习题 55.1 - 解答
首先,根据双向导数 f∂0g=fg˙−f˙g 的定义,以及度规约定 kx=−ωt+k⋅x,我们可以将式 (55.16) 和 (55.17) 中的产生与湮灭算符在固定时间 t 展开。
对于 e−ikx=eiωt−ik⋅x,有 ∂0e−ikx=iωe−ikx。代入式 (55.16) 得到:
aλ(k)=iεiλ(k)∫d3x[e−ikxA˙i(x)−(∂0e−ikx)Ai(x)]=iεiλ(k)∫d3x eiωt−ik⋅x[Πi(x)−iωAi(x)]
同理,对于 eikx=e−iωt+ik⋅x,有 ∂0eikx=−iωeikx。代入式 (55.17) 得到:
aλ†(k)=−iεiλ∗(k)∫d3x[eikxA˙i(x)−(∂0eikx)Ai(x)]=−iεiλ∗(k)∫d3x e−iωt+ik⋅x[Πi(x)+iωAi(x)]
根据题目给定的等时对易关系 [Ai(x,t),Aj(y,t)]=[Πi(x,t),Πj(y,t)]=0 以及式 (55.20):
[Ai(x,t),Πj(y,t)]=i∫(2π)3d3peip⋅(x−y)(δij−p2pipj)≡iΔij(x−y)
由于 Δij(x−y) 对 i,j 对称且是 x−y 的偶函数,故 [Πi(x,t),Aj(y,t)]=−iΔij(x−y)。
验证式 (55.21)
计算 [aλ(k),aλ′(k′)]:
[aλ(k),aλ′(k′)]=−εiλ(k)εjλ′(k′)∫d3xd3y eiωt−ik⋅xeiω′t−ik′⋅y[Πi(x)−iωAi(x),Πj(y)−iω′Aj(y)]
被积函数中的对易子为:
[Πi(x)−iωAi(x),Πj(y)−iω′Aj(y)]=−iω′[Πi(x),Aj(y)]−iω[Ai(x),Πj(y)]=−iω′(−iΔij(x−y))−iω(iΔij(x−y))=(ω−ω′)Δij(x−y)
代回积分中,并对空间坐标 x 和 y 积分:
[aλ(k),aλ′(k′)]=−εiλ(k)εjλ′(k′)ei(ω+ω′)t∫(2π)3d3p(δij−p2pipj)(ω−ω′)∫d3x ei(p−k)⋅x∫d3y e−i(p+k′)⋅y=−εiλ(k)εjλ′(k′)ei(ω+ω′)t∫(2π)3d3p(δij−p2pipj)(ω−ω′)(2π)3δ3(p−k)(2π)3δ3(p+k′)=−εiλ(k)εjλ′(k′)ei(ω+ω′)t(2π)3δ3(k+k′)(δij−k2kikj)(ω−ω′)
由于 δ3(k+k′) 强制要求 k′=−k,这蕴含着 ω′=∣k′∣=∣−k∣=ω。因此因子 (ω−ω′)=0,得到:
[aλ(k),aλ′(k′)]=0(55.21)
验证式 (55.22)
计算 [aλ†(k),aλ′†(k′)]:
[aλ†(k),aλ′†(k′)]=−εiλ∗(k)εjλ′∗(k′)∫d3xd3y e−iωt+ik⋅xe−iω′t+ik′⋅y[Πi(x)+iωAi(x),Πj(y)+iω′Aj(y)]
被积函数中的对易子为:
[Πi(x)+iωAi(x),Πj(y)+iω′Aj(y)]=iω′[Πi(x),Aj(y)]+iω[Ai(x),Πj(y)]=iω′(−iΔij(x−y))+iω(iΔij(x−y))=(ω′−ω)Δij(x−y)
同理,对空间坐标积分会产生 (2π)3δ3(p+k)(2π)3δ3(p−k′),从而给出整体的动量守恒因子 δ3(k+k′)。这同样要求 ω′=ω,使得因子 (ω′−ω)=0,得到:
[aλ†(k),aλ′†(k′)]=0(55.22)
验证式 (55.23)
计算 [aλ(k),aλ′†(k′)]:
[aλ(k),aλ′†(k′)]=εiλ(k)εjλ′∗(k′)∫d3xd3y eiωt−ik⋅xe−iω′t+ik′⋅y[Πi(x)−iωAi(x),Πj(y)+iω′Aj(y)]
被积函数中的对易子为:
[Πi(x)−iωAi(x),Πj(y)+iω′Aj(y)]=iω′[Πi(x),Aj(y)]−iω[Ai(x),Πj(y)]=iω′(−iΔij(x−y))−iω(iΔij(x−y))=(ω+ω′)Δij(x−y)
代回积分中,并对空间坐标 x 和 y 积分:
[aλ(k),aλ′†(k′)]=εiλ(k)εjλ′∗(k′)ei(ω−ω′)t∫(2π)3d3p(δij−p2pipj)(ω+ω′)∫d3x ei(p−k)⋅x∫d3y e−i(p−k′)⋅y=εiλ(k)εjλ′∗(k′)ei(ω−ω′)t∫(2π)3d3p(δij−p2pipj)(ω+ω′)(2π)3δ3(p−k)(2π)3δ3(p−k′)=εiλ(k)εjλ′∗(k′)ei(ω−ω′)t(2π)3δ3(k−k′)(δij−k2kikj)(ω+ω′)
此时 δ3(k−k′) 强制要求 k′=k,这蕴含着 ω′=ω。因此时间依赖项 ei(ω−ω′)t=1,且 (ω+ω′)=2ω。表达式化简为:
[aλ(k),aλ′†(k′)]=(2π)32ωδ3(k−k′)[εiλ(k)εjλ′∗(k)(δij−k2kikj)]
展开方括号内的极化矢量缩并:
εiλ(k)εjλ′∗(k)(δij−k2kikj)=ελ(k)⋅ελ′∗(k)−k2(k⋅ελ(k))(k⋅ελ′∗(k))
根据式 (55.13) 的横向条件 k⋅ελ(k)=0,第二项为零。
根据式 (55.14) 的正交归一条件 ελ′(k)⋅ελ∗(k)=δλ′λ,对其取复共轭即得 ελ′∗(k)⋅ελ(k)=δλλ′。
代入后最终得到:
[aλ(k),aλ′†(k′)]=(2π)32ωδ3(k−k′)δλλ′(55.23)