本节我们给出谐振子的路径积分量子化,它是路径积分可以精确求值的系统的一个例子。我们还将介绍 zeta 函数正则化,这是理论物理许多领域中一个有用的工具。

1.4.1 跃迁振幅

一维谐振子的拉格朗日量为

跃迁振幅由下式给出:

其中 是作用量。

我们把 在其极值 附近展开,该极值满足

显然, 就是连接 与 的经典路径,它满足欧拉-拉格朗日方程

满足 与 的 式 (1.133) 的解很容易求得,为

其中 。把这个解代入作用量,便得到(见习题)

现在,把 在 附近展开,可写成如下形式

其中 满足边界条件 。注意:(1) 由于在 处 ,一阶项为零;(2) 由于作用量是 的二阶量,故不存在三阶及更高阶的项。因此,这一展开是精确的,而这个问题也是可以精确求解的,这一点我们后面就会看到。

注意到

以及

我们便得到二阶泛函导数

把它代入式 (1.136),可得

其中已考虑了边界条件 。

由于 具有平移不变性,1 我们可以把 换成 ,从而得到

下面我们来计算涨落部分

其中我们对 变量作了平移,使 现在变为 。我们把 展开为

这与边界条件相符。把这一展开式代入指数中的积分,可得

从 到 的傅里叶变换可以看作积分中的一次变量代换。要使这一变换有良好定义,变量的数目必须相同。设时间切片共有 个,其中包括 与 ,相应地有 个独立的 。与此对应,对于 ,我们必须取 。这一变量代换所对应的雅可比行列式为

其中 是把 分成 个无穷小步长时的第 个时间步长。

对自由粒子而言,这个雅可比行列式最容易计算。由于变换 与势能无关,两种情形下的雅可比行列式应当相同。自由粒子的概率幅已在 (1.104) 中求得,由此得到

用路径积分可将其写成

将这两个表达式加以比较,并注意到

便得到如下等式

完成高斯积分后可得

由此,对有限的 ,我们最终得到

显然,当 时,雅可比行列式 发散。然而这完全无关紧要,因为我们关心的并不是单独的 ,而是它与其他(发散)因子的组合。

于是,谐振子的跃迁振幅由下式给出:

对 的积分是简单的高斯积分,容易算出,结果为

将此结果代入式 (1.146),便得到

关于 的无穷乘积是众所周知的,它可以化为

注意, 的发散与其他各项的发散相互抵消,从而得到一个有限值。最后,我们已证明

1.4.2 配分函数

由特征值 很容易求出谐振子的配分函数,

若令 ,则逆温度 可以看作虚时间。于是,配分函数也可以从路径积分的观点来计算。

方法 1:可以对 取迹,得到

这里用到了式 (1.149)。

下面的习题为方法 2 作准备。

习题 1.5. (1) 设 为对称正定 矩阵,证明

其中 是 的特征值。

(2) 设 为 正定厄米矩阵,证明

方法二:接下来,我们借助泛函行列式与函数正则化,通过对涨落作路径积分来求得配分函数。我们引入虚时间,并把路径积分改写为

其中我们已注意到边界条件。这里上的横杠表示采用虚时间的路径积分测度。

设为厄米矩阵,其本征值均为正()。则对实变量,由练习 1.5可得

其中我们略去了数值因子。这是众所周知的高斯积分的一个推广

其中 。我们通过算符 的特征值 的(适当正则化的)无穷乘积来定义该算符的行列式(determinant),即 2。于是前面的路径积分可写为

其中下标“D”表示特征值是在狄利克雷边界条件 下求得的。

满足该边界条件的一般解 可写为

注意 ,因为 是实函数。由于本征函数 的特征值为 ,泛函行列式形式上可写为

最后一行的第一个无穷乘积可写为

我们将通过函数正则化来计算这个无穷乘积。设是一个具有正定特征值的算符,则形式上成立

现在我们定义谱函数为

当充分大时右端收敛,且在该区域内关于解析。此外,它可以解析延拓到整个平面,至多除去有限个可能的点。注意到

便得到表达式

在本题的情形中,我们把 换成 ,便得到

其中 就是著名的黎曼 函数。它在整个 平面上解析,唯一的例外是在 处的单极点。由熟知的值

可得

至此我们已证明

以及

这个方程中的无穷乘积是众所周知的,不过我们不妨假装对这个乘积一无所知。

现在配分函数可表示为

将其与(1.151)的结果相比较,我们就证明了公式

即

那么双曲余弦函数的无穷乘积展开又如何呢?这可以通过对费米子作路径积分来得到,我们将在下一节中具体算出。

尾注

来源与版本

正文:中文 · 机器译稿 · 待校对

核对状态:机器译稿 · 待校对

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OCR 来源 SHA-256:0b6324f01172a3548cd34382e82fd8bfae574602b6b2cfaa357ba96bc2c35478

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Footnotes

  1. 对所有满足 与 的可能路径 积分,等价于对所有满足 的可能路径 积分,其中 。 ↩

  2. 本书中,我们始终用“det”表示有限维矩阵的行列式,而用“Det”表示算符的(形式)行列式。类似地,有限维矩阵的迹记作“tr”,而算符的迹记作“Tr”。 ↩