关联函数描述不同位置或时刻的结果怎样一起变化。对于自由高斯场,知道所有两点关联,就能算出更高阶的矩;加入相互作用后,会出现无法拆成两两配对的新信息。在具有明确入射、出射粒子的相对论理论中,连通关联函数还可以经过若干步骤,给出散射振幅。
先算四个场值的乘积平均,看看这条联系怎样建立。
两点先告诉我们一个长度
对均值为零的欧氏场,定义 。尖括号表示指定系综中的平均,或相应量子关联函数中的期望值。关联为正,意味着两处更倾向于同时向同一方向偏离。各点平均值为零,乘积的平均仍可以不为零。
无限一维欧氏直线上的高斯作用量与关联为
坐标以选定的参考长度计,作用量无量纲,质量参数具有长度倒数的单位。关联是微分算符 的 Green 函数:离开原点,它满足齐次方程;跨过原点积分,则确定导数的跳跃和前面的因子 。
衰减长度为 。取 ,零间距关联为 ,间距为一时约 ,间距为二时约 。上图展示质量加倍后,曲线高度与宽度怎样一起变化。这些数值属于无限直线的理想参考;实验里的有限区间参考还要计入边界。
一个生成函数,省去许多次积分
把有限多个场值的协方差排成矩阵 ,再为每个场值配一个源强度,组成向量 。定义归一化生成函数 。对某个源求一次导数,就会把对应场值从指数里带下来。最后把源设回零,得到相应的矩。
对具有正定二次核 的高斯分布,。把指数配方:
平移积分变量不会改变归一化,因此
Wick 定理的配对规律就藏在这个二次指数里。对它求四次导数,四个外部场只能两两成组,共有三种配法:
例如,一个高斯变量的方差为 ,四阶矩就是 。把三种配对贡献减掉,剩下的连通四阶矩为零。这说明在高斯模型中,四阶矩没有带来协方差之外的新信息;方差本身仍然存在。
相互作用把四个点连到一起
现在考虑三维空间中的相对论实标量场,采用自然单位。在自由拉格朗日密度上加一项 。四维时空里,耦合 无量纲。这一项让配置的权重依赖二次振幅之外的内容。
相互作用绘景用 Dyson 级数组织演化。时间排序把较晚时刻的算符放到左边。按耦合展开到一阶,再用自由真空计算平均。对于连通四点函数,每个外部场都可以与相互作用点上的一个场收缩, 种安排正好抵消作用量里的阶乘:
这里 是 Minkowski 时空的自由时间排序传播子。它与前面的一维欧氏关联在维数、时间约定和边界处方上均不同。这个表达式展示了一个局域相互作用怎样把四个外部点连起来。
走到散射振幅还需要什么
四点函数包含从外部位置传播到碰撞区的全过程。要得到入射粒子变为出射粒子的振幅,需要先对外部坐标作 Fourier 变换,找出稳定单粒子的极点,移去外腿传播子,再把外部动量放到物理质量壳上。LSZ 约化公式把这些步骤和场归一化因子写得精确。
在这个标量例题的树级近似中,移去四个外部传播子,便留下 ,即该约定下的 。要算实验截面,还要加入入射通量、末态相空间,并正确处理相同粒子的计数。
这样便连起了一条计算链:自由两点函数提供收缩,相互作用产生连通项,壳上极点的留数联系散射。继续加入圈图时,就会遇到正则化与参数匹配,也就走向后面的章节。
一起变化和传递影响是两件事
两个位置可以有关联,却不能据此互相发送信号。在局域相对论理论中,类空间隔处的局域可观测量对易。主动干预能引起什么响应,要看对易子和推迟传播,不能只看对称两点关联有多大。
在关联 Lab 中,先把样本估计与有限格点参考比较,拉开探针前预测趋势。自旋链淬火 Lab 提供另一种实时间多体情境:它由自己的哈密顿量、可观测量和时间演化定义。可以在那里研究一次改变怎样沿指定链传播,并把这种关联与欧氏路径抽样区分开来。
练习
算一个混合四阶矩
两个零均值高斯变量满足 、。求 。
答案与理由
把同一位置的两个变量配在一起,贡献为一。另外两种配法都跨位置,各贡献四分之一,总和为二分之三。这里用到了联合高斯假设。对任意非高斯分布,只给协方差还不能确定四阶矩。
什么结果能揭示非高斯行为?
测得的四阶矩偏离三种 Wick 配对之和。在把它归因于相互作用之前,应先检查什么?
答案与理由
用同一批保留样本估计这个差值的误差,并计入样本间关联;同时检查有限样本偏差和系综定义。显著不为零的连通四阶矩说明该分布具有非高斯性。要解释它来自什么物理机制,还需要指定动力学与制备过程。
常数振幅为什么对应变化的四点函数?
树级标量散射只留下一个常数,位置空间中的连通四点函数为何仍依赖四个位置?
答案与理由
四个传播子记录每个外部场怎样接到相互作用区域。约化前,这些传播关系保留位置依赖。常数描述移去外部传播、单独处理总动量守恒因子后留下的局域树级顶点。
动手探索
欧氏场的两点关联 →在场的样本上拉开两个探针,观察两点关联怎样随距离减弱。把许多组场样本给出的估计,与格点解析值和连续极限比较。量子自旋链淬火 →选一个站点翻转,把它和没有翻转的对照链比较。观察平均自旋怎样演化,再把某个时刻的联合读数保存下来。来源与核读范围
- David Tong, Quantum Field Theory, Chapter 2
核读第 2.1—2.7 节:谐振子量子化、自由标量场模、真空双点函数和类空间隔的对易子。
- David Tong, Quantum Field Theory, Chapter 3
核读第 3.1.1、3.3、3.5.3—3.5.4、3.7.2 节的 Dyson 展开、Wick 收缩、标量树级顶点及壳上约化。正文计算限于标量树级例题。
- David Tong, Statistical Field Theory, Chapter 2
核读高斯积分、逆核关联函数、关联长度和欧氏量子力学解释。有限链的归一化按本课程约定另行推导。