习题 56.1 - 解答
题目分析与解题过程
为了验证公式 (56.9) 和 (56.10),我们需要从自由电磁场矢势的模式展开出发,计算两点编时关联函数(即 Feynman 传播子),并证明其与动量空间积分表示等价。
第一步:计算 Wightman 函数 ⟨0∣Ai(x)Aj(y)∣0⟩
根据公式 (55.11),自由电磁场矢势的展开式为:
A(x)=λ=±∑∫dk[ελ∗(k)aλ(k)eikx+ελ(k)aλ†(k)e−ikx]
其中洛伦兹不变相空间测度为 dk=(2π)32ωd3k,且 kx=k⋅x−ωx0(采用 (−,+,+,+) 度规)。
计算真空期望值 ⟨0∣Ai(x)Aj(y)∣0⟩ 时,由于湮灭算符作用于右侧真空态为零(aλ(k)∣0⟩=0),产生算符作用于左侧真空态为零(⟨0∣aλ†(k)=0),唯一非零的项是包含 aλ(k)aλ′†(k′) 的交叉项:
⟨0∣Ai(x)Aj(y)∣0⟩=λ,λ′∑∫dkdk′ελi∗(k)ελ′j(k′)eikxe−ik′y⟨0∣aλ(k)aλ′†(k′)∣0⟩
利用对易关系 (55.21-55.23),特别是 [aλ(k),aλ′†(k′)]=(2π)32ωδ3(k′−k)δλλ′,可得:
⟨0∣aλ(k)aλ′†(k′)∣0⟩=(2π)32ωδ3(k′−k)δλλ′
代入积分并消去 k′ 和 λ′,得到:
⟨0∣Ai(x)Aj(y)∣0⟩=∫dkλ=±∑ελi∗(k)ελj(k)eik(x−y)
第二步:构造编时乘积 ⟨0∣TAi(x)Aj(y)∣0⟩
编时乘积定义为:
⟨0∣TAi(x)Aj(y)∣0⟩=θ(x0−y0)⟨0∣Ai(x)Aj(y)∣0⟩+θ(y0−x0)⟨0∣Aj(y)Ai(x)∣0⟩
定义极化求和张量 Πij(k)=∑λ=±ελi∗(k)ελj(k)。在库仑规范下,该张量为横向投影算符 Πij(k)=δij−k2kikj。显然,Πij(k) 是实对称的(Πji(k)=Πij(k)),且关于 k 是偶函数(Πij(−k)=Πij(k))。
将 Wightman 函数代入编时乘积:
⟨0∣TAi(x)Aj(y)∣0⟩=θ(x0−y0)∫dkΠij(k)eik(x−y)+θ(y0−x0)∫dkΠji(k)e−ik(x−y)
对于第二项,由于 Πji(k)=Πij(k),且积分测度 dk 不变,我们可以作变量代换 k→−k。此时空间动量部分反号,但频率 ω=∣k∣ 保持不变:
∫(2π)32ωd3kΠij(k)e−ik⋅(x−y)+iω(x0−y0)k→−k∫(2π)32ωd3kΠij(k)eik⋅(x−y)+iω(x0−y0)
因此,编时乘积可以统一写为:
⟨0∣TAi(x)Aj(y)∣0⟩=∫(2π)32ωd3kΠij(k)eik⋅(x−y)[θ(x0−y0)e−iω(x0−y0)+θ(y0−x0)eiω(x0−y0)]
第三步:计算动量空间传播子积分
现在我们计算公式 (56.10) 给出的传播子 Δij(x−y):
i1Δij(x−y)=i1∫(2π)4d4kk2−iϵeik(x−y)Πij(k)
在四维积分中,k2=−(k0)2+k2。分离出 k0 的积分:
I=∫−∞∞2πdk0−(k0)2+k2−iϵe−ik0(x0−y0)
被积函数在复 k0 平面上有两个单极点:k0=±k2−iϵ≈±(ω−iϵ)。
- 当 x0−y0>0 时,为使指数衰减,我们在下半平面闭合积分回路,包围极点 k0=ω−iϵ。根据留数定理(顺时针方向引入负号):
I=−2πi−2ω(2π)e−iω(x0−y0)=2ωie−iω(x0−y0)
- 当 x0−y0<0 时,我们在上半平面闭合积分回路,包围极点 k0=−ω+iϵ。根据留数定理(逆时针方向):
I=2πi2ω(2π)e−i(−ω)(x0−y0)=2ωieiω(x0−y0)
利用阶跃函数将两种情况合并:
I=2ωi[θ(x0−y0)e−iω(x0−y0)+θ(y0−x0)eiω(x0−y0)]
将 I 代回 i1Δij(x−y) 的表达式中:
i1Δij(x−y)=i1∫(2π)3d3kΠij(k)eik⋅(x−y)×2ωi[θ(x0−y0)e−iω(x0−y0)+θ(y0−x0)eiω(x0−y0)]
化简后得到:
i1Δij(x−y)=∫(2π)32ωd3kΠij(k)eik⋅(x−y)[θ(x0−y0)e−iω(x0−y0)+θ(y0−x0)eiω(x0−y0)]
结论
对比第二步和第三步的最终结果,两者完全一致。因此我们证明了:
⟨0∣TAi(x)Aj(y)∣0⟩=i1Δij(x−y)
其中 Δij(x−y) 的动量空间表示正是公式 (56.10),从而成功验证了公式 (56.9) 和 (56.10)。