Насколько понятие «частица» в КТП соответствует понятию «частица» в экспериментальной физике?

Мое понимание понятия «частица» в квантовой теории поля состоит в том, что оно описывает нечто

  • бесконечность в пространстве (а также во времени?)
  • не имея понятия траектории (абсолютно в любом смысле)
  • (возможно) эффективно неизменяемый или не имеющий временной протяженности, как математические понятия/глобальные утверждения о модели/координатах, или, возможно, минимальное существование, например, просто бинарное существование или кардинальность, но, конечно же, никаких свойств на уровне отдельных частиц

В экспериментальной физике, в частности, включая области, связанные с явлениями, тесно связанными с КТП, существует понятие «частицы», которое соответствует общепринятому английскому употреблению, как хорошо упомянуто в ответе на этот вопрос .

  • локализован в пространстве
  • имеющий определенную траекторию (при соответствующих условиях)
  • обладающие определенными свойствами (с точностью до некоторой неопределенности), изменяющимися во времени (положение, импульс, энергия и т. д.)
  • наблюдается в пузырьковых резервуарах в качестве конкретного примера

Я не спрашиваю, какое из этих определений является «правильным» использованием этого слова. Я также не пытаюсь получить правильную характеристику ни того, ни другого явления; Я уверен, что в некотором роде исказил их, но это не имеет значения, если вы понимаете, о чем я говорю. Меня интересует, соответствуют ли они одному и тому же.

Я знаю о корпускулярно-волновом дуализме в базовой квантовой механике, но в данном случае кажется, что люди просто говорят о разных вещах. Связаны ли они так же, как «поля» в математике и физике (только лингвистически)? Это разные взгляды на одно и то же? Или они, возможно, находятся на противоположных концах концептуальной шкалы?

Спасибо

Ответы (3)

Ваше описание того, как выглядит частица в квантовой теории поля, неточно, но вас можно простить за такое впечатление от первого курса.

Напомним, что квантовая теория поля — это квантово-механическая теория, описывающая произвольное число частиц. Для начала нам нужно указать, что такое квантовые состояния. Это делается путем построения пространства Фока , которое примерно

ЧАС "=" ЧАС 0 ⊕ ЧАС 1 ⊕ ЧАС 1 ⊗ 2 ⊕ ЧАС 1 ⊗ 3 ⊕ …
где ЧАС 0 содержит единственное вакуумное состояние, и ЧАС 1 содержит возможные одночастичные состояния, и ЧАС 1 ⊗ 2 содержит возможные двухчастичные состояния и так далее.

Для конкретности полезно выбрать определенный базис для одночастичных состояний. В случае с физикой элементарных частиц мы часто имеем дело с экспериментами по рассеянию, в которых частицы приходят из бесконечности с очень четко определенным импульсом, поэтому мы выбираем базис импульса. В этом базисе каждая частица бесконечна в пространстве. Но в физике конденсированных сред вы можете просто втыкать провода в любое твердое тело, которое изучаете, чтобы проводить измерения в базисе положения. Соответственно, теория поля конденсированного состояния иногда вводит ЧАС 1 в основе положения.

Принципиальной разницы нет, потому что мы всегда можем идти вперед и назад с помощью линейных комбинаций. Другая важная вещь заключается в том, что, начиная с импульсных состояний, мы можем формировать конечные волновые пакеты , накладывая близкие импульсы. Волновые пакеты могут двигаться, как показано здесь , и имеют примерно определенные траектории. Именно так мы моделируем начальные состояния в реальных экспериментах по рассеянию, где наш коллайдер, к сожалению, имеет конечный размер из-за бюджетных ограничений.

Чтобы ответить на другие ваши вопросы:

  • Частица может иметь множество других свойств. Например, частица может нести некоторый спин или заряд; это все учтено в ЧАС 1 .
  • Частицы развиваются во времени, даже когда они находятся в собственных состояниях импульса. Например, нестабильная частица будет распадаться. Или, если у вас есть состояние с электроном и позитроном в собственных импульсных состояниях, они аннигилируют.
  • В разговорном языке слово «частица» зарезервировано для состояний в ЧАС 1 которые разумно локализованы в положении, в то время как «дуальность волна-частица» есть не что иное, как утверждение, которое некоторые утверждают в ЧАС 1 локализованы, а некоторые нет. Когда мы занимаемся квантовой теорией поля, мы просто называем все в ЧАС 1 частица; нет необходимости его разделять.
Большое спасибо. Если резюмировать ваш ответ очень грубо, то частицы в КТП довольно похожи на частицы в КМ. Я исхожу из того, что тогда нет ничего особенного в состояниях, на которые действуют a и dagger, и сами они не являются однозначно специальными операторами рождения частиц. Между прочим, я раньше не видел, чтобы корпускулярно-волновой дуализм — это термин для полей, имеющих локализованные и нелокализованные состояния, и я нахожу эту точку зрения очень полезной.
@ user183966 Я рад, что это помогло! Чтобы уточнить, КТП не просто похожа на квантовую механику, это частный случай квантовой механики. Просто это настолько сложный частный случай, что он заслуживает отдельного названия.
@knzhou, в каком смысле QFT является частным случаем QM? Вы определяете QM как ЧАС ψ "=" я ∂ т ψ , где ЧАС имеет любое определение и ψ имеет любое определение?
@GonencMogol Да, я определяю теорию QM как теорию с гильбертовым пространством и оператором, который генерирует переводы времени.

Это правда, что то, что мы измеряем в детекторах частиц, — это не те состояния, которые вы обычно используете для вычислений в КТП. Ваше второе, более интуитивное понятие локализованной частицы появляется в теории, когда вы определяете S-матрицу, которая связывает входное и выходное состояния события рассеяния. Они определяются как хорошо разделенные волновые пакеты соответственно в далеком прошлом и далеком будущем.

Оказывается, вы можете связать две картины — теоретически удобную и экспериментально значимую — с помощью формулы LSZ.

Спасибо за родственные понятия. Всегда полезно иметь несколько зацепок для дальнейших исследований.
Пожалуйста. Одним из многих мест, где вы могли бы продолжить чтение по этим концепциям, являются главы 4 и 7 книги Пескина и Шредера по КТП.

Ваше описание понятия частицы в КТП немного не соответствует действительности. То, что вы описываете, является частицей КТП в собственном импульсном состоянии . КТП также может описывать частицы с менее вырожденными волновыми функциями. Их легче локализовать, и они соответствуют тому, что вы называете понятием экспериментальной физики.

Большое спасибо за ответ. Я задаю вопрос таким образом, потому что каждое отдельное описание КТП, с которым я сталкивался, похоже, начинается с лестничных операторов, утверждается, что они добавляют кванты возбуждения в поле, а затем определяются эти кванты как частицы. Явно не указано, что это не единственный экземпляр частицы, но, если мне кажется, возможно, ошибочно, что на это намекают. Также я заметил, что часто, когда людям задают вопросы о частицах в КТП, они говорят не думать так. Я думаю, вы не можете говорить за них.
Насколько понятие «частица» в КТП соответствует понятию «частица» в экспериментальной физике?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v