王蒙多2024年10月11日发布:利用最小作用量原理,推导量子场论的基础方程
⭐发布日期:2024年10月11日 | 来源:王蒙多
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最小作用量原理是物理学中最基础的原理,也是影响最深远的原理之一。在上一次的文章中,我们利用最小作用量原理推导了广义相对论的运动方程,即短程线/测地线方程。今天,我们利用该原理来推导量子场论的基础方程——克莱因-戈登方程,它是薛定谔方程的狭义相对论形式,用来描述自旋为零的粒子。不过,在推导该方程之前,我们先来简单的复习复习一下拉格朗日函数的推导过程。
复习
粒子从A点到B点的轨迹遵循最小作用量原理。在拉格朗日的方法中,动能减去势能为拉格朗日量,然后将拉格朗日量沿着路径积分为作用量,如下所示:
根据最小作用量原理,我们要找的是使作用量S最小的粒子的轨迹。假设我们找到了真实的粒子轨迹,对于任意时间下的轨迹x(t),我们都在其轨迹上加一个微小的摆动ε(t)。在极限情况下,这些微小的摆动所引起的作用量变化ΔS=0,如下所示:
因此我们重写拉格朗日量,并略去高阶小量:
于是,我们重写扩展后的拉格朗日量:
那么,拉格朗日量之差ΔL就有如下公式:
又因为
所以我们可以最终得到:
先看前一项:
虽然它的轨迹添加了一些微小的摆动ε,但是起点和终点的是固定的,也就是说ε=0,所以这一项就等于零了。因此,我们就剩下的后一项为零:
所以,被积函数就得等于0:
正文
在量子场论中,中心对象不再是粒子的坐标x(t),而是场Φ(x,t)。此时的被积函数不是传统的拉格朗日量L,而是拉格朗日密度。同样,它与场的动能和势能密度有关:
我们可以写出场的动能和势能密度的公式,就可以得到拉格朗日密度的公式:
同样,我们在场中加入微小的摆动ε(x,t),利用同样的道理求得拉格朗日量之差:
因此,我们有:
按照上面的方法,前面那项的积分为零,因此我们就有:
于是,我们最终得到卡莱茵-戈登方程:
它是非常有名的波动方程,如果我们把参数κ设为0,那么它就变成了以光速传播的波的方程。事实上,可以通过比较爱因斯坦能量动量方程,我们可以得到参数κ=mc/ℏ,有时间我们下次再讲。
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Morita
9秒前:最小作用量原理是物理学中最基础的原理,也是影响最深远的原理之一。
IP:90.81.1.*
池田依来沙
9秒前:假设我们找到了真实的粒子轨迹,对于任意时间下的轨迹x(t),我们都在其轨迹上加一个微小的摆动ε(t)。
IP:28.76.3.*
Akshay
3秒前:事实上,可以通过比较爱因斯坦能量动量方程,我们可以得到参数κ=mc/ℏ,有时间我们下次再讲。
IP:89.58.8.*