En la mayoría de las referencias que he visto (ver, por ejemplo, el problema 2.2 de Peskin y Schroeder, o la sección 2.5 aquí ), uno construye el operador de campo ϕ ^ para el complejo campo Klein-Gordon como sigue:
Primero, tomas la densidad Lagrangiana para el campo clásico de Klein-Gordon
Mi pregunta es: ¿Por qué necesitamos dos operadores de partículas diferentes para definir ϕ ^ y π ^ ? Me parece que uno podría simplemente definir
que es, hasta algunos detalles sobre la normalización de la una ^ pag correcto Entonces tendríamos un campo de Klein-Gordon con un solo tipo de excitación, el una ^ pag excitación. ¿Por qué todos los libros de texto afirman que necesitamos dos excitaciones bosónicas separadas, una ^ pag y segundo ^ pag ?
El punto es que el procedimiento de cuantificación generalmente solo es válido para observables físicos de valor real. Todas las versiones de tratar los observables clásicos como funciones reales en el espacio de fase (las cosas se complican más para los fermiones, que ignoraré en este tema), y asociar los observables cuánticos a esos. Por ejemplo, el operador de aniquilación de oscilador armónico a = x + i p No es realmente un objeto al que se le permite mirar en la mecánica hamiltoniana clásica: no se producen funciones complejas de valor, o más bien, no son diferentes de solo un par de funciones de valor real que representan la parte real e imaginaria.
Por lo tanto, para cuantificar un campo escalar complejo. ϕ , hay que escribirlo como ϕ = ϕ 1 ( x ) + i ϕ 2 ( x ) , y cuantificar ambos campos escalares reales por separado. Esto produce la expansión de modo habitual del campo escalar complejo con dos conjuntos diferentes de operadores de creación / aniquilación. Para un campo real, podemos tratar una pag y una † pag Como operadores porque pueden obtenerlos a partir de la transformada de Fourier de los campos. ϕ ( x ) y π ( x ) , que son valores reales y por lo tanto operadores después de la cuantización. Tanto la transformada de Fourier como el cómputo de una pag y una † pag debe pensarse que se lleva a cabo después de la cuantificación para ser consistente con la derivación de las relaciones de conmutación de una pag un † pag de la CCR de ϕ y π .
Además, tenga en cuenta que su intento es inconsistente con la cuantización del campo escalar real de otra manera: cuando imponemos ϕ = ϕ † en su campo escalar, también obtenemos a = a † porque ϕ ˙ = ϕ ˙ † = π en ese caso, lo que contradice su relación de conmutación no nula. Por lo tanto, su versión de la cuantización del campo escalar complejo no se reduce a la cuantificación del campo escalar real y, por lo tanto, es una prescripción de cuantificación completamente diferente.
En primer lugar y personalmente, no me gustan los primeros capítulos de Peskin y Schroeder. Creo que es un libro mejor para los profesores que para los estudiantes que aprenden la materia por primera vez. (Otoh creo que se pone mejor después).
Creo que es más instructivo seguir a Srednicki, por ejemplo, en este caso. También utiliza Srednicki. d i a g ( - 1 , 1 , 1 , 1 ) convención métrica, pero en algunos casos puede alternar entre las convenciones métricas insertando - 1 y yo 's.
Primero tomamos un campo escalar clásico con la intención de la cuantización canónica a la Dirac.
Escribimos el Lagrangiano para un campo escalar de valor complejo libre:
Ya que en este momento ϕ Es solo una función de valor complejo, es decir, ϕ ( x ) es un numero, tenemos ϕ † = ϕ ∗ , por lo que igualmente podría escribir el Lagrangiano con dagas.
Tomamos nota de la ecuación de movimiento para ϕ es:
Ahora algunas funciones que satisfacen este pde son
dónde k es un vector de onda real arbitrario, y ω es:
con coeficientes (todavia no operadores) a ( k ) y b ( k ) , ya que aún no hay razón para asumir que deberían estar relacionados. F ( k = | k | ) se inserta por la razón posterior de hacer que la medida de integración lorentz sea invariante y será proporcional a ω .
Si ϕ era real ϕ ∗ = ϕ , entonces tendríamos:
Simplemente cambiamos k → - k en línea 2 . Comparando encontramos que a ( k ) = b ∗ ( - k ) o una ∗ ( - k ) = b ( k ) . Subestando en esto por ϕ ,
Para reconciliarte con P&S puedes cambiar. k → p con un ℏ ≡ 1 En unidades naturales. También puede calcular π Por el impulso conjugado y diferenciador. Puedes cuantificar canónicamente ϕ y π después o elegir cuantizar una 's. Cambio una ∗ a una † etc.
De todos modos, algunas diferencias entre el campo escalar real y complejo serán que en el campo real obtienes partículas neutras, y el campo complejo obtienes dos partículas cargadas, de cargas opuestas. Esto viene de la simetría de la fase de selección del campo. ϕ en el lagrangiano, que no tienes para el campo escalar real. También hay que hacer una reinterpretación de la segundo operador en el caso complejo para evitar tener estados de energía negativos, el problema del mar de Dirac esencialmente. Asi que segundo Debería acabar creando antipartículas. Verás algo de este tipo con la cuantización del campo de Dirac de todos modos.
Si ϕ solo tiene un oscilador independiente en la descomposición de Fourier, no es la solución más general de las ecuaciones de Euler-Lagrange (de eom). El campo ϕ Es decir, antes de la cuantificación, solo un número complejo y, por lo tanto, debe tener 2 grados de libertad independientes, no uno como se escribe arriba.
Existe una manera conceptualmente simple (pero complicada) de relacionar esta expansión con la expansión de Fourier habitual. TL; DR: Requerir ϕ para satisfacer la ecuación de Klein-Gordon, se dividen los componentes de Fourier distintos de cero en dos clases, correspondientes a partículas y antipartículas.
Para un campo escalar complejo general definido en espacio-tiempo,
Hasta ahora, el campo es completamente clásico ( una pag y segundo pag son simplemente números complejos, y † es conjugación compleja). Así, incluso el campo clásico tiene dos tipos de excitaciones: soluciones de frecuencia positiva (con coeficientes una pag ) y soluciones de frecuencia negativa (con coeficientes segundo † pag ). Tras su cuantificación, corresponden a partículas y antipartículas.
¡La razón fundamental por la que necesitamos dos especies diferentes de operadores de creación / aniquilación para un campo escalar complejo es la relatividad!
Una teoría relativista, como la teoría cuántica de campos, debe ser causal. Esto implica que la amplitud de una partícula a ser creada en X y aniquilado en y , con x - y Espacio como, debe desaparecer. La partícula no puede propagarse fuera del cono de luz. Suponer que
Para obtener ese [ ϕ ( x ) , ϕ † ( y ) ] desaparece fuera del cono de luz pero no dentro, debemos permitir ondas planas de energía / frecuencia negativa en la expansión de campo. El último paso es interpretar estas ondas planas de energía negativa como correspondientes a antipartículas (energía positiva) con momentos opuestos a las partículas correspondientes. Necesitamos por lo tanto dos especies de operadores de creación / aniquilación, una pag un † pag para partículas y segundo pag , b † pag Para las antipartículas. Uno puede comprobar que
Harry Johnston
Qmecánica ♦