ρ]
=(gνρxμ∂σ−gμσxρ∂ν)−(gνσxμ∂ρ−gμρxσ∂ν)−(gμρxν∂σ−gνσxρ∂μ)+(gμσxν∂ρ−gνρxσ∂μ)
按度规张量重新组合各项:
=−gμρ(xν∂σ−xσ∂ν)+gνρ(xμ∂σ−xσ∂μ)+gμσ(xν∂ρ−xρ∂ν)−gνσ(xμ∂ρ−xρ∂μ)
两边同乘 (−iℏ)2=−ℏ2,并利用 Lαβ=−iℏ(xα∂β−xβ∂α) 还原为 L 算符:
[Lμν,Lρσ]=−iℏ(−gμρLνσ+gνρLμσ+gμσLνρ−gνσLμρ)
=iℏ(gμρLνσ−gνρLμσ−gμσLνρ+gνσLμρ)
因此,方程 (2.31) 的右边化简为:
[φ(x),[Mμν,Mρσ]]=iℏ(gμρLνσ−gνρLμσ−gμσLνρ+gνσLμρ)φ(x)
(f)
根据 (a) 的结论,我们有 Lαβφ(x)=[φ(x),Mαβ]。将此关系代入 (e) 中化简后的结果:
[φ(x),[Mμν,Mρσ]]=iℏ(gμρ[φ(x),Mνσ]−gνρ[φ(x),Mμσ]−gμσ[φ(x),Mνρ]+gνσ[φ(x),Mμρ])
利用对易子的线性性质,将 [φ(x),⋅] 提取到最外层:
[φ(x),[Mμν,Mρσ]]=[φ(x),iℏ(gμρMνσ−gνρMμσ−gμσMνρ+gνσMμρ)]
移项合并可得:
[φ(x),[Mμν,Mρσ]−iℏ(gμρMνσ−gνρMμσ−gμσMνρ+gνσMμρ)]=0
这表明算符 [Mμν,Mρσ]−iℏ(…) 必须与场算符 φ(x) 对易。在量子场论中,如果一个算符与所有场算符及其导数对易,它必定正比于恒等算符,即为一个中心荷 (central charge) Cμνρσ。
因此我们得到:
[Mμν,Mρσ]=iℏ(gμρMνσ−gνρMμσ−gμσMνρ+gνσMμρ)+Cμνρσ
对于洛伦兹代数,中心荷为零 (Cμνρσ=0)。引入简写符号,上式即为方程 (2.16):
[Mμν,Mρσ]=iℏ(gμρMνσ−(μ↔ν))−(ρ↔σ)