Что на самом деле означает «определить поле» в QFT?

Прежде всего: как определить один оператор в гильбертовом пространстве? Это чисто математический вопрос, и ответ прост: у нас есть гильбертово пространство. ЧАС , то определим функцию А : Д ( А ) ЧАС ЧАС что линейно , Д ( А ) являющийся его доменом.

Затем мы должны определить функцию. Другими словами, мы должны сказать, как А действует на Д ( А ) . Это означает, что мы должны сказать, что А | ψ для каждого | ψ е Д ( А ) . Обычно мы делаем это, устанавливая правило в терминах общего | ψ , возможно, используя основу, или иногда мы можем сделать это косвенным образом.

Что касается определения функции, то это происходит во всей математике: чтобы определить функцию, нам нужно множество, и тогда мы определяем функцию на некотором подмножестве этого множества. Таким образом, невозможно определить функцию, если мы заранее не знаем: (i) множество ЧАС , (ii) домен Д ( ф ) ЧАС и (iii) диапазон ЧАС .

В случае гильбертовых пространств ЧАС известное гильбертово пространство к задаче, Д ( ф ) является доменом оператора и ЧАС "=" ЧАС . Давайте позвоним л ( ЧАС ) множество всех операторов в гильбертовом пространстве ЧАС .

Это просто математика. Теперь, если мы хотим определить поле операторов в пространстве-времени , что нам нужно? Что ж, следуя этой логике (это стандартная математика, ничего особенного ), нам нужна функция ф : М л ( ЧАС ) . Но, подождите, чтобы построить эту функцию, нам нужно сказать, как она действует. Другими словами, для каждого события Икс е М мы должны сказать, что ф ( Икс ) есть .

Хорошо, так как мы можем сказать, что ф ( Икс ) ? Это оператор в ЧАС . Следовательно, чтобы определить ф ( Икс ) нам нужно сказать, как он действует на ЧАС , в своей области Д ( ф ( Икс ) ) . Другими словами, нам нужно указать для каждого Икс е М что за действие ф ( Икс ) | ψ для каждого | ψ е ЧАС , иначе мы не определили ф совсем.

Можно возразить, что квантовые поля следует рассматривать как операторнозначные распределения, хотя я все еще не уверен, является ли это стандартным подходом, но в любом случае проблема остается, и это то же самое. Чтобы определить квантовое поле ф ( ф ) мы должны сказать, как это действует ф ( ф ) | ψ для каждой тестовой функции ф и каждый | ψ е ЧАС .

И, конечно же, нам нужно ЧАС . Хотя это менее важно, поскольку все гильбертовы пространства одинаковой размерности изоморфны. С другой стороны, действительно определяющее ф является жизненно важным.

Теперь возникает вопрос: что физики делают в КТП? Они выбирают одно скалярное поле ф ( Икс ) и сказать: "Хорошо, теперь мы просто делаем ф ( Икс ) стать операторами, подчиняющимися [ ф ( Икс ) , π ( у ) ] "=" я дельта ( Икс у ) и мы закончили». Еще больше сделано! Один пишет ф ( Икс ) с точки зрения других операторов а ( п ) , которые также неизвестны и относятся к коммутационному соотношению. Затем вы представляете: «Хорошо, следующим шагом, естественно, является определение этих операторов», и ничего не делается , все операторы остаются неопределенными с предложенными коммутационными соотношениями. Как можно иметь коммутационные соотношения и не иметь операторов?

В квантовой механике я могу даже принять это. Государственное пространство Е существует по постулату, наблюдаемые существуют по постулату, и мы допускаем их все (мы даже можем обратиться к теореме Стоуна-фон Неймана, если хотим быть более строгими). В QFT у нас есть поле, поэтому нам нужна функциональная зависимость ф ( Икс ) , и ни Икс ф ( Икс ) ни | ψ ф ( Икс ) | ψ когда-либо определены.

В этом смысле я действительно запутался. Что на самом деле означает для физиков определение поля в контексте КТП ? Как можно работать с операторнозначными полями (распределениями), если просто говорят, что коммутационные соотношения выполняются, даже не определяя поля и операторы? Что здесь происходит на самом деле?

Абстрактное определение ccr и car C*-алгебр и их неприводимых представлений, вероятно, многое прояснило бы вам. Если у меня будет время позже, я могу написать подробный ответ

Ответы (1)

Вам не нужно определять объекты, если вы предполагаете, что они существуют. Я знаю, это звучит глупо, но именно это и делают для нас аксиомы — они дают нам вещи без необходимости конструировать или оправдывать эти вещи, как в математике, так и в физике. По сути, в квантовой теории поля мы предполагаем , что нам переданы поля с операторными значениями, действующие в некотором гильбертовом пространстве. Это первые две аксиомы Вайтмана : состояния — это лучи в гильбертовом пространстве. ЧАС а «поле» — это распределение со значениями в пространстве операторов на ЧАС . В общей КТП ничего больше не известно — мы не можем описать ЧАС явно, и действие полей в общем случае для нас также загадочно.

Можно сказать, что именно это делает КТП фундаментально более сложной по сравнению с квантовой механикой с конечным числом степеней свободы. Благодаря теореме Стоуна-фон Неймана , даже если предположить, что существуют операторы Икс , п выполнение канонических коммутационных соотношений на некотором пространстве позволяет нам узнать, что это пространство унитарно эквивалентно л 2 ( р н ) и Икс и п воздействовать на мое умножение и дифференцирование, что означает, что мы можем рассматривать состояния как волновые функции и т. д. КМ с конечным числом степеней свободы конкретна в том смысле, что мы можем явно записать пространство состояний и действующих на них операторов. Но мы не определяем Икс и п действовать таким образом априори, именно теорема SvN дает нам возможность поступать так.

Надлежащая аксиоматизация этой установки, предполагающая существование бестелесных «операторов» с коммутационными соотношениями без какого-либо определенного пространства, на которое они действуют, состоит в том, чтобы аксиоматизировать квантовые теории как теорию определенных линейных функционалов (состояний, значений ожидания) на С * -алгебры . реферат С * -алгебра ни на что не действует , а состояния — это просто линейные функционалы на ней, которые соответствуют принятию значений ожидания. Это «внутренний» взгляд на квантовую механику, предполагающий не что иное, как структуру операторов как алгебру — нет ни гильбертова пространства, ни операторов, действующих на что-либо, ничего, поэтому с этой точки зрения вопрос о том, как « определить» квантовое поле просто выглядит глупо — вы записываете образующие алгебры и их отношения, и все (по модулю определения банаховой структуры на нем). Контакт с более привычным миром гильбертовых пространств осуществляется через понятие С * -представления и, в частности, построение ГНС .

В КТП, то есть в квантовой механике с бесконечным числом степеней свободы, нам не хватает силы Стоуна и фон Неймана. Существует бесчисленное множество унитарно-неэквивалентных представлений CCR (это один из аспектов теоремы Хаага ), поэтому мы не можем записать какое-либо конкретное действие поля на какое-то конкретное пространство, просто предполагая, что пространство и поля существуют. Таким образом, мы явно создаем свободное поле (которое вы должны рассматривать как первое определение поля). а п , а п как лестничные операторы в фоковском пространстве, затем собирая поле), и проделывать хитрые трюки, чтобы каким-то образом получить из этого знания о взаимодействующих теориях, например, с помощью формулы LSZ, которая действительно является краеугольным камнем канонического формализма КТП.

Теперь, если вас беспокоит, как физики «определяют» поля, связанные с определенными лагранжианами, то формула LSZ ближе всего к ответу — с помощью LSZ вы получаете все значения вакуумного среднего или «функции Вайтмана», а Суть аксиом Вайтмана как раз в том, что они допускают выполнение теоремы Вайтмана о реконструкции, которая утверждает, что n-точечных функций достаточно для реконструкции полей. Теперь, к сожалению, редко известно, что физические теории являются теориями Вайтмана, но это дорожная карта того, как вы надеетесь строго определить квантовые поля в подходе Вайтмана.

Однако в абстрактной установке вам нужно определить не сами поля как функции, а их С * -алгебра. И учитывая набор классических полей и лагранжиан, это дает вам представление о коммутационных отношениях, используя CCR / CAR между полями и их каноническими импульсами, и, следовательно, алгебру. Так что в абстрактном контексте не так уж много нужно определить, даже в случае квантовых полей.

Спасибо за ваш очень полный ответ @ACuriousMind! Это конечно многое проясняет. Но поскольку я новичок в QFT, у меня все еще есть некоторые сомнения. Например: в классической теории поля мы ищем само поле. ф ( Икс ) поэтому мы не предполагаем, что он у нас уже есть. В конце концов, это и есть цель решения уравнений поля, таких как уравнения Максвелла, чтобы найти Е и Б . Но теперь, в QFT, мы просто предполагаем, что поле уже существует? Я думал, что в КТП цель та же, что и в КТП: выяснить, что такое поле и как оно развивается со временем. Я упускаю смысл в QFT?
Уравнения Максвелла уже содержат E и B. Таким образом, вы не ищете какое-либо поле, а потом находите его.
@ user1620696 QFT - это просто квантовая механика с большим количеством степеней свободы. Мы не решаем для ф ( Икс ) больше, чем мы решаем для Икс в квантовой механике. В обоих случаях, Икс и ф ( Икс ) даны - в картине Гейзенберга эти операторы развиваются, но они не являются основным объектом интереса, вместо этого представляют собой состояния и их эволюцию во времени .
@ACuriousMind: LSZ ничего не говорит вам о получении взаимодействующих полей. Он предполагает, что у вас уже есть взаимодействующее поле, скажем, через его VEV или корреляционные функции Минковского, а затем выдает S-матрицу. Это вопрос, отличный от того, что задает ОП.