Nguyên lý Điện động lực học lượng tử - Walter Thirring (1958)

Khám phá các nguyên lý cơ bản của điện động lực học lượng tử trong cuốn sách Principles Quantum Electrodynamics của Walter Thirring. Tài liệu chuyên sâu về vật lý lý thuyết.

Trường đại học

Universität Bern

Chuyên ngành

Physics

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Monograph

1958

228
1
0

Phí lưu trữ

55 Point

Mục lục chi tiết

FOREWORD TO THE GERMAN EDITION

FOREWORD TO THE ENGLISH EDITION

NOTATION

Units and Orders of Magnitude

GENERAL INTRODUCTION

Tóm tắt

I. QED Khám phá Nguyên lý Cơ bản Điện động lực học Lượng tử

Điện động lực học lượng tử (QED) là một trong những lý thuyết thành công nhất trong vật lý, mô tả tương tác giữa ánh sáng và vật chất với độ chính xác phi thường. QED là một lý thuyết trường lượng tử mô tả cách ánh sáng, dưới dạng các photon, tương tác với vật chất, đặc biệt là electronpositron. Nền tảng của QED nằm ở việc lượng tử hóa trường điện từ, kết hợp cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp. QED không chỉ là một lý thuyết vật lý, mà còn là một khuôn khổ khái niệm mạnh mẽ cho việc hiểu thế giới lượng tử. Từ tương tác điện từ cơ bản đến các hiện tượng phức tạp trong vật chất ngưng tụ và vật lý hạt, QED cung cấp một mô tả nhất quán và chính xác. Lý thuyết này không chỉ cho phép chúng ta tính toán các thuộc tính của electronphoton một cách chính xác, mà còn cung cấp một cái nhìn sâu sắc về bản chất của chân không lượng tử và vai trò của các hạt ảo. QED cũng đóng vai trò là mô hình cho các lý thuyết trường lượng tử khác, bao gồm cả lý thuyết tương tác yếutương tác mạnh, được kết hợp trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt.

1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của QED

Sự ra đời của QED bắt nguồn từ những năm 1920, với những nỗ lực ban đầu để kết hợp cơ học lượng tử và điện động lực học cổ điển. Những đóng góp quan trọng từ Paul Dirac, Werner Heisenberg và Wolfgang Pauli đã đặt nền móng cho lý thuyết này. Tuy nhiên, những khó khăn trong việc xử lý các vô cùng xuất hiện trong các tính toán đã cản trở sự phát triển ban đầu. Phải đến những năm 1940, với sự ra đời của kỹ thuật chuẩn hóa (renormalization), QED mới trở thành một lý thuyết nhất quán và thành công. Richard Feynman, Julian Schwinger và Sin-Itiro Tomonaga, mỗi người đều phát triển các phương pháp độc lập để giải quyết vấn đề vô cùng, đã được trao giải Nobel năm 1965 cho những đóng góp của họ. Sơ đồ Feynman đã trở thành một công cụ trực quan mạnh mẽ để hiểu và tính toán các quá trình tương tác lượng tử. Từ đó đến nay, QED tiếp tục được kiểm chứng và hoàn thiện, trở thành một trong những lý thuyết chính xác nhất trong khoa học.

1.2. Các thành phần cơ bản Photon Electron Positron

QED xoay quanh ba thành phần cơ bản: photon, electron, và positron. Photon là hạt mang tương tác điện từ, không có khối lượng và di chuyển với tốc độ ánh sáng. Electron là một hạt lepton cơ bản mang điện tích âm. Positron là phản hạt của electron, mang điện tích dương. QED mô tả cách các hạt này tương tác với nhau thông qua việc trao đổi photon ảo. Các quá trình như phát xạ và hấp thụ photon, tán xạ electron, và tạo cặp electron-positron đều được mô tả một cách chi tiết trong QED. Các tương tác này tuân theo các quy tắc bảo toàn năng lượng, động lượng và điện tích, đảm bảo tính nhất quán của lý thuyết. Hiểu rõ về các thành phần cơ bản và cách chúng tương tác là chìa khóa để nắm bắt các nguyên lý cơ bản của QED.

II. Phương trình Dirac Nền tảng Toán học của Điện động lực học Lượng tử

Phương trình Dirac đóng vai trò trung tâm trong QED, mô tả các hạt fermion có spin 1/2, chẳng hạn như electronpositron. Phương trình này kết hợp cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp, tiên đoán sự tồn tại của phản hạt. Phương trình Dirac không chỉ là một công cụ toán học, mà còn là một biểu hiện của sự đối xứng sâu sắc trong tự nhiên. Nghiệm của phương trình Dirac mô tả cả hạt và phản hạt, với spin và năng lượng cụ thể. Các nghiệm này được sử dụng để tính toán các biên độ xác suất cho các quá trình tương tác trong QED. Phương trình Dirac cũng cho thấy rằng spin là một thuộc tính vốn có của các hạt tương đối tính, không thể tách rời khỏi động lượng và năng lượng của chúng. Từ việc tính toán các tương tác điện từ cơ bản đến việc dự đoán các hiệu ứng lượng tử phức tạp, phương trình Dirac là một công cụ không thể thiếu trong QED.

2.1. Ý nghĩa vật lý và các nghiệm của phương trình Dirac

Phương trình Dirac không chỉ là một công thức toán học, mà còn mang ý nghĩa vật lý sâu sắc. Nghiệm của phương trình này mô tả trạng thái của các electronpositron, bao gồm cả spin và năng lượng của chúng. Nghiệm dương mô tả hạt, trong khi nghiệm âm mô tả phản hạt. Sự tồn tại của các nghiệm âm đã dẫn đến khái niệm về biển Dirac, một trạng thái giả thuyết trong đó tất cả các trạng thái năng lượng âm đều bị chiếm giữ. Việc kích thích một electron từ biển Dirac tạo ra một lỗ trống, tương ứng với một positron. Mặc dù biển Dirac không còn được coi là một mô tả chính xác về chân không lượng tử, nó đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển ban đầu của QED. Nghiệm của phương trình Dirac cũng cho thấy rằng spin là một thuộc tính nội tại của các hạt tương đối tính.

2.2. Ma trận Dirac và các đại lượng bất biến

Ma trận Dirac là các ma trận toán học được sử dụng trong phương trình Dirac để mô tả spin của các hạt. Các ma trận này tuân theo các quy tắc đại số cụ thể, cho phép chúng ta xây dựng các đại lượng bất biến, tức là các đại lượng không thay đổi dưới các phép biến đổi Lorentz. Các đại lượng bất biến đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả các tính chất của electronpositron, và trong việc tính toán các biên độ xác suất cho các quá trình tương tác. Việc sử dụng ma trận Dirac giúp đơn giản hóa các tính toán và đảm bảo tính nhất quán của QED với thuyết tương đối hẹp.

III. Sơ đồ Feynman Phương pháp Trực quan hóa Tương tác trong QED

Sơ đồ Feynman là một công cụ trực quan mạnh mẽ được sử dụng trong QED để mô tả các quá trình tương tác giữa các hạt. Mỗi sơ đồ Feynman đại diện cho một biên độ xác suất cụ thể cho một quá trình tương tác. Các đường trong sơ đồ Feynman đại diện cho các hạt, chẳng hạn như electron, positron, và photon, và các đỉnh đại diện cho các tương tác giữa các hạt. Bằng cách tính toán tổng của tất cả các sơ đồ Feynman có thể cho một quá trình cụ thể, chúng ta có thể tính toán biên độ xác suất tổng thể cho quá trình đó. Sơ đồ Feynman không chỉ là một công cụ tính toán, mà còn là một cách trực quan để hiểu các quá trình tương tác phức tạp trong QED. Chúng cho phép chúng ta hình dung các hạt ảo, các quá trình trung gian, và các quy tắc bảo toàn năng lượng và động lượng.

3.1. Giải thích và cách vẽ sơ đồ Feynman

Việc vẽ sơ đồ Feynman tuân theo một số quy tắc đơn giản. Các đường thẳng đại diện cho các hạt fermion, chẳng hạn như electronpositron. Hướng của đường thẳng cho biết hạt hay phản hạt. Các đường gợn sóng đại diện cho các hạt boson, chẳng hạn như photon. Các đỉnh, nơi các đường gặp nhau, đại diện cho các tương tác. Tại mỗi đỉnh, năng lượng và động lượng phải được bảo toàn. Việc giải thích sơ đồ Feynman đòi hỏi sự hiểu biết về các hạt cơ bản, các tương tác cơ bản, và các quy tắc Feynman. Mỗi sơ đồ Feynman đại diện cho một biên độ xác suất cụ thể, và tổng của tất cả các sơ đồ Feynman có thể cho một quá trình cụ thể cho chúng ta biên độ xác suất tổng thể cho quá trình đó.

3.2. Tính toán biên độ xác suất bằng sơ đồ Feynman

Mỗi sơ đồ Feynman tương ứng với một biểu thức toán học cụ thể, cho phép chúng ta tính toán biên độ xác suất cho quá trình tương tác được mô tả bởi sơ đồ đó. Việc tính toán này bao gồm việc sử dụng các quy tắc Feynman, là các công thức toán học liên kết với mỗi đường và đỉnh trong sơ đồ Feynman. Bằng cách nhân các yếu tố này lại với nhau, chúng ta có thể tính toán biên độ xác suất cho một sơ đồ Feynman cụ thể. Tổng của các biên độ xác suất cho tất cả các sơ đồ Feynman có thể cho một quá trình cụ thể cho chúng ta biên độ xác suất tổng thể cho quá trình đó. Việc tính toán này thường phức tạp và đòi hỏi kỹ năng toán học cao.

3.3. Hạt ảo và các quá trình trung gian trong sơ đồ Feynman

Sơ đồ Feynman cho phép chúng ta hình dung các hạt ảo và các quá trình trung gian trong các tương tác lượng tử. Hạt ảo là các hạt không tuân theo các quy tắc bảo toàn năng lượng và động lượng, và chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn. Các quá trình trung gian là các quá trình xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn, và không thể quan sát trực tiếp. Hạt ảoquá trình trung gian đóng vai trò quan trọng trong các tương tác lượng tử, và sơ đồ Feynman cung cấp một cách để hình dung và tính toán ảnh hưởng của chúng.

IV. Chuẩn hóa Renormalization Giải quyết Vấn đề Vô cùng trong QED

Một trong những thách thức lớn nhất trong QED là việc xử lý các vô cùng xuất hiện trong các tính toán. Các vô cùng này xuất phát từ việc tính toán các hiệu ứng của hạt ảo và các quá trình tự tương tác. Kỹ thuật chuẩn hóa (renormalization) cho phép chúng ta loại bỏ các vô cùng này bằng cách tái định nghĩa các tham số vật lý, chẳng hạn như điện tích và khối lượng của electron. Ý tưởng cơ bản là các tham số vật lý mà chúng ta đo được trong các thí nghiệm thực tế không phải là các tham số 'trần' mà là các tham số 'hiệu dụng', đã được hiệu chỉnh bởi các hiệu ứng lượng tử. Bằng cách tái định nghĩa các tham số này, chúng ta có thể loại bỏ các vô cùng và thu được các kết quả hữu hạn và có thể so sánh với các thí nghiệm. Chuẩn hóa là một trong những thành tựu quan trọng nhất của QED, cho phép chúng ta tính toán các dự đoán với độ chính xác phi thường.

4.1. Nguồn gốc của các vô cùng trong QED

Các vô cùng trong QED xuất phát từ việc tính toán các hiệu ứng của hạt ảo và các quá trình tự tương tác. Ví dụ, một electron có thể phát ra và hấp thụ các photon ảo, dẫn đến sự thay đổi năng lượng và khối lượng của nó. Các quá trình này, khi được tính toán sử dụng lý thuyết nhiễu loạn, dẫn đến các tích phân phân kỳ, tức là các tích phân có giá trị vô cùng. Các vô cùng này không phải là một lỗi trong lý thuyết, mà là một dấu hiệu cho thấy lý thuyết nhiễu loạn không còn hợp lệ ở các thang năng lượng cao. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng kỹ thuật chuẩn hóa, chúng ta có thể loại bỏ các vô cùng này và thu được các kết quả hữu hạn.

4.2. Kỹ thuật chuẩn hóa và cách loại bỏ vô cùng

Kỹ thuật chuẩn hóa bao gồm việc tái định nghĩa các tham số vật lý, chẳng hạn như điện tích và khối lượng của electron, để loại bỏ các vô cùng. Chúng ta bắt đầu bằng cách giới thiệu một giới hạn trên cho các tích phân phân kỳ. Sau đó, chúng ta tái định nghĩa các tham số vật lý để hấp thụ các vô cùng khi giới hạn trên tiến tới vô cùng. Quá trình này dẫn đến các kết quả hữu hạn và có thể so sánh với các thí nghiệm. Chuẩn hóa không phải là một quá trình duy nhất, mà là một họ các quá trình khác nhau, mỗi quá trình có ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, tất cả các quá trình chuẩn hóa đều dẫn đến các kết quả vật lý giống nhau.

4.3. Ý nghĩa và thành công của phương pháp chuẩn hóa

Chuẩn hóa là một trong những thành tựu quan trọng nhất của QED, cho phép chúng ta tính toán các dự đoán với độ chính xác phi thường. QED là một trong những lý thuyết chính xác nhất trong khoa học, và thành công của nó phần lớn là nhờ vào kỹ thuật chuẩn hóa. Chuẩn hóa không chỉ là một kỹ thuật toán học, mà còn là một sự thay đổi trong cách chúng ta hiểu về các tham số vật lý. Các tham số vật lý mà chúng ta đo được trong các thí nghiệm thực tế không phải là các tham số 'trần' mà là các tham số 'hiệu dụng', đã được hiệu chỉnh bởi các hiệu ứng lượng tử.

V. Ứng dụng Điện động lực học Lượng tử Từ Laser đến Vật liệu Mới

QED không chỉ là một lý thuyết trừu tượng, mà còn có nhiều ứng dụng thực tế. Từ việc phát triển laser đến việc thiết kế vật liệu mới, QED đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghệ. Laser, một nguồn ánh sáng mạnh mẽ và có tính định hướng cao, hoạt động dựa trên các nguyên tắc của QED, chẳng hạn như phát xạ cưỡng bức. QED cũng được sử dụng để tính toán các tính chất của vật liệu mới, chẳng hạn như độ dẫn điện và độ bền cơ học. Các tính toán này cho phép các nhà khoa học thiết kế các vật liệu với các thuộc tính cụ thể, đáp ứng các nhu cầu công nghệ khác nhau. Từ điện tử học đến quang học đến vật liệu học, QED tiếp tục đóng góp vào sự phát triển của công nghệ hiện đại.

5.1. Điện động lực học lượng tử và công nghệ laser

QED đóng vai trò quan trọng trong công nghệ laser. Nguyên lý phát xạ cưỡng bức, nền tảng của hoạt động laser, được mô tả một cách chi tiết trong QED. QED cho phép chúng ta tính toán xác suất phát xạ cưỡng bức và thiết kế các laser hiệu quả. Các tính toán QED cũng được sử dụng để tối ưu hóa các thuộc tính của laser, chẳng hạn như độ tinh khiết của chùm tia và công suất đầu ra.

5.2. Điện động lực học lượng tử trong vật liệu học

QED được sử dụng để tính toán các tính chất của vật liệu, chẳng hạn như độ dẫn điện và độ bền cơ học. Các tính toán này cho phép các nhà khoa học thiết kế vật liệu với các thuộc tính cụ thể, đáp ứng các nhu cầu công nghệ khác nhau. Ví dụ, QED được sử dụng để thiết kế các vật liệu siêu dẫn và các vật liệu từ tính.

5.3. Các ứng dụng tiềm năng khác của điện động lực học lượng tử

QED có nhiều ứng dụng tiềm năng khác trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau. Ví dụ, QED có thể được sử dụng để phát triển các thiết bị lượng tử, chẳng hạn như máy tính lượng tửcảm biến lượng tử. QED cũng có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của các tế bào quang điện và các thiết bị phát sáng.

VI. Tương lai QED Thách thức và Hướng đi trong Nghiên cứu

Mặc dù QED là một trong những lý thuyết thành công nhất trong vật lý, vẫn còn nhiều thách thức và câu hỏi chưa được giải đáp. Một trong những thách thức lớn nhất là việc kết hợp QED với thuyết hấp dẫn lượng tử. Một thách thức khác là việc hiểu rõ hơn về các hiệu ứng phi nhiễu loạn trong QED. Các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu QED để giải quyết những thách thức này và mở rộng phạm vi ứng dụng của lý thuyết.

6.1. Kết hợp điện động lực học lượng tử và thuyết hấp dẫn

Việc kết hợp QEDthuyết hấp dẫn là một trong những mục tiêu lớn nhất của vật lý lý thuyết. Thuyết hấp dẫn mô tả lực hấp dẫn, một trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên. Tuy nhiên, thuyết hấp dẫn hiện tại, thuyết tương đối rộng, không tương thích với cơ học lượng tử. Việc kết hợp QEDthuyết hấp dẫn sẽ dẫn đến một lý thuyết thống nhất về tất cả các lực trong tự nhiên.

6.2. Nghiên cứu các hiệu ứng phi nhiễu loạn trong QED

Lý thuyết nhiễu loạn là một phương pháp tính toán được sử dụng rộng rãi trong QED. Tuy nhiên, lý thuyết nhiễu loạn không thể mô tả tất cả các hiệu ứng trong QED. Các hiệu ứng phi nhiễu loạn, chẳng hạn như hiệu ứng Schwinger, là các hiệu ứng không thể được mô tả bằng lý thuyết nhiễu loạn. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp mới để tính toán các hiệu ứng phi nhiễu loạn trong QED.

6.3. Mở rộng phạm vi ứng dụng của điện động lực học lượng tử

Các nhà khoa học đang tìm kiếm các ứng dụng mới của QED trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau. Ví dụ, QED có thể được sử dụng để phát triển các vật liệu mới với các thuộc tính cụ thể, hoặc để thiết kế các thiết bị lượng tử với hiệu suất cao hơn.

27/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

PURE AND APPLIED PHYSICS A SERIES OF MONOGRAPHS AND TEXTBOOKS CONSULTING EDITOR H. MASSEY University College, London, England Volume 1. L FRANKLIN, Electron Impact Phenomena and the Properties of Gaseous Ions. KOPFERMANN, Nuclear Moments.

English Version Pre- pared from the Second German Edition by E. THIRRING, Principles of Quantum Electrodynamics. Translated from the German by J. W i t h Additions and Corrections by WALTER E.

RACAH, Irreducible Tensorial Sets J. MULLINEUX, Mathematics in Science and Technology E. WIGNER, Group Theory and its Application to the Quantum Mechanics of Atomic Spectra. With Additions and Corrections by E.

Translated from the German by J. GRIFFIN FAY AJZENBERG-SELOVE (ed. Nuclear Spectroscopy ACADEMIC PRESS INC., NEW YORK AND LONDON PRINCIPLES OF QUANTUM ELECTRODYNAMICS WALTER E. THIRRING Universität Bern, Switzerland TRANSLATED FROM THE GERMAN BY J.

BERNSTEIN The Institute for Advanced Study Princeton, New Jersey WITH CORRECTIONS AND ADDITIONS BY WALTERE. THIRRING 1958 ACADEMIC PRESS INC., PUBLISHERS NEW YORK · LONDON www.com Originally Published in 1955 under the title EINFÜHRUNG in die QUANTENELEKTRODYNAMIK by Franz Deuticke, Vienna. Copyright©, 1958, by ACADEMIC PRESS INC. Ill FIFTH AVENUE N E W YORK 3, N.

ACADEMIC PRESS INC., PUBLISHERS 40 PALL MALL, LONDON, S. 1 ALL RIGHTS RESERVED NO PART OF THIS B O O K M A Y B E REPRODUCED IN A N Y FORM, B Y PHOTOSTAT, MICROFILM, OR A N Y OTHER MEANS, W I T H O U T WRITTEN PERMISSION FROM T H E PUBLISHERS. Library of Congress Catalog Card Number: 58-10414 P R I N T E D I N THE U N I T E D STATES OF AMERICA www.com FOREWORD TO THE GERMAN EDITION Elementary particles, their properties and interrelationships, have in recent years come to the forefront of fundamental research in physics. The only theory which one has at one's disposal, as yet, to describe the behavior of such systems is the quantum theory of fields.

Although this theory represents one of the most fundamental that we possess—it not only unifies elementary quantum mechanics, but it is also the first theory that brings together quantum theory and relativity—it is still not an area in which most physicists feel at home. The reason may be that in field theory one needs to draw on a considerable amount of higher mathematics, hiding much of the de- velopment behind a dense smoke screen of formalism. Hence, one may get the impression that field theory is a dry mathematical scheme in which work may be done when one has mastered the necessary rules, but which does not require any special physical insights. In this book we shall concentrate on one of the best understood parts of quantum field theory, quantum electrodynamics.

We shall endeavor to emphasize the physical basis of the theory and to avoid purely mathe- matical details. For this reason, the book should not be taken as a handbook of field theory, but rather as a compendium of the most characteristic and interesting results which have been obtained up to now. The advances which have been made most recently in quantum electrodynamics depend essentially on the new formal structure which the theory has been given. One may now condense its starting points into a few fundamental postulates from which everything else may be deduced.

As we shall learn, correspondingly significant simplifications have been made in the computation of specific processes. On these aesthetic developments we shall put special emphasis in the body of the book. Not only will the mathematics be made as simple as pos- sible, but it is hoped that the connections with the current literature will be made easier. As for mathematical background, some analysis and linear algebra are necessary for the text.

Less familiar tools, such as Dirac y matrices and invariant Green's functions, are discussed in the two appendices. The notation is explained in a separate section. As far as physics is v www.com VI FOREWORD TO THE GERMAN EDITOR concerned, the reader will need a knowledge of special relativity and quantum mechanics. The notation and concepts of Dirac's book, "Principles of Quantum Mechanics, ,, (Oxford, 1947) will be used.

Further applications of the theory can be found in W. Heitler, "Quantum Theory of Radiation" (Oxford, 1954). The mathematical aspects of the theory are treated in a more elementary fashion by G. Wentzel, "Quantum Theory of Fields" (Interscience, 1949).

Other references are given only for details which are not treated in the text. Therefore neither are the references complete nor is attention paid to priority. To illuminate the physical background the book starts with a chapter in which the orders of magnitude of the various effects, to be calculated later in detail, are discussed. They will be estimated by heuristic arguments which may seem somewhat arbitrary at the be- ginning.

Such arguments become more convincing when they are backed by calculations, and the reader should return to this section after having worked through the rest of the book. For practicing the calculational techniques, problems with solutions are given for each part of the book.com FOREWORD TO THE ENGLISH EDITION In the six years that have passed since the German edition of this book was written, no essential new discoveries have been made on the subject of the book. However, considerable progress has been made in the understanding of the physics underlying the post-war develop- ments. Since the main purpose of the original book was the discussion of the physical principles involved, it was necessary to do considerable rewriting and expansion of the text to justify the publication of an English edition.

In particular, the section on renormalization theory had to be brought up to date and discussed more elaborately. In the meantime, two other books in this field have appeared, namely, J. Rohrlich, "The Theory of Photons and Electrons/' (Addison-Wesley, 1955), and H. Umezawa, "Quantum Field Theory," (Interscience Publishers, 1956).

In these books many mathematical and formal details are elaborated. We did not, there- fore, endeavor to achieve more completeness in these respects since the references above can be consulted for this purpose. However, we have tried to give a reasonably detailed discussion of physical con- cepts which are not treated adequately in the literature. The English edition has been prepared in collaboration with Dr.

We are indebted to Professors H., and to Professor F. Scarf for reading part of the manuscript and for valuable criticism.com NOTATION Hubert Space Operators in Hubert space will be denoted by capital Roman letters, e.; ordinary numbers, such as eigenvalues, coordinates, and indices, will be denoted by small letters like o', x, k, and a. Vectors in Hilbert space will be written in Dirac fashion as | ) ; conjugate vectors, as ( |. Generally, the eigenvector associated with an eigenvalue o' will be denoted by | o').

The symbol for the product of two vectors will be ( | ) ; and for an operator and a vector, 0 | ). Both operations may be combined into ( | 0 | ). We shall also use the following notations and definitions. Ordinary numbers Complex conjugate: a* Real part: Re a Imaginary part: Im a Signum function: e(a) = 1 for a > 0 = -lfora < 0 Step function: 0(a) = 1 for a > 0 = 0 for a < 0 θ(α) = Y2 (1 + e(a)) δ function: δ(α) = 0 for a ^ 0, j dab{a) = 1 θ{α) = f dßö(ß), δ ( - α ) = δ(α) J— 00 j 5 ( « ) = -δ(«)/α da S(/(«)) =Σ|/'(αοΓΊ«(«-«ο) «0 with f(ao) = 0.com Xll NOTATION Operators Transposed operator: 0 (c' | 0T \ c") = (c" \0 \ c') T Hermitian conjugate operators: 0*; (c' | 0* | c") — (c" \ O \ c')* Inverse operators: 0 _ 1 , 0~λ0 = 1 Commutators: [A, £]_ or [A, B] = AB - BA Anticommutators: [A, B]+ or {A, B} = AB + BA Defining equations Hermitian operators: 0^ = 0 Unitary operators: Of = 0~l Symmetric operators: 0T = 0 Operators representing interacting fields will be distinguished by bold face type: A, ψ Spin space The operators acting in spin space are the Dirac Y'S and expressions containing them.

For y invariants, that is, scalar products constructed from a four vector and a y vector, we introduce the notation p = P*7fc e = ekyk (N.2) and so forth. Vectors comprising the spin space (spinors) are denoted by ψ or u. Matrix indices are always lower case Greek letters, for example, yaßta · However, spin indices will usually be suppressed, so that we will write 7*7V fo r T«/3 Ύβδφδ, or ΨΨ — Ψαψι t (N.3) Tr M = Maa The rest of the notation is the same as in Hubert space. Ordinary space We use real world-coordinates with the metric Ί 0 0 0 ' x° = t 0 - 1 0 0 x1 = x g = 0 0 - 1 0 x = y 3 0 0 0 - 1 X = Z.

The space part of a four vector is designated by setting a bar under the letter, as x. Tensor indices are usually lower case Roman www.com NOTATION xiii letters, contravariant indices are raised, and covariant indices are lowered ik i ik ~. The scalar product atf = aob° — ab is sometimes denoted by round brackets (ab) and sometimes by writing ab. If a vector is a sum of vectors b = c + d then we write (a, c + d) for (ab).

Momentum space For the Fourier transform we write /(*) = j£yf*kë~axfW> /(fc) = jdxe<kxf(x) where dk is the four-dimensional volume element and k any four vector; sometimes we will use p instead of k. The Fourier representation of the four-dimensional δ-function δ(χ) f dx'f(x')6(x - x) = f(x) is given by b{x) =(k>idke~ikX- &Λ) Differential and integral symbols Partial differentiation d/dxlf(x) is sometimes denoted by dj and sometimes by an index following a comma fti. An x will stand for differentiation with respect to proper time. The symbol/ θμ g will be useful and stands for/#,M — f^g.

If not otherwise indicated all integrations will run from — oo to °o. We write the four-dimensional volume element as dx = dxdxdxdx. The surface element of a three-dimensional surface, a covariant vector directed normal to the surface, we denote by άσ{ = (dxldx2dxz, dxdxdx, dx°dx1dxz, dx°dx1dx2). Any surface for which dai is timelike for all points will be called spacelike.

The four-dimensional generalization of Gauss' theorem www.com XIV NOTATION can be given by / dxdif = I da if, where σ is the surface of the four- dimensional volume under consideration. For a divergence-free vector /'(/*,* = 0) which vanishes sufficiently strongly at infinity (spatially) the value of the integral / daif taken over a spacelike surface does not depend upon the particular choice of surface. This follows di- rectly from the relation [ darf - [ daif = \ dV dif (N.5) where V is the volume between σι and σ 2. Conversely, if / da if is independent of σ, then dif = 0.

In this case we are entitled to call daif a scalar, since observers in different Lorentz frames would / obtain the same values by integrating over a surface defined by t = constant in their frames. In the same way, tensors of higher rank can only be obtained by integrating divergence-free expressions. If a function / vanishes sufficiently strongly on infinitely remote parts of spacelike surfaces then one has the lemma [ dai dkf - f dak dif = 0.6) The proof proceeds by showing that didkf — dkdif = 0 implies that the left side of Eq.6) is independent of the surface σ. Hence one may evaluate the integrals on a spacelike surface defined by a con- stant time t.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ