Klein-Gordon方程为
在之前的文章中已经给出对易关系
其中
我们将在其他地方证明
其中$\tau=\sqrt{-(x-y)^2}$。我们将从此处继续完成Klein-Gordon场的量子化。
计算$c_+$
因为场算符是厄米的,所以(第二个等号用到厄米性)
最后一步仅仅用到对易子的定义。所以
根据(4)可知$c_+\in\mathbb R$。又因为场算符可以任意伸缩,只需要伸缩量为实数以保持厄米性,所以可以另$c_+=\pm1$。
接下来要计算到底是哪一个,工具是利用哈密顿量有下界。首先我们有
当$\vec x=\vec y$时是显然的,否则是因为类空。进一步可以计算
当$\vec x-\vec y\neq\vec 0$时,只需$|\epsilon|<|\vec x-\vec y|$即可得到$\theta,\delta$函数均为$0$,所以$[\phi(t,\vec x),\dot\phi(t,\vec y)]\propto\delta(\vec x-\vec y)$。
(6)式第一项中的$J_1(x)=\frac x2-\frac{x^3}{16}+o(x^5)$,所以对$\vec x$积分后领头阶为$\epsilon^3$,在趋于零的时候贡献为$0$。所以对$\vec x$全空间积分为
最后一步是注意到符号函数。因此
根据Heisenberg绘景下的运动方程
再根据Klein-Gordon方程
利用(9)“推出”符号左边的等式猜测$\hat H$中有$\frac{1}{2c_+}\int\mathrm{d}^3\vec y\ \dot\phi^2(t,\vec y)$项,再利用(10)“推出”符号右边的等式猜测
验证(10)式如下:
根据哈密顿有有下界可知$c_+=1$,因为积分内明显是正定的。
还有一个小问题,这里没计算$[\dot\phi(t,\vec x),\dot\phi(t,\vec y)]$
不过可以将(11)式$\dot\phi\rightarrow\pi$认为是逻辑起点,正如大多数教材都从拉格朗日量出发。
哈密顿量的四矢量(4-动量)
(9)式写成四矢量的形式为下式的$0$分量
猜测
验证(12)左式
二次量子化第一步:变换到动量空间
定义
则Klein-Gordon方程变为
厄米性条件变为
根据(15)式,满足Lorentz不变性的非平庸解为
此处仅假设了$k^0>0$;至于$k^0<0$时,利用了(16)式$\tilde\phi(k)=\tilde\phi^\dagger(-k)=2\pi\delta(k^2+\omega_0^2)a^\dagger(-\vec k)$
所以$H\tilde\phi(k)|E\rangle=(E-\omega_{\vec k})\tilde\phi(k)|E\rangle$,即$k^0=\omega_{\vec k}>0$处$\tilde\phi(k)$为湮灭算符,$k^0<0$处为产生算符
对易关系为
二次量子化:探索$a,a^\dagger$的物理意义
利用(17)式可将场算符写为
同样对$k^0$积分后为
为了反解出$a(\vec k)$,我们计算
所以作用在$\phi(x)$上后$a^\dagger$的贡献消失,$a$的贡献与分母恰好约掉,即
所以两边同时乘上$e^{i\omega_{\vec k}t}$后做傅里叶变换
另一方面,(17)式对$k^0$积分得
同理可得
所以对易关系为
至此二次量子化完毕,只需升降算符的对易关系满足(21)式,且场算符为
4-动量的二次量子化
进一步,4-动量(11)式和(13)式用升降算符表示(即将(19)式代入)。为此,先计算其导数$\dot\phi,\nabla\phi$。简记$\frac{\mathrm d^3\vec k}{(2\pi)^32\omega_{\vec k}}=\tilde{\mathrm dk}$
4-动量的空间部分仅有一项,先行计算
最后一个等号是对第二行做了和第一行一样的操作。因为湮灭算符之间对易,产生算符之间也对易,所以第一行被积函数是奇函数,进而结果为$0$。第二行利用对易关系得到$\int\mathrm d^3\vec k\ \vec k\delta(0)$,也根据奇偶性消去这项。最终
能量部分也类似计算得到
用$\omega_{\vec k}^2=\vec k^2+\omega_0^2$即可将第一项清零并将第二项化简,结果为
第二项是自能发散,往往可以直接置为$0$,因为我们并不关心它。