量子場(chǎng)論(二):量子場(chǎng)論中的正則對(duì)易關(guān)系

在量子力學(xué)中,薛定諤繪景和海森堡繪景提供了兩種等價(jià)的描述方法。
在薛定諤繪景中,態(tài)矢代表隨時(shí)間演化的物理態(tài),而希爾伯特空間中的算符
不依賴于時(shí)間。如果系統(tǒng)的哈密頓算符
不含時(shí)間,則態(tài)矢
與
時(shí)刻的態(tài)矢
通過幺正變換
聯(lián)系起來:
于是便有:
這就是量子力學(xué)中的薛定諤方程,(2.1)式是它的解。
在海森堡繪景中,態(tài)矢定義為:
它不隨時(shí)間演化:
而算符依賴于時(shí)間,通過一個(gè)含時(shí)的相似變換與
聯(lián)系起來:
由于所以:
故哈密頓算符在兩種繪景中相同:
由:
可知,兩個(gè)繪景中力學(xué)量在態(tài)上的平均值相同。而且:
即海森堡繪景中的含時(shí)算符滿足海森堡運(yùn)動(dòng)方程:
上一節(jié)對(duì)簡(jiǎn)諧振子的量子化是在薛定諤繪景中進(jìn)行的,因?yàn)闆]有考慮算符與
隨時(shí)間的演化。將薛定諤繪景下的正則對(duì)易關(guān)系記作
它在海森堡繪景中的形式為:
可見,正則對(duì)易關(guān)系的形式不依賴于繪景。(2.11)式是在同一時(shí)刻成立的,因此(2.11)又稱為等時(shí)對(duì)易關(guān)系。接下來的討論在海森堡繪景中進(jìn)行,省略海森堡繪景的上標(biāo)
將上述討論推廣到具有個(gè)自由度的系統(tǒng),設(shè)海森堡繪景中的廣義坐標(biāo)算符為
廣義動(dòng)量算符為
它們是系統(tǒng)的正則變量。由于不同自由度不該互相影響,則這些算符的等時(shí)對(duì)易關(guān)系為:
在量子場(chǎng)論中,為了平等處理時(shí)間與空間,時(shí)間與空間坐標(biāo)都應(yīng)作為量子場(chǎng)算符的參數(shù)。場(chǎng)論討論的是無窮多個(gè)自由度的系統(tǒng),每一個(gè)空間點(diǎn)上的
都是一個(gè)廣義坐標(biāo)。為了從有限個(gè)自由度過渡到無窮多個(gè)自由度,我們現(xiàn)將空間離散化,劃分成
個(gè)小體積元
再取
的極限讓空間連續(xù)。在體積元
中定義相應(yīng)的廣義坐標(biāo):
這是場(chǎng)在體積元
中的平均值。將
和拉格朗日量密度
在
中的平均值記為:
當(dāng)取的足夠小時(shí),
成為
和
的函數(shù)
拉格朗日量表述為:
于是,與之共軛的廣義動(dòng)量定義為:
由(2.12)式得到等時(shí)對(duì)易關(guān)系:
引入廣義動(dòng)量密度:
等時(shí)對(duì)易關(guān)系變?yōu)椋?/p>
從離散到連續(xù),克羅內(nèi)克爾符號(hào)化為狄拉克
函數(shù)。狄拉克
函數(shù)定義為:
那么這個(gè)無窮很麻煩,無窮大的幾倍還是無窮大,不好定義,所以規(guī)定:
從而,對(duì)于任意函數(shù)有:
狄拉克函數(shù)是偶函數(shù),即:
而且滿足:
約定函數(shù)的傅里葉變換為:
而傅里葉逆變換為:
可見,是
的傅里葉變換。對(duì)于連續(xù)實(shí)函數(shù)
若方程
具有若干分立實(shí)根
則有:
用三個(gè)一維狄拉克函數(shù)之積定義三維狄拉克函數(shù):
三維狄拉克函數(shù)滿足:
對(duì)于任意連續(xù)函數(shù)有:
由(2.26)式推出:
可見,三維狄拉克函數(shù)滿足如下關(guān)系:
在三維空間中,函數(shù)的傅里葉變換是:
逆變換是:
因此,是
的傅里葉變換。
設(shè)是
在
上的平均值,有:
(2.32)式是(2.39)式在時(shí)的極限。即在這個(gè)極限下,有:
而且在這個(gè)極限下:
從而,共軛動(dòng)量密度為:
等時(shí)對(duì)易關(guān)系化為:
對(duì)于包含若干個(gè)場(chǎng)的系統(tǒng),假設(shè)不同的場(chǎng)不會(huì)互相影響,則:
這就是量子場(chǎng)論中的正則對(duì)易關(guān)系。這里的正則變量都是算符。