量子場論(三):實(shí)標(biāo)量場的正則量子化、平面波展開
若場是一個洛倫茲標(biāo)量,那么它就是標(biāo)量場。在固有保時向洛倫茲變換下,若時空坐標(biāo)的變換為
則標(biāo)量場
的變換形式是:
實(shí)標(biāo)量場滿足自共軛條件:
進(jìn)行量子化之后,實(shí)標(biāo)量場是一個厄米算符。
不參與相互作用的自由實(shí)標(biāo)量場的拉格朗日量密度為:
或:
其中是實(shí)標(biāo)量場的質(zhì)量。拉格朗日量密度的第一項(xiàng)稱為動能項(xiàng),第二項(xiàng)稱為質(zhì)量項(xiàng)。由于:
所以:
總結(jié)起來就是:
把這些結(jié)果代入到歐拉-拉格朗日方程中去,可得到標(biāo)量場滿足如下的克萊因-高登方程:
這個方程還有其他的形式,不過只是寫法上的不同,沒有本質(zhì)區(qū)別:
實(shí)標(biāo)量場對應(yīng)的共軛動量密度為:
那么實(shí)標(biāo)量場的哈密頓量密度表示為:
現(xiàn)在,把實(shí)標(biāo)量場與動量密度都看作算符,則等時對易關(guān)系為:
這種做法叫正則量子化。
在量子力學(xué)中,單粒子波函數(shù)的平面波解為:
由于:
可見,能量與動量算符分別為:
組合起來,四維動量算符是:
平面波解可表達(dá)為則:
也就是說,這個平面波解描述四維動量為的粒子。
現(xiàn)在在量子場論中討論。設(shè)實(shí)標(biāo)量場具有平面波解:
則有:
為了滿足這個條件,要求:
其中:
從而,克萊因-高登方程有兩種平面波解,分別是的正能解:
和的負(fù)能解
從而,滿足克萊因-高登方程的場算符的一般解為(這里做了傅里葉展開,把場算符展開成無窮多個
):
其中和
都是只依賴于
的算符,
是歸一化因子。
取一下厄米共軛,得到:
因此,實(shí)標(biāo)量場的自共軛條件,要求:
因而:
令為粒子的動量
則有:
其中是正的,滿足質(zhì)殼條件:
即
是湮滅算符,對應(yīng)于正能解,
是產(chǎn)生算符,對應(yīng)于負(fù)能解。
共軛動量密度的平面波展開為: