刘语涵_量子场论导论课程ppt
量子场论1
量子场论1 课程编号：Y08037D 量子场论 Quantum Fields Theory 开课单位：理学院教学大纲撰写人：冯笙琴课程学分 2.5 课程学时：45 学生层次：硕士研究生课程性质：选修课授课方式：讲授考试方式：考查适用专业：凝聚态物理 教学目标： 课程主要内容： 一、绪论 物理理论的发展和量子场论的建立；组成物质的基本粒子；自然单位、度规与记号； 二、相对论波动方程 广义Lorentz变换；张量；电磁场方程；Klein-Gordon方程；Dirac方程；电子的自旋角动量；Dirac方程的协变性；Dirac方程的平面波解；Dirac方程的解的正交归一性与完备性；二分量中微子理论； 三、经典场论 最小作用量原理与场方程；Noether定理；时空平移与能量、动量守恒定律；时空旋转 变换与角动量守恒定律；第一规范变换与电荷守恒定律； 四、场量子化概述 场量子化的物理基础；二次量子化；场量子化的正则形式； 五、标量场量子化
实标量场量子化；复标量场量子化； ,介子的同位旋； 六、旋量场量子化 经典场；场的量子化和粒子性；协变形式的对易关系；核子的同位旋； 七、矢量场量子化 经典场；场的量子化和粒子性；Lorentz条件；不定度规； 八、Green函数 Green函数的形式定义；标量场的传播函数；电磁场的传播函数；旋量场的传播函数； 九、量子场的相互作用 相互作用的描述；相互作用的分类；电磁相互作用；强相互作用；弱相互作用； 十、散射矩阵和协变微扰论 相互作用图象；量子场论的求解和U矩阵；散射矩阵S和跃迁振幅；S矩阵的化简； 费曼图；动量表象； 十一、微扰论的应用 跃迁几率与反应截面；对自旋（极化）求和与求平均；矩阵的性质和求迹公式；Compton,散射；正、负电子湮没；轫致辐射； 十二、重整化理论 发散困难和重整化思想的引进；闭合回路、真空起伏；自由电子的自能；电子自能部 分；真空极化；顶角部分；重整化一般理论； 十三、规范场
量子场论讲义1-4
第一章预备知识 §1 粒子和场 以现有的实验水平，确认能够以自由状态存在的各种最小物质，统称为粒子。电子、光子、中子、质子等是最早认识的一批粒子，陆续发现了大量的粒子、介子和共振态，粒子的数目达数百种，它们是物质存在的一种形式。 场是物质存在的另一种形式，这种形式主要特征在于场是弥散于全空间的，全空间充满着各种不同的场，它们互相渗透和相互作用着。按量子场论观点，每一种粒子对应一种场，场的激发表现为粒子的出现，不同激发态表现为粒子的数目和状态不同，场的退激发，表现为粒子的湮沒。场的相互作用可以引起激发态的改变，表现为粒子的各种反应过程，也就是说场是物质存在的更基本的形式，粒子只是场处于激发态时的表现。 1. 四种相互作用 目前已确定的粒子之间的相互作用有四种，即在经典物理中人们早已认识到了的引力相互作用和电磁相互作用，以及在原子核物理的研究中才逐步了解的强相互作用和弱相互作用。四种相互作用的比较见表 电磁相互作用的强度是以精确结构常数 2 3 1 7.297310 4137.036 e c α π - ===? h 来 表征的，可以同时参与四种相互作用的粒子（例如质子p）为代表，通过典型的反应过程的比较研究，确定各种作用强度的大小。 2. 粒子的属性 不同粒子有不同的内禀属性，这些属性不因粒子产生的来源和运动状态而改变。 最重要的属性有：
质量m ，粒子的质量是指静止质量，以能量为单位，它和能量E 和动量→ P 的关系为42222c m c p E =- 电量Q ，粒子的电荷是量子化的，电荷的最小单位是质子的电荷。 自旋S ，粒子的自旋为整数或半整数，如π介子的自旋为0，电子的自旋为1/2 ，矢量介子的自旋为1。 平均寿命τ，粒子从产生到衰变为其它粒子所经历的时间称为粒子的寿命。由于粒子的寿命不是完全确定值，具一定的几率分布，如果0N 个相同粒子进行衰变，经过时间t 后还剩下N 个，则t e N N τ 10-=，式中τ即为粒子的平均寿命。 磁矩μ，指粒子的自旋磁矩μ。它与粒子的自旋S 满足关系：S m e g 2=μ，式中e 是粒子电荷，m 为粒子质量，g 是数量因子。 宇称P ，描述粒子在空间反演下的性质的一个量子数。若在空间反演下)(x x ? ?-→，若粒子的态函数改变符号，此粒子具奇宇称（P ＝－1）。若态函数保持不变，粒子具偶宇称（P=1）。 粒子的性质，可查阅有关资料。例如：Particle Data Group 编的 Review of Particle Physics , 刊登于Plys .Lett . B592 (2004)。 3. 粒子的分类 可按多种方式对粒子分类。 按参与相互作用的性质，可分为三类： （a ） 强子， 既参与强相互作用，也参与弱相互作用。已发现的粒子大多数 是强子，包括重子，介子。 （b ） 轻子，不参与强相互作用的粒子，有的参与电磁作用和弱作用，如电 子和μ 子，有的只参与弱作用。 （c ） 规范玻色子，传递作用力的粒子，如γ ，-+W W ,，0Z 。 按轻子——夸克层次可分三类： 按强子夸克结构理论，强子不是“基本”粒子，强子是复合粒子，是若干个夸克构成的复合体，夸克是构成强子的组元粒子。夸克有6种：上夸克（u ），下夸克（d ），奇异夸克（s ），粲夸克（c ），底夸克（b ）和顶夸克（t ）。按Gell_Mann & Zweig 理论，夸克带有分数电荷，理论上称有“六味”夸克，其所带电荷如下表：
2、量子场论中的量子真空概念
2、量子场论中的量子真空概念 现代真空理论实质上是量子的。具体说来，真空的众多新奇物理性质，正是被量子场论逐步的研究所揭示。可见在当今，只有理解量子场论，才有可能深刻而正确地掌握真空概念的物理内涵。量子场论是研究量子场的结构、运动及相互作用规律及其时空特征的物理理论。当今量子场论有阿贝尔的和非阿贝尔两种形式。在量子场论中，研究电磁作用的量子理论，是量子电动力学，属于阿贝尔量子规范场论；研究强作用的量子理论是量子色动力学，研究弱作用和电磁作用统一的量子理论是量子味动力学，两者都属于非阿贝尔量子规范场论。 1.量子电动力学真空 （1）光子真空 不少物理学家认为，量子理论中的真空概念，最早起源于P.狄拉克（Dirac，1902—— 1984）对电子相对论波方程的负能态研究，然而事实并非如此。量子真空的思想源于狄拉克对辐射电磁场量子化的探讨，所以最早的量子真空并非电子真空，而是光子真空。 1927年，狄拉克发表了题为《辐射的发射和吸收的量子理论》论文，标志着量子电动力学的诞生。在这篇文章中，狄拉克用两种不同的方法，研究了原子和电磁辐射场的相互作用问题，可称为微扰方法和波动方法。在微扰方法处理中，光量子被视为一种粒子集合，在这个粒子集合中没有相互作用，粒子以光速运动，并且满足爱因斯坦波色统计。狄拉克在证明哈密顿量能导致辐射和吸收所遵循的爱因斯坦定律时，首次提出和应用了真空思想。 狄拉克假定对于光量子，存在一种零态。在这种态中有无数个光子，但它们都是不可观测到的。这些光子可以从这些零态跃迁到生成可观测到的实光子，即零态的激发；而实光子也可跃迁回到这种零态，成为不可观测到的虚光子，即激发态的消失。这种实光子的产生和湮没图像是狄拉克第一次提出来的。可以看到这正是现今量子电动力学中真空态的概念和光子真空的思想，而电子真空的概念则是在他的这种思想的基础上提出来的。 （2）电子真空 1928年，狄拉克在电子量子理论方面发表了两篇文章。在这两篇论文中，狄拉克讨论了克莱因. 高登（Klein-Gordon）方程解的困难，并提出了著名的电子相对论波方程。利用这个方程来研究氢原子能级分布时，给出氢原子的能级结构，并和当时的实验很好符合。从这个方程还可以自然地导出电自旋为1/2，并且电子自旋的回磁比为轨道角动量回磁比的2倍，使得人们相信，这是一个正确描述电子运动的相对性量子力学波方程。
量子场论 课程教学大纲
量子场论课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：量子场论 所属专业：理论物理 课程性质：专业课 学时：72 学分：4 （二）课程简介、目标与任务； 近一个世纪以来，量子场论一直是了解微观世界的重要工具，是粒子物理的重要理论基础，并已广泛应用于微观物理其他领域。场的量子化解释了场与粒子之间的内在联系，而量子场论合理地描述了粒子的产生、湮灭，及其相互转化现象。上世纪五十年代初建立的体系完整的量子电动力学（QED），是关于带电粒子、光子及其相互作用的量子场论，是U(1)的阿贝尔规范场理论。光子的辐射与吸收、光电效应、Compton散射，特别是氢原子的Lamb移动、电子磁矩的计算与实验的精确符合等，足以说明量子电动力学的正确性。此外，量子电动力学中建立的重整化理论也是成功的。弱电统一理论克服了过去四个费米子直接相互作用理论不能重整化的困难；预言了中性流并得到严格的实验支持；中微子、反中微子与核子和电子碰撞等过程与实验符合得很好。在强相互作用领域，上世纪七十年代发展和建立的量子色动力学（QCD）是SU(3)非阿贝尔规范理论，它是1954年杨振宁建立的SU(2)非阿贝尔规范理论的推广。由量子色动力学探讨核子之间相互作用的严格理论目前尚未解决。基本粒子之间的电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用都是由规范理论建立起来的，三种相互作用是由三类规范玻色子传递的。量子场论就是研究以三代轻子和三代夸克作为基本粒子，以强子夸克模型和弱电统一理论与量子色动力学为基础的标准模型。量子场论(一)主要研究量子电动力学。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 分析力学、电动力学、量子力学 （四）教材与主要参考书。 量子场论，段一士，高等教育出版社，2015年 二、课程内容与安排 第一章绪论（4学时） 1.1 组成物质的基本粒子,轻子和夸克 1.2 量子场论、规范场论和规范玻色子 1.3 自然单位
量子场论
量子场论 概述 量子场论是量子力学和经典场论相结合的物理理论，已被广泛的应用于粒子物理学和凝聚态物理学中。量子场论为描述多粒子系统，尤其是包含粒子产生和湮灭过程的系统，提供了有效的描述框架。非相对论性的量子场论主要被应用于凝聚态物理学，比如描述超导性的BCS理论。而相对论性的量子场论则是粒子物理学不可或缺的组成部分。自然界目前人类所知的有四种基本相互作用：强作用，电磁相互作用，弱作用，引力。除去引力，另三种相互作用都找到了合适满足特定对称性的量子场论来描述。强作用有量子色动力学；电磁相互作用有量子电动力学，理论框架建立于1920到1950年间，主要的贡献者为狄拉克，福克，泡利，朝永振一郎，施温格，费曼和迪森等；弱作用有费米点作用理论。后来弱作用和电磁相互作用实现了形式上的统一，通过希格斯机制产生质量，建立了弱电统一的量子规范理论，即GWS模型。量子场论成为现代理论物理学的主流方法和工具。 “量子场论”是从狭义相对论和量子力学的观念的结合而产生的。它和标准（亦即非相对论性）的量子力学的差别在于，任何特殊种类的粒子的数目不必是常数。每一种粒子都有其反粒子（有时，诸如光子，反粒子和原先粒子是一样的）。一个有质量的粒子和它的反粒子可以湮灭而形成能量，并且这样的对子可由能量产生出来。的确，甚至粒子数也不必是确定的；因为不同粒子数的态的线性叠加是允许的。最高级的量子场论是“量子电动力学”--基本上是电子和光子的理论。该理论的预言具有令人印象深刻的精确性。然而，它是一个没有整理好的理论--不是一个完全协调的理论--因为它一开始给出了没有意义的“无限的”答案，必须用称为“重正化”的步骤才能把这些无限消除。并不是所有量子场论都可以用重正化来补救的。即使是可行的话，其计算也是非常困难的。 使用“路径积分”是量子场论的一个受欢迎的方法。它是不仅把不同粒子态（通常的波函数）而且把物理行为的整个空间--时间历史的量子线性叠加而形成的（参阅费因曼1985年的通俗介绍）。但是，这个方法自身也有附加的无穷大，人们只有引进不同的“数学技巧”才能赋予意义。尽管量子场论勿庸置疑的威力和印象深刻的精确度（在那些理论能完全实现的很少情况），人们仍然觉得，必须有深刻的理解，才能相信它似乎是导向“任何物理实在的图像”。 简介 根据量子力学原理建立的场的理论，是微观现象的物理学基本理论。场是物质存在的一种基本形式。这种形式的主要特征在于场是弥散于全空间的。场的物理性质可以用一些定义在全空间的量描述〔例如电磁场的性质可以用电场强度和磁场强度或用一个三维矢量势A(X,t)和一个标量势嗘(X,t)描述〕。这些场量是空间坐标和时间的函数,它们随时间的变化描述场的运动。空间不同点的场量可以看作是互相独立的动力学变量，因此场是具有连续无穷维自由度的系统。场论是关于场的性质、相互作用和
量子场论
量子场论 1、书名：量子场论第2版 书名(英文)：Quantum Field Theory 2nd ed. 作/译者：L. H. Ryder 定价：89.00 现价：89.00 ISBN：978-7-5062-6644-4 本书是一本非常好的量子场论的入门书，虽然作者本是为不了解量子场论知识的基本粒子物理学专业的学生撰写的，但理论物理学领域的高年级大学生和低年级研究生都是能够阅读的。书中给出了量子场论的概念和方法的最新介绍，1985年第1版出版后，受到了大家的好评，这第2版在初版的基础上作了补充，增加了“超对称”一章。目次：粒子物理学概要；单粒子相对论波方程；拉格朗日表述，对称和规范场；正则量子化和粒子解释；路径积分和量子力学；路径积分量子化和费恩曼规则：标量场和旋量场；路径积分量子化：规范场；自发对称破缺和Weinberg角。 2、书名：量子场论导论 书名(英文)：An Introduction to Quantum Theory 作/译者：M.E.Peskin, D.V.Schroeder 定价：79.00 现价：79.00 ISBN：978-7-5062-7294-0 本书是一部曾被美国许多大学选用的研究生教材，并受到普遍好评。与同类教材相比，该书的内容非常丰富。全书分三个部分。第一部分集中介绍场的正则量子化方法。量子电动力学和费曼图。第三部分是关于非阿贝尔规范场的详细讨论。而第二部分是在这两个部分之间搭建的一个桥梁，着重阐述泛函方法、重整化和重整化群以及临界指数等问题。作者从教学角度对于这三个部分的安排提出了详细的建议。鉴于作者的背景，这三个部分的全部内容是针对粒子物理专业研究生的需要而编排的。对于凝聚态和实验物理专业的研究生，作者建议可以把后两部分合并而舍弃用星号标记的章节即可。 作为一本教科书，作者很注重使其易读易懂和富于启发性，公式的推导和例题的分析尽可能地详尽。每一章都给出了几个习题，它们的总量虽然不大，但每个题目都经过了精心挑选，使其对深入理解课程内容和应用其解决实际问题有实质性的帮助。 我们相信，这本书不仅对于量子场论的教学(特别是双语教学)很有实际的应用价值，对于相关专业的科研人员也是一本很好的参考书。 3、书名：量子场论第1卷 书名(英文)：The Quantum Theory of Fields Vol. 1 作/译者：S. Weinberg 定价：108.00 现价：108.00 ISBN：978-7-5062-6637-6 本书由诺贝尔物理学奖得主S.Weinberg教授撰写,是量子场论领域最具权威性的一套书,也是这一领域最优秀的一部研究生教材。本书给出了量子场论的最新的
初学《量子场论》
初学《量子场论》 在科大这一年代培生活即将结束，我学习《量子场论》的进程也要告一段落。唯一的遗憾是今后的研究方向不是场论。也许我的同学对我的建议是有道理的：应该把所学的理论在计算机编程上加以实现，尤其对于那些分子数目较多的体系。 这一学年，我也仅仅是对场论中的QED部分有了了解，可以说是入门吧。总的感觉就一个：delicate。它的精确程度超过了经典物理中的任何一个分支，它的结果比Maxwell的电磁理论还要优美！它将狭义相对论和量子力学很自然的结合在了一起：协变性，不确定性，对称性，绘景变换，微扰论，产生湮灭算符等在这个理论框架下得到了完美的体现。一般说来，进入量子场论有正则量子化和路径积分两种方式，不过大伙儿都偏向于前者（提供了一个和经典理论对比的平台）。实际上后者更为自然。 1.对称性 这是基本上是场论中的开场白-Noether定理-将场的作用量和无穷小连续变换结合在了一起。大多数教科书一般是从自由多分量标量场的形式入手，结合变分原理，从时空平移对称性，时空各向同性，内部对称性，整体规范对称性得到对应的表达式，并将它们作为自由场相应物理量的定义式。这是类比于经典的做法。但这样有个不好的
地方，就是如何知道这样得出的式子能应用于量子情况而不出现异常。实际上这套理论是自洽的。或许可以接受另外的一套途径：从群论的角度找到幺正变换的无穷小生成元满足的性质（如Weinberg），然后通过经典的形式构造相应的物理量，结合场的对易关系去验证合理性。 另一部分的重要内容是要得出场算符和幺正变换的关系式。要注意的是，场算符不同于量子力学中算符：量子力学中的算符带有坐标变量，那是因为一个抽象的算符选取了坐标表象而得出的；而在场论中，没有坐标表象一说，场算符带有坐标参数是本身的性质--在时空每一点都定义了一个操作。现在，唯一知可以利用的就是经典标量函数，矢量函数等的变换规律和场算符的性质。得到量子场算符变换规律最好的阐述是Bailin, Love的《Gauge field theory》中一个很漂亮的式子： 从它可以导出变换法则。很自然的，在无穷小变换下，也得到了场算符的演化方程。 据说Schwinger的量子作用量原理是个好东西！
量子场论讲义
第一章 预备知识 §1 粒子和场 以现有的实验水平，确认能够以自由状态存在的各种最小物质，统称为粒子。电子、光子、中子、质子等是最早认识的一批粒子，陆续发现了大量的粒子、介子和共振态，粒子的数目达数百种，它们是物质存在的一种形式。 场是物质存在的另一种形式，这种形式主要特征在于场是弥散于全空间的，全空间充满着各种不同的场，它们互相渗透和相互作用着。按量子场论观点，每一种粒子对应一种场，场的激发表现为粒子的出现，不同激发态表现为粒子的数目和状态不同，场的退激发，表现为粒子的湮沒。场的相互作用可以引起激发态的改变，表现为粒子的各种反应过程，也就是说场是物质存在的更基本的形式，粒子只是场处于激发态时的表现。 1. 四种相互作用 目前已确定的粒子之间的相互作用有四种，即在经典物理中人们早已认识到了的引力相互作用和电磁相互作用，以及在原子核物理的研究中才逐步了解的强相互作用和弱相互作用。四种相互作用的比较见表 电磁相互作用的强度是以精确结构常数231 7.2973104137.036 e c απ-===?h 来 表征的，可以同时参与四种相互作用的粒子（例如质子p ）为代表，通过典型的反应过程的比较研究，确定各种作用强度的大小。 2. 粒子的属性 不同粒子有不同的内禀属性，这些属性不因粒子产生的来源和运动状态而改变。 最重要的属性有： 质量m ，粒子的质量是指静止质量，以能量为单位，它和能量E 和动量→ P 的关系为42222c m c p E =-
电量Q ，粒子的电荷是量子化的，电荷的最小单位是质子的电荷。 自旋S ，粒子的自旋为整数或半整数，如π介子的自旋为0，电子的自旋为1/2 ，矢量介子的自旋为1。 平均寿命τ，粒子从产生到衰变为其它粒子所经历的时间称为粒子的寿命。由于粒子的寿命不是完全确定值，具一定的几率分布，如果0N 个相同粒子进行衰变，经过时间t 后还剩下N 个，则t e N N τ 10-=，式中τ即为粒子的平均寿命。 磁矩μ，指粒子的自旋磁矩μ。它与粒子的自旋S 满足关系：S m e g 2=μ，式中e 是粒子电荷，m 为粒子质量，g 是数量因子。 宇称P ，描述粒子在空间反演下的性质的一个量子数。若在空间反演下)(x x ? ?-→，若粒子的态函数改变符号，此粒子具奇宇称（P ＝－1） 。若态函数保持不变，粒子具偶宇称（P=1）。 粒子的性质，可查阅有关资料。例如：Particle Data Group 编的 Review of Particle Physics , 刊登于Plys .Lett . B592 (2004)。 3. 粒子的分类 可按多种方式对粒子分类。 按参与相互作用的性质，可分为三类： （a ） 强子， 既参与强相互作用，也参与弱相互作用。已发现的粒子大多数 是强子，包括重子，介子。 （b ） 轻子，不参与强相互作用的粒子，有的参与电磁作用和弱作用，如电 子和μ 子，有的只参与弱作用。 （c ） 规范玻色子，传递作用力的粒子，如γ ，-+W W ,，0Z 。 按轻子——夸克层次可分三类： 按强子夸克结构理论，强子不是“基本”粒子，强子是复合粒子，是若干个夸克构成的复合体，夸克是构成强子的组元粒子。夸克有6种：上夸克（u ），下夸克（d ），奇异夸克（s ），粲夸克（c ），底夸克（b ）和顶夸克（t ）。按Gell_Mann & Zweig 理论，夸克带有分数电荷，理论上称有“六味”夸克，其所带电荷如下表： 按此理论，强子不是粒子，而由夸克所构成，例如质子由u,u,d 组成： (),()p uud n udd ==中子， )(d u =+π,)(u d =-π，u d ,为反夸克，强子不看
高等经典场论
高等经典场论 Giovanni Giachetta et al Advanced Classical Field Theory 2009；392 pp Hardback ISBN9789812838957 G. Giachetta等著 当代量子场论主要是作为经典场的量子化发展起来的，因此经典场论及其BRST扩充是通向量子场论的必要步骤。本书提供了量子化所需要的拉格朗日经典场论和它的BRST 扩充的完整的数学基础。基于标准的非线性微分算符的标准几何形式，在一种非常普遍的框架下处理了拉格朗日经典场论。考虑了在一个任意的光滑流形上偶场和奇场的可约简并拉格朗日理论。作者们将Noether第二定理推广到这些理论并利用同调项表述，从而为BRST扩充经典场论提供了严格的数学形式。本书还完整的阐述了很多与物理学相关的场论，如主丛上的规范理论、自然丛上的引力理论、旋量场理论和拓扑场论。
全书内容共分10章，各章的标题分别为：1. 纤维丛上的微分学；2. 纤维丛上的拉格朗日场论；3. Grassmann?graded 分次拉格朗日场论；4. 拉格朗日BRST理论；5. 主丛上的规范理论；6. 自然丛上的引力理论；7. 旋量场；8. 拓扑场论；9. 协变哈密顿场论；10. 附录。 读者可以在本书中找到许多原始的课题，诸如连络的广义相对论、组合丛几何、广义对称性、经典Higgs场论以及引力作为一种Higgs场理论等。为了读者使用方便，附录中收编了几个相关的数学论题。 这是一部高水平的数学物理专著，作者们叙述的内容尽可能详尽，对于从事经典场论和量子场论教学及研究人员是一本高层次的参考书。 丁亦兵，教授 (中国科学院研究生院) Ding Yibing, Professor (The Graduate School,CAS)
量子场论笔记
量子场论笔记 WangHongyu June22,2011 1Why Quantum Field Theory is So Di?cult?The key point 对于量子场论有两种比较容易的理解，一是标准量子力学的相对论形式：传统量子力学是非相对论的，为了处理高能量粒子的运动，必须引入相对论效应，将量子力学改写成协变形式；然而在这修改过程中必然出现反粒子问题和粒子对的产生过程，于是原来针对单粒子的量子力学转变成了粒子数可变（随时增减）体系的量子力学，为了处理粒子数的改变，需要使用将原来的波函数改写成算符，这就是所谓“二次量子化”过程，完成了二次量子化的量子理论被看作量子场论。 第二种理解要更加简单而直接：许多物理体系都是场体系，例如光本身就是一种电磁场，为了研究其量子效应，需要按照量子力学的原则对电磁场运动方程进行量子化。由于场是全空间分布的连续目标，其量子力学理论将是具有无穷自由度体系的量子理论；为了求解这样的体系，需要对自由度进行分解，得到的平面波解称为粒子或者量子，而这种理论就是量子场论。 1.1量子化 我们采用第二种理解。和传统量子力学一样，量子场论也是基于量子化的手续，比较流行的方案包括正则量子化手续和路径积分量子化。在大部分情况下，两种手续都要交替使用。 正则量子化的基本手续就是写出场的拉格朗日量，定义正则坐标和正则动量，引入正则坐标和正则动量之间的对易关系： [?(x,t),Π(x′,t)]=iδ3(x?x′) 原则上就完成了正则量子化步骤。 在实践中，由于自由度之间可能存在复杂的耦合，上述量子化需要对独立的正则动量来完成，因此首先要分解出独立的自由度。对于连续存在于平直空间的的场，最简单的方法是进行傅立叶分解。对场变量的傅立叶分解得到一系列平面波态，而自由场的哈密顿变成所有平面波哈密顿的和。对每个平面波态求解得到其能量和动量，结果表明每个态的能量和动量都是分立的，于是将这种平面波态称为“粒子”。 1
量子场论如何入门
初学《量子场论》结语 在科大这一年代培生活即将结束，我学习《量子场论》的进程也要告一段落。唯一的遗憾是今后的研究方向不是场论。也许我的同学对我的建议是有道理的：应该把所学的理论在计算机编程上加以实现，尤其对于那些分子数目较多的体系。 这一学年，我也仅仅是对场论中的QED部分有了了解，可以说是入门吧。总的感觉就一个：delicate。它的精确程度超过了经典物理中的任何一个分支，它的结果比Maxwell 的电磁理论还要优美！它将狭义相对论和量子力学很自然的结合在了一起：协变性，不确定性，对称性，绘景变换，微扰论，产生湮灭算符等在这个理论框架下得到了完美的体现。一般说来，进入量子场论有正则量子化和路径积分两种方式，不过大伙儿都偏向于前者（提供了一个和经典理论对比的平台）。实际上后者更为自然。 1.对称性 这是基本上是场论中的开场白-Noether定理-将场的作用量和无穷小连续变换结合在了一起。大多数教科书一般是从自由多分量标量场的形式入手，结合变分原理，从时空平移对称性，时空各向同性，内部对称性，整体规范对称性得到对应的表达式，并将它们作为自由场相应物理量的定义式。这是类比于经典的做法。但这样有个不好的地方，就是如何知道这样得出的式子能应用于量子情况而不出现异常。实际上这套理论是自洽的。或许可以接受另外的一套途径：从群论的角度找到幺正变换的无穷小生成元满足的性质（如Weinberg），然后通过经典的形式构造相应的物理量，结合场的对易关系去验证合理性。 另一部分的重要内容是要得出场算符和幺正变换的关系式。要注意的是，场算符不同于量子力学中算符：量子力学中的算符带有坐标变量，那是因为一个抽象的算符选取了坐标表象而得出的；而在场论中，没有坐标表象一说，场算符带有坐标参数是本身的性质--在时空每一点都定义了一个操作。现在，唯一知可以利用的就是经典标量函数，矢量函数等的变换规律和场算符的性质。得到量子场算符变换规律最好的阐述是Bailin,Love的《Gauge field theory》中一个很漂亮的式子： φ（x）=＜φ|Ψ(x)|0＞ 从它可以导出变换法则。很自然的，在无穷小变换下，也得到了场算符的演化方程。 据说Schwinger的量子作用量原理是个好东西！ 2.自由场 这一部分是以后进行费曼图计算的基础。需要注意的是光场的量子化时两种规范的选择和极化矢量的完备性关系。最好理解后者的不同极化矢量的标号和矢量分量的标号。（其实很类似于量子力学中基矢完备性关系在具体离散表象下的式子）。对于狄拉克场，求解时可以采用boost到静止参考系的方法。最好记住不同场传播子的表达式，以便于以后的推导！ 3.相互作用场和S矩阵
量子场论和超弦理论
量子场论和超弦理论 本世纪物理学发生了两次重要革命：相对论和量子力学。最近，超弦理论的发展被许多著名物理学家预言为是物理学第三次这类革命的开始，这些发展的结果将改变人们的时间和空间观念，建立的统一理论将从根本上解决量子场论中的无穷大、粒子物理标准模型中的夸克禁闭和任意参数过多等一系列问题。 物理学最基本的目的是寻求自然界物质运动的统一规律。从物理学诞生之日始，这一目的就从没有改变过。牛顿的引力论和物体运动的力学规律将天体的运动与日常生活中常常见到的诸如苹果落地的运动统一起来；麦克斯韦的电磁理论又将电与磁两类不同的现象统一起来；爱因斯坦花费了他的后半生寻求引力与电磁相互作用的统一理论，但没有成功；电磁相互作用与弱相互作用的统一理论是60年代末提出的，由此给出的粒子物理中的标准模型是最成功的理论，理论预言电子的反常磁矩是1.001159652193个玻尔磁子，实验给出的数值是1.001159652188，两者在误差范围内是完全一致的，精确度高达13位有效数字。寻求包括强相互作用和引力的更大更完美的统一理论有很多尝试，所有这些尝试如大统一理论、高维Kaluza-Klein理论和超对称超引力理论都失败了，只有超弦理论是最有希望取得成功的理论。标准模型的理论基础是量子场论。由于量子场论有无穷多自由度，精确求解有相互作用的量子场论是非常困难而被认为是不可能的。在这种情况下，人们就只有利用微扰论(按一小量展开)求近似解的方法去求解问题。显然，在那些没有小量可以展开而相互作用是很强的情况下，微扰论的方法就无能为力了。在粒子物理中有很多涉及相互作用很强的问题，最著名的一个就是夸克禁闭：实验上和理论上的许多发现都要求存在一类称为夸克的基本粒子，这些夸克并不很重，在加速器上应该是很容易产生的，奇怪的是实验上并没有观测到单个自由的夸克。理论的解释是两个夸克之间的相互作用随距离的增加而变强。 分开两个夸克的能量也随距离的增加而增加。所以，在夸克禁闭中涉及的相互作用在大距离时就是很强的，不能用通常的微扰论来近似求解。 1994年，美国物理学家Seiberg和Witten的一系列工作在严格求解量子场论方面取得了突破，第一次从理论上证明了磁单极子的凝聚给出夸克禁闭。 Seiberg和Witten的工作主要讨论求解 N =2超对称规范理论的问题。 自然界中的基本粒子分玻色子和费米子两大类，这是两类统计性质完全不同的粒子。超对称性是一种关于玻色子和费米子的对称性，N=2超对称是比最基本的N=1超对称限制更强的一种超对称，前面
量子场论三种绘景的不同表示关系
量子力学中的薛定谔绘景和海森堡绘景 天津大学物理系材料物理与化学 2011级硕士研究生孙明宇 (2011210009) 【摘要】量子力学是一门描述物体微观相互作用的一门物理学分支学科，在对物体运动状态的描述中与经典力学迥异。对量子系统随时间的运动我们有三种不同而又相互等价的方式进行描述,称为绘景(picture或representation,也称表象)。文章主要描述薛定谔绘景、海森堡绘景以及相互作用绘景三种绘景，并联系经典力学参照系对三者进行比较和讨论。 【关键词】量子力学绘景变换参考系 引言 对量子系统随时间的运动我们有三种不同而又相互等价的方式进行描述,称为绘景(picture或representation,也称表象)。量子力学中的绘景可以看作是经典力学中参考系概念的推广它描述了算符和态矢随时间的演化。有关绘景的问题,是量子力学中最基本的问题之一。对于前两种绘景问题的讨论,可以追溯到量子力学建立初期关于薛定谔的波动力学(1926年)与海森堡的矩阵力学(1925年)等价性的讨论. 量子力学中，可观测物理性质与物理算符?在状态Ψ下的平均值〈?〉=〈Ψ,?Ψ〉相联系.量子系统随时间演化，算符平均值一般也随时间演化。描述量子系统随时间的演化有三种不同的方式：（1）算符形式保持不变而态矢量随时间改变；（2）态矢量保持不变而算符形式随时间改变；（3）算符形式和态矢量都随时间改变，分别为薛定谔绘景、海森堡绘景以及相互作用绘景。 三种绘景各有优缺点，并针对于不同问题的解决。本文主要讲述三种绘景特点，并联系经典力学的参照系展开讨论。 1. 薛定谔绘景 考虑薛定谔方程：， 可以形式地解为：。 某力学量的期望值为：s
凝聚态物理场论讲义
凝聚态物理场论讲义 作者在读大学时，对量子力学的完美及其应用能力产生了深刻的印象。但是学了量子场论，有了一些质疑，感到统计物理与量子场论都做多体物理研究，似乎是两个分隔开的群体。他认为一些凝聚态中处理多体的正统著作，尽管声称做多体物理，但是作为平均场近似或者处理准粒子时，实际上回到了单粒子物理。 当作者攻读博士学位时，粒子物理标准模型刚刚建立，量子场论得到迅速发展，特别是重正化群以及格点规范理论，很快在相对论量子场论与统计物理之间搭建了桥梁。而很多物理学家都觉得神秘的代数拓扑学，不仅对量子场论中的真空有独特的应用，而且解释了量子霍尔效应和凝聚态中的集团激发。 上世纪60年代开始出现了第一批旨在克服高能物理、统计力学和凝聚态物理之间文化差异的书，为重正化群对理论物理学的应用带来的革命做出了很大贡献。90年代一些作者力图揭示量子场论机制如何用于凝聚态物理。进入21世纪以来，从凝聚态到弦理论，许多概念和技术做到了共享，以致在单独一本书中已经不可能涵盖量子场论在凝聚态中应用的所有论题。相关的书籍数目大量增加，学生面临如何挑选最合适的书籍的问题。正是在这样的背景下，作者在瑞
士联邦理工学院（ETHZ）讲授“凝聚态物理中的量子场论”的基础上写成了这本书。作者的目的是给物理类硕士水平的研究生介绍凝聚态物理中挑选出的非常适合应用场论语言的一些概念。 很多量子场论的书致力于让学生掌握了量子场论机制之后，用它解一些习题。而作者反其道而行之，在每一章第一时间发展解决一些问题的方法学，不想让量子场论成为主要兴趣，而是让其保持成为尽可能经济地解释凝聚态物理基本原理的工具。作者相信，达到此目的最有效的技术是系统地利用量子力学的路径积分。在本书中它被到处用到。然而，作者并不要求读者熟悉比量子力学基础更多的知识。 全书内容共两大部分，分成9章。第1部分为玻色子，包括第1-4章：1. 谐波晶体；2. 稀薄玻色气体的Bogoliubov 理论；3. 非线性σ模型；4. KosterlitzThouless相变。第2部分为费米子，包括第5-9章：5. 无相互作用费米子； 6.固体中电子Jellium模型；7. 平均场和随机相位近似中的超导电性； 8. 单耗散Josephson结；9.二维时空中的阿贝尔玻色子化。 书末有9个附录，篇幅几乎为全书的三分之一，详细地介绍了书中所涉及的量子力学、量子场论、和一些数学知识。对于本书的使用十分重要。 本书是一部高水平的凝聚态物理中的量子场论专著，