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¿Cuál es el significado físico del campo de momento canónico en la teoría cuántica de campos?

En la cuantización canónica en teoría de campos, comenzamos definiendo un campo $\phi(x)$ y su momento conjugado $\pi(x)$ . El campo tiene la vaga intuición de 'crear una partícula localizada en $x$ Al menos eso es lo que hace con el estado de vacío. En una clase típica de teoría de campos, pasamos mucho tiempo calculando las funciones de correlación del campo $\phi$ que dan aproximadamente la amplitud para que las partículas se propaguen entre varios puntos.

Sin embargo, tras el paso inicial de la cuantización canónica, el momento conjugado desaparece y nunca más parece ser útil.

  • ¿Hay algún caso en el que queramos calcular una cantidad que implique $\pi(x)$ ?
  • ¿Existe una interpretación física simple de lo que $\pi(x)$ ¿lo hace? ¿Genera traslaciones de una partícula localizada en $x$ ?

8voto

Stas Puntos 282

$\pi(\mathbf{x})$ no genera traslaciones de partículas, genera traslaciones del campo, $\phi(\mathbf{x})$ , en $\mathbf{x}$ . Al menos, esa es la forma más común de interpretar el hecho de que los dos operadores obedezcan la relación de conmutación de igual tiempo: $$[\phi(\mathbf{x}),\, \pi(\mathbf{y})] = i\hbar \delta(\mathbf{x}-\mathbf{y}).$$ Nótese que la función delta sólo cubre las coordenadas espaciales, y el conmutador de igual tiempo funciona tanto en imágenes de Heisenberg como de Schödinger. Del mismo modo, los campos obedecen las mismas relaciones de conmutación de la imagen de Heisenberg con el Hamiltoniano que la posición y el momento en QM ordinaria: $$\begin{align} \dot{\phi}(\mathbf{x}) & = [\pi(\mathbf{x}), H] \\ \dot{\pi}(\mathbf{x}) & = [\phi(\mathbf{x}), H] \end{align}$$

Compárense los conmutadores canónicos anteriores con las relaciones del principio de correspondencia en QM ordinaria y QFT, respectivamente: $$\begin{align} \frac{\operatorname{d} \langle \mathbf{x} \rangle}{\operatorname{d} t} & = \frac{\langle \mathbf{p}\rangle}{m} \\ \frac{\partial \langle \phi(\mathbf{x}) \rangle}{\partial t} & = \langle \pi(\mathbf{x})\rangle. \end{align}$$ La única diferencia entre las relaciones es que la "densidad de masa" que estaría presente en un estudio de ondas clásicas en cuerdas o membranas ha sido absorbida en la definición de campo.

En cuanto a lo que significa, prefiero imaginar una membrana que oscila en una dirección transversal al espacio-tiempo que tiene una densidad de momento a sus oscilaciones, aunque eso es sólo una imagen para ayudar a organizar las propiedades, y no realmente una manera de atribuir "significado".

Todo lo anterior se refiere a lo que $\pi(\vec{x})$ 'hace' en QFT. Para una cantidad de interés que puedas calcular en términos del potencial vectorial de un campo, no busques más allá de la electrodinámica cuántica. Los campos en QED vienen dados por el potencial vectorial, $A_\mu(\mathbf{x})$ . La simetría gauge, y la falta de una derivada temporal de $A_0$ en el Hamiltoniano, hace que la teoría se comporte de forma un poco extraña con respecto a la cuantización. Si elegimos el gauge de Weyl, $A_0(\mathbf{x}) = 0$ para simplificar, entonces los campos son $\vec{A}(\mathbf{x})$ y los momentos canónicamente conjugados $\vec{\pi}(\mathbf{x})$ se definen de la forma habitual. El teorema clásico de correspondencia da es: $$\frac{\partial \left\langle \vec{A}(\mathbf{x})\right\rangle}{\partial t} = \left\langle \vec{\pi}(\mathbf{x})\right\rangle,$$ que se traduce en la definición clásica del campo eléctrico como: $$\vec{E} = - \left\langle \vec{\pi}(\mathbf{x})\right\rangle,$$ donde, para reiterar, estamos usando el gauge de Weyl donde el potencial eléctrico es idénticamente 0 en todas partes.

El generador de traslaciones para las partículas es, todavía, el operador de momento en el campo. Estoy un poco oxidado, y no tengo mis libros de texto a mano, así que puede que me equivoque al ordenar los operadores, pero el operador de momento para un campo escalar ordinario viene dado por: $$\vec{P} = -\int \operatorname{d}^3 x\, \pi(\mathbf{x}) \nabla \phi(\mathbf{x}).$$ Para reiterar: $\vec{P}$ es el momento espacio-temporal ordinario total transportado por el campo, y el generador de traslaciones espaciales de configuraciones del campo. $\pi(\mathbf{x})$ es la densidad de momento del campo en la dirección del campo.

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sid Puntos 41

Un poco de bronca personal primero: el operador $\phi(x)$ no crea una partícula en $x$ e insistir en que lo hace no ayuda a nadie. Puede que facilite la digestión del nuevo formalismo a alguien que esté aprendiendo QFT por primera vez, pero una interpretación tan ingenua debería abandonarse tan pronto como se comprenda que $\phi(x)$ es sólo un campo de interpolación que nos permite calcular $S$ elementos de la matriz gracias a la fórmula LSZ. No hay nada más (¡ni menos!) detrás de $\phi(x)$ .

El único significado de $\phi(x)$ es que puede utilizarse en la fórmula LSZ, pero también puede utilizarse cualquier otro campo de la misma clase Borchers. Puede utilizar $\pi(x)$ en lugar de $\phi(x)$ en la fórmula LSZ y el $S$ no se modifican. En este sentido, $\phi(x)$ y $\pi(x)$ tienen exactamente el mismo significado: sirven para lo mismo, y ambos hacen el trabajo igual de bien. El problema es que la fórmula LSZ, en su forma más general, puede incluir factores no covariantes si se utiliza un campo no covariante (y estas partes no covariantes se cancelan en la expresión final, por supuesto). Como $\pi(x)=\dot\phi(x)$ tiene algunas leyes de transformación curiosas, la fórmula LSZ para $\pi(x)$ incluye algunos factores no covariantes, lo que lo hace más engorroso de utilizar en la práctica, pero en principio es tan útil como el de $\phi(x)$ .

En cualquier caso, mi tesis en esta respuesta es que la interpretación física de $\pi(x)$ es la misma que la de $\phi(x)$ ambos objetos son sólo herramientas para calcular $S$ elementos de la matriz, y nada más. Cualquier otra interpretación de estos campos es gratuita e injustificada.


Encontrará más detalles en el post de SE Relación entre la clase Borchers y la fórmula LSZ sobre la equivalencia de la matriz S .

No he leído el artículo Contra la dualidad partícula-campo: Asymptotic Particle States And Interpolating Fields In Interacting Qft (O: ¿Quién teme al teorema de Haag?) pero parece prometedor. Puedes leerlo, probablemente cubra la mayor parte de lo que he escrito en este post.

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