Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Kaku_M._Vvedenie_v_teoriju_superstrun

.pdf
Скачиваний:
100
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
4.61 Mб
Скачать

50

Гл. 1.

Континуальные интегралы и точечные

частицы

через гармонические осцилляторы:

 

р =

(\т<й)т

+ а\

 

х = i(2m(o)~ 1/2(а — яt ).

(1.8.3)

Здесь

 

 

 

к = тсо2.

 

(1.8.4)

Чтобы удовлетворялось каноническое коммутационное соотношение

(1.8.2), должно

выполняться

 

[я, я+] = 1.

 

(1.8.5)

Подставляя это выражение в гамильтониан, находим

 

Н = ]-(о(аа +

а).

(1.8.6)

Выделяя член с очислом, можно записать это выражение в нормально упорядоченном виде

Я = со(я+я + Ы

(1.8.7)

где h 0 - энергия нулевой точки. Теперь можно ввести гильбертово пространство гармонических осцилляторов. Определим вакуум выражением

я|0> = 0.

(1.8.8)

Тогда элемент фоковского пространства для гамильтониана гармонического осциллятора дается выражением

/п!

(1.8.9)

 

и состояния образуют ортонормированный базис:

 

(п\т) = 8пт.

(1.8.10)

Энергия системы квантована и дается выражением

 

Ея = (п + \) со.

(1.8.11)

Пока что система была представлена лишь в формализме первичного квантования. Мы квантовали каждый раз только одну точечную частицу. Теперь мы хотим перейти к волновой функции вторичного квантования, введя

| Ф > = £ Ф » ,

(1.8.12)

п — О

 

§ 1.8. Гармонические осцилляторы

51

где выполнено разложение в степенной ряд по основным состояниям гармонического осциллятора. Так, вместо описания одиночного возбужденного состояния точечной частицы мы вводим теперь волновую функцию, которая будет суперпозицией произвольного числа возбужденных состояний.

Дадим важное определение

 

<х|Ф> = Ф(х).

(1.8.13)

Это выражение можно вычислить в явном виде. Заметим, что теперь у нас есть два независимых набора основных состояний, а именно основные состояния гармонического осциллятора |«> и собственные векторы положения |л;>. Теперь нужно вычислить способ перехода от одного из этих базисов к другому и обратно.

Для начала исследуем простейший матричный элемент:

 

о0(х) = х |0>.

(1.8.14)

Этот матричный элемент удовлетворяет уравнению

 

О = <лг|а|0>

 

у/2т(о

 

= (2 тсо)~1/2 ^ - Yx - imwx^ < л: 10>

 

= - / ( 2 m c o ) - 1 / 2 ^ + m c o ^ a 0 W .

(1.8.15)

Последнее из этих уравнений можно решить точно:

 

о0(х) = (тсо/я)1/4е-1/2^2,

(1.8.16)

где

 

£ = (тсо)1/2л:.

(1.8.17)

Теперь можно непосредственно вычислить все такие матричные элементы. Пусть

ап(х) = (х\п)

(x\(n!)-ll2Jn\0)

= («/)" 1/2(2mco)~n(1/2) х\[р + imcoxY \ 0>

=

(«/)"1/2(2mco)-(1/2)n(-+ imcoxj

о0(х).

(1.8.18)

Поэтому решением служит

 

 

оп(х) =

Г(2пп!у1,2(т(о/к)114(^ - -j^j

e~mV.

(1.8.19)

4*

52 Гл. 1. Континуальные интегралы и точечные частицы

Вобщем случае эта формула выражает не что иное, как многочлены Эрмита #„. С их помощью можно выразить друг через друга собствен-

ные состояния \х} и базисные векторы \п>:

 

00

00

 

l * > =

I 1«><«1*>=

I I «><*„(*),

 

 

и=1

п=1

 

| п) =

\x)\dx(x\n) = \dxan{x) |х>.

(1.8.20)

Итак, используя (1.8.12) и (1.8.20), мы получаем степенное разложение волновой функции по полному набору ортогональных многочленов, а именно по многочленам Эрмита:

Ф(х) = <х|Ф> = <*| | ф„|и>=

| ФпНп(£,)е-°/2*2.

(1.8.21)

п=1

п = 1

 

Подобным образом нетрудно вычислить функцию Грина для распространения точечной частицы в поле потенциала гармонического осциллятора. Функция Грина была бы той же, если бы мы начали в рамках формализма вторичного квантования с действием

L = 9(x)*(idt + ^ V2 - ^кх2^Ф(х).

(1.8.22)

Из этого вторично квантованного действия мы можем поэтому получить уравнения движения:

i d M x ' t ) = \ _ 2 +

к х 2 ] Ф { х > t ]

= НФ(х, t).

(1.8.23)

Отсюда можно определить канонические импульсы, сопряженные Ф(л;, /), такие, что удовлетворяются канонические квантовые соотношения

[П(х, /),Ф(*\ г)] = ~

- *').

(1.8.24)

§ 1.9. ТОКИ И ВТОРИЧНОЕ КВАНТОВАНИЕ

Начнем с обсуждения релятивистской теории вторичного квантования, которая, как мы видели, в рамках теории возмущений эквивалентна первично квантованной теории. При квантовании точечной частицы в формализме Гупты-Блейлера мы пришли к уравнениям движения

[• — т 2 ] ф = 0,

(1.9.1)

которые можно вывести из вторично квантованного действия

 

L = i [ ^ c p + m2(p2].

(1.9.2)

Одним из наиболее мощных методов, которые мы использовали при

§ 1.9. Токи и вторичное квантование

53

изучении теории первичного квантования, была симметрия. Теперь нам хотелось бы рассмотреть симметрии, возникающие в рамках формализма вторичного квантования.

Сначала вычислим уравнения движения, проварьировав поле и потребовав, чтобы действие при такой вариации было стационарным:

5S = 0 =

'ЬЬ 0

5L

(1.9.3)

— 5ф ++ ^ Ч . Ф ).

 

чбф

 

 

Проинтегрируем по частям, используя

Если временно пренебречь поверхностным членом, то действие будет стационарным при выполнении следующего уравнения движения:

5L

5L

 

 

=

(1.9.5)

Подстановка лагранжиана в это уравнение дает уравнения движения, воспроизводящие найденное ранее ограничение для формализма первичного квантования.

Сделаем теперь небольшое изменение полей, параметризованное малым, но пока не определенным числом еа:

8ф = 0 5 в а .

(1.9.6)

Если подставить это выражение в предыдущее уравнение для вариации действия, сохраняя поверхностный член неизменным и предполагая выполненными уравнения движения, то получим следующее уравнение:

Определим тензор в скобках как ток:

^

5L 5ф

1 9 8

 

цф5еа'

 

Тогда мы получаем важное уравнение

 

8S =

 

(1.9.9)

Так, если действие S стационарно при этой вариации, то мы получаем сохраняющийся ток

д ^ а = 0.

(1.9.10)

Мы будем использовать это уравнение снова и снова при обсуждении струн, когда нам понадобится найти ток для суперсимметрии и кон-

54 Гл. 1. Континуальные интегралы и точечные частицы

формной инвариантности. Наконец мы заметим, что суммарный заряд Qa, связанный с током, постоянен во времени:

jcfxd^ = jdD~1xd0Joa + поверхностный член.

(1.9.11)

Так,

 

<? = j<p-ixja0,

(1.9.12)

иdt

Наконец, мы хотим построить еще один сохраняющийся ток, связанный с действием. Сделаем небольшую вариацию пространственновременной переменной:

=

(1.9.13)

При этом изменении элемент объема в интервале меняется так:

bdDx = cf)xdvbx*.

(1.9.14)

Следовательно, вариация действия при этом изменении равна

5S = \(Рх

 

4- 5L],

 

 

 

(1.9.15)

5L= 5

u

5 L

5L

 

L+ — 5ф + ——5д„ф.

 

 

Оф

Од^ф ^

Если теперь предположить, что уравнения движения удовлетворены, то получим

5S = K 4 i { ( + L5v - J^a v<p)&cv } •

(1.9.16)

Если мы теперь определим тензор энергии-импульса как

 

ТцV = 5L

- ЛцуL,

(1.9.17)

то получим уравнение

 

bS = $dDxdil(T^bxv).

(1.9.18)

Так что если действие не изменяется при данном изменении простран- ственно-временной переменной, то тензор энергии-импульса сохраняется:

д ^ = 0 .

(1.9.19)

Например, для действия скалярной частицы тензор энергии-импульса принимает вид

ТцV = дцфдуф - Лцу^;

(1.9.20)

§ 1.9. Токи и вторичное квантование

55

эта величина сохраняется, если уравнения движения удовлетворены. Наконец, поучительно рассмотреть, как различные процедуры кван-

тования применяются к полю Янга-Миллса (см. приложение). Начнем с SUC/NO-инвариантного действия:

 

 

(1.9.21)

где

 

 

F ;v =

d,Aav-dvA;-rb<A*Acv.

(1.9.22)

Это действие инвариантно относительно

 

5А ; =

-fabcAlA\

(1.9.23)

где Л°-калибровочный параметр.

 

Метод континуального интеграла начинает с функционала

 

(1.9.24)

Теперь рассмотрим три метода квантования.

Кулоновское квантование

Калибровочная инвариантность позволяет выбрать калибровку

Мы можем проинтегрировать по компоненте А0, поскольку она не содержит производных по времени, так что кулоновская формулировка с очевидностью свободна от духов. (Цена, которую приходится за это платить, это, конечно, отсутствие явной лоренц-инвариантности, которую нужно проверять вручную.) В этой калибровке действие принимает вид

L= + 1-(д0А°)2 ]-(Faij)2 + ...,

(1.9.25)

где все поля являются поперечными. Это каноническая форма лагранжиана.

Квантование ГуптыБлейлера

Формулировка Групты-Блейлера обладает тем преимуществом, что мы можем сохранить явную лоренц-инвариантность, не нарушая унитарности. Например, возьмем калибровку

д ^ а = 0.

(1.9.26)

В этой калибровке пропагатор безмассовых векторных частиц принима-

56 Гл. 1. Континуальные интегралы и точечные частицы

ет вид

(1.9.27)

Заметим, что этот пропагатор в явном виде содержит дух. Времениподобное возбуждение обладает коэффициентом — 1 в пропагаторе, что соответствует духу. Однако мы можем осуществить квантование в этом ковариантном подходе, поскольку мы наложим устраняющую духи связь на гильбертово пространство:

<Ф |

11|/> = 0.

(1.9.28)

Эта связь позволяет разрешить его относительно духовых мод и тем самым устранить их. Итак, хотя свободный пропагатор допускает распространение духов, но гильбертово пространство свободно от духов, так что сама теория одновременно и лоренц-инвариантна, и свободна от духов.

Квантование BRST

Подход BRST начинается с вычисления детерминанта ФаддееваПопова (1.6.10). Вычислим определитель следующей матрицы:

§ ( У Г ( * )

М=

ць(у)

=

(54 (л; — у) ЪаЬ).

(1.9.29)

Как и выше, можно записать определитель матрицы АаЪ, включив его в действие с помощью (1.6.10):

L= — \F% + ^(VO2 + caMabcb.

(1.9.30)

Здесь антикоммутирующие духовые поля Фаддеева-Попова представлены величинами с и с. Это действие инвариантно относительно следующего преобразования BRST:

5 4 = ( V r s ,

дса = -X-fabdcbcd s,

(1.9.31)

5с° = а- ( О Н 8.

Опять же важно заметить, что преобразование BRST является ниль-

 

 

«

 

§

1.10.

Резюме

57

тентным. Симметрия BRST

не

связана с сохранением

каких-либо

П блюдаемых величин. Для этой симметрии мы можем найти генератор

^этого преобразования,

такой что

= 0.

(1.9.32)

физические состояния рассматриваемой теории тогда удовлетворяют условию

Q | физ) = 0.

(1.9.33)

§ 1.10. РЕЗЮМЕ

Самый большой парадокс теории струн, которая призвана обеспечить единый подход ко всем известным взаимодействиям, состоит в том, что сама эта теория столь неупорядоченна. Она часто вызывает разочарование у начинающих ее изучать, поскольку в ней очень много исторических традиций, условностей и произвольных правил игры, не имеющих идейного обоснования. Важнейшая причина такого положения-то, что теория струн исторически развивалась в обратном направлении как первично квантованная теория, а не как вторично квантованная теория, в которой все соотношения определяются через фундаментальную ве- личину-действие. Недостатки подхода первичного квантования следующие:

(1)Взаимодействия приходится вводить вручную. Их нельзя вывести из одного действия.

(2)Унитарность в этом подходе не очевидна. Подсчет диаграмм требует трудоемкой проверки.

(3)Формулировка проводится в рамках теории возмущений, так что важнейшие непертурбативные вычисления, вроде размерной редукции, неосуществимы.

(4)Теория формулируется только на массовой поверхности.

Напротив, преимущества подхода вторичного квантования состоят именно в том, что все может быть выведено из единственного действия, определенного вне массовой поверхности, что унитарность обеспечивается явным образом и что непертурбативные вычисления в принципе могут быть выполнены.

К сожалению, теория струн исторически развивалась как теория первичного квантования. Поэтому она строилась в обратном направлении, и геометрическая теория вторичного квантования все еще находится в младенческом возрасте. По причинам педагогического характера мы ввели теорию струн с квазиисторической точки зрения, начав с теории первичного квантования и затем развив теорию вторичного квантования и изложив геометрические факты, лежащие в ее основе. Мы надеемся, что в будущем эту последовательность изложения удастся обратить.

Чтобы по возможности снизить масштабы произвола при построе-

58

Гл. 1. Континуальные интегралы и точечные частицы

нии теории первичного квантования, в этой главе мы попытались заложить основы теории струн в формализме континуального интеграла. Этот функциональный формализм обладает огромным преимуще~ ством-возможностью выражать калибровочные теории первичного и вторичного квантования с одинаковой легкостью. Мы находим, фактически, что значительную часть теории точечных частиц в формулировке континуального интеграла можно целиком включить в теорию струн.

Метод континуального интеграла постулирует два основополагающих принципа, выражающих сущность квантовой механики:

(1)Вероятность Р(а, Ь) того, что частица переместится из точки а в точку Ъ, дается квадратом модуля функции перехода К (а, Ь)\

Р{а,Ь)

=

\К{а,Ь)\2.

(2) Функция

перехода задается суммой фазовых множителей elS, где

S есть действие, взятой по всем возможным путям, ведущим из а и Ь:

К (а,

Ь)= £

keiS-

 

 

пути

 

В пределе непрерывных путей (траекторий) получаем

 

 

ь

 

К (a,

b) = lDxeiS,

где

 

а

 

 

 

 

Dx =

lim

3

N

П

П dxitH.

 

N->ooi=ln=l

Действие S первично квантованной точечной частицы дается длиной траектории, прочерчиваемой частицей в пространстве-времени. Лагранжиан для точечной частицы можно представить тремя способами:

Форма 1-го порядка (гамильтонова): L = р^ЗР — Х-е(р\ 4- т2 ),

Форма 2-го порядка: L = ]-(e~lxl — ет2),

(1-10.1)

Нелинейная форма: L = — m j —

К сожалению, из-за того, что все эти три формы действия параметризационно инвариантны, континуальный интеграл расходится. Поэтому процедура квантования должна разрушить эту калибровочную симметрию и дать правильную меру для функционала.

Эти формы действия можно квантовать тремя разными способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Вот эти способы.

(1) Кулоновское квантование Явным образом зафиксировав значение некоторых полей, например

§ 1.10. Резюме

59

положив

Xoszt=zX'

jrtbi можем устранить мешающие нам состояния с отрицательной м е т р и к о й , и лагранжиан примет вид mvf. Кулоновское квантование

поэтому явно свободно от духов. Однако недостаток этого методато, что он очень неудобен, поскольку явная лоренц-инвариантность разрушается и должна быть проверена на каждом уровне.

(2)Квантование Гупты-Блейлера Преимущество метода квантования ГуптыБлейлера состоит в том,

что мы получаем явно ковариантную программу квантования. Конечно, теперь духи с отрицательной метрикой могут свободно циркулировать по теории, но они в конечном итоге устраняются наложением калибровочных условий непосредственно на гильбертово пространство:

[/и + т2 ]|ф> = 0.

Так, S-матрица в конце концов оказывается свободной от духов. Недостаток этого подхода, однако, в том, что наложение этих калибровочных условий, особенно на уровне взаимодействий, часто весьма затруднительно.

(3) BRST-квантование

Этот метод квантования сохраняет достоинства обоих предыдущих. Теория является явно ковариантной, но S-матрица по-прежнему унитарна, поскольку добавление к теории духовых полей в точности компенсирует сокращающиеся с ними состояния с отрицательной метрикой. Метод BRST налагает калибровку е = 1 в форме первого порядка и затем вставляет член ФаддееваПопова ДРР в функционал, чтобы получить правильную меру. Можно ввести этот определитель в действие в экспоненциальной форме, использовав грассмановы переменные:

Арр = det | | =

Полученное действие с фиксированной калибровкой обладает остаточной симметрией, которая порождается BRST-зарядом а. (Эта новая симметрия не приводит к устранению каких-либо новых полей.)

При обобщении этих методов на случай взаимодействий формулировка континуального интеграла начинается с основополагающей формулы для функции перехода N-частичного рассеяния:

A(k1,k2.-..kN)= Z gn$DxAFP

топологии

х exp jifAL(f) + i £ fc^j = YSDx(e-lMr> • (1.10.2)

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]