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
L=21mx˙2−21mω2x2.(1.130)
跃迁振幅由下式给出:
⟨xf,tf∣xi,ti⟩=∫DxeiS[x(t)],(1.131)
其中 S[x(t)]=∫titfLdt 是作用量。
我们把 S[x] 在其极值 xc(t) 附近展开,该极值满足
δxδS[x]x=xc(t)=0.(1.132)
显然,xc(t) 就是连接 (xi,ti) 与 (xf,tf) 的经典路径,它满足欧拉-拉格朗日方程
x¨c+ω2xc=0.(1.133)
满足 xc(ti)=xi 与 xc(tf)=xf 的 式 (1.133) 的解很容易求得,为
xc(t)=sinωT1[xfsinω(t−ti)+xisinω(tf−t)](1.134)
其中 T=tf−ti。把这个解代入作用量,便得到(见习题)
Sc≡S[xc]=2sinωTmω[(xf2+xi2)cosωT−2xfxi].(1.135)
现在,把 S[x] 在 x=xc 附近展开,可写成如下形式
S[xc+y]=S[xc]+2!1∫dt1dt2y(t1)y(t2)δx(t1)δx(t2)δ2S[x]x=xc(1.136)
其中 y(t) 满足边界条件 y(ti)=y(tf)=0。注意:(1) 由于在 x=xc 处 δS[x]/δx=0,一阶项为零;(2) 由于作用量是 x 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
δx(t1)δ∫titfdt[21mx˙(t)2−21mω2x(t)2]=−mdt12d2x(t1)−mω2x(t1)=−m(dt12d2+ω2)x(t1)
以及
δx(t2)δx(t1)=δ(t1−t2)
我们便得到二阶泛函导数
δx(t1)δx(t2)δ2S[x]=−m(dt12d2+ω2)δ(t1−t2).(1.137)
把它代入式 (1.136),可得
S[xc+y]=S[xc]−2!m∫dt1dt2y(t1)y(t2)(dt12d2+ω2)δ(t1−t2)=S[xc]+2m∫dt(y˙2−ω2y2),(1.138)
其中已考虑了边界条件 y(ti)=y(tf)=0。
由于 Dx 具有平移不变性,1 我们可以把 Dx 换成 Dy,从而得到
⟨xf,tf∣xi,ti⟩=eiS[xc]∫y(ti)=y(tf)=0Dyei2m∫titfdt(y˙2−ω2y2).(1.139)
下面我们来计算涨落部分
If=∫y(0)=y(T)=0Dyei2m∫0Tdt(y˙2−ω2y2)(1.140)
其中我们对 t 变量作了平移,使 ti 现在变为 t=0。我们把 y(t) 展开为
y(t)=n∈N∑ansinTnπt(1.141)
这与边界条件相符。把这一展开式代入指数中的积分,可得
∫0Tdt(y˙2−ω2y2)=2Tn∈N∑an2[(Tnπ)2−ω2].
从 y(t) 到 {an} 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 N+1 个,其中包括 t=0 与 t=T,相应地有 N−1 个独立的 yk。与此对应,对于 n>N−1,我们必须取 an=0。这一变量代换所对应的雅可比行列式为
JN=det∂an∂yk=det[sin(Tnπtk)](1.142)
其中 tk 是把 [0,T] 分成 N 个无穷小步长时的第 k 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 {yk}→{an} 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
⟨xf,T∣xi,0⟩=(2πiT1)1/2exp[i2Tm(xf−xi)2]=(2πiT1)1/2eiS[xc].(1.143)
用路径积分可将其写成
eiS[xc]∫y(0)=y(T)=0Dyei2m∫0Tdty˙2.(1.144)
将这两个表达式加以比较,并注意到
2m∫0Tdty˙2→mn=1∑N4Tan2n2π2
便得到如下等式
(2πiT1)1/2=∫y(0)=y(T)=0Dyei2m∫0Tdty˙2=N→∞limJN(2πiε1)1/2∫da1…daN−1exp(imn=1∑N−14Tan2π2n2).
完成高斯积分后可得
(2πiT1)1/2=N→∞limJN(2πiε1)N/2n=1∏N−1n1(π24πiT)1/2=N→∞limJN(2πiε1)N/2(N−1)!1(π24πiT)(N−1)/2
由此,对有限的 N,我们最终得到
JN=N−N/22−(N−1)/2πN−1(N−1)!(1.145)
显然,当 N→∞ 时,雅可比行列式 JN 发散。然而这完全无关紧要,因为我们关心的并不是单独的 JN,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:
⟨xf,T∣xi,0⟩=N→∞limJN(2πiε1)N/2eiS[xc]×∫da1…daN−1exp[i4mTn=1∑N−1an2{(Tnπ)2−ω2}].(1.146)
对 an 的积分是简单的高斯积分,容易算出,结果为
∫danexp[4imTan2{(Tnπ)2−ω2}]=(πn24iT)1/2[1−(nπωT)2]−1/2.
将此结果代入式 (1.146),便得到
⟨xf,tf∣xi,ti⟩=N→∞limJN(2πiTN)N/2eiS[xc]×k=1∏N−1[k1(π4iT)1/2]n=1∏N−1[1−(nπωT)2]−1/2=(2πiT1)1/2eiS[xc]n=1∏N−1[1−(nπωT)2]−1/2.(1.147)
关于 n 的无穷乘积是众所周知的,它可以化为
N→∞limn=1∏N[1−(nπωT)2]=ωTsinωT(1.148)
注意,JN 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
⟨xf,tf∣xi,ti⟩=(2πisinωTω)1/2eiS[xc]=(2πisinωTω)1/2exp[2sinωTiω{(xf2+xi2)cosωT−2xixf}].(1.149)
1.4.2 配分函数
由特征值 En=(n+1/2)ω 很容易求出谐振子的配分函数,
Tre−βH^=n=0∑∞e−β(n+1/2)ω=2sinh(βω/2)1.(1.150)
若令 iT=β,则逆温度 β 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 {∣x⟩} 取迹,得到
Z(β)=∫dx⟨x∣e−βH^∣x⟩=(2πi(−isinhβω)ω)1/2×∫dxexpi[−2isinhβωω(2x2coshβω−2x2)]=(2πsinhβωω)1/2[ωtanh(βω/2)π]1/2=2sinh(βω/2)1(1.151)
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 A 为对称正定 n×n 矩阵,证明
∫dx1…dxnexp(−i,j∑xiAijxj)=πn/2(detA)−1/2=πn/2i∏λi−1/2(1.152)
其中 λi 是 A 的特征值。
(2) 设 A 为 n×n 正定厄米矩阵,证明
∫dz1dzˉ1…dzndzˉnexp(−i,j∑zˉiAijzj)=πn(detA)−1=πni∏λi−1.(1.153)
方法二:接下来,我们借助泛函行列式与ζ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τ=it,并把路径积分改写为
∫y(0)=y(T)=0Dyexp[2i∫dty(−dt2d2−ω2)y]→∫y(0)=y(β)=0Dˉyexp[−21∫dτy(−dτ2d2+ω2)y],
其中我们已注意到边界条件y(0)=y(β)=0。这里D上的横杠表示采用虚时间的路径积分测度。
设A为n×n厄米矩阵,其本征值λk均为正(1≤k≤n)。则对实变量xk,由练习 1.5可得
k=1∏n(∫−∞∞dxk)e−21∑p,qxpApqxq=k=1∏nλk1=detA1
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
∫−∞∞dxe−21λx2=λ2π
其中 λ>0。我们通过算符 O 的特征值 λk 的(适当正则化的)无穷乘积来定义该算符的行列式(determinant),即 DetO=∏kλk2。于是前面的路径积分可写为
∫y(0)=y(β)=0Dˉyexp[−21∫dτy(−dτ2d2+ω2)y]=DetD(−d2/dτ2+ω2)1,(1.154)
其中下标“D”表示特征值是在狄利克雷边界条件 y(0)=y(β)=0 下求得的。
满足该边界条件的一般解 y(τ) 可写为
y(τ)=β1n∈N∑ynsinβnπτ.(1.155)
注意 yn∈R,因为 y(τ) 是实函数。由于本征函数 sin(nπτ/β) 的特征值为 λn=(nπ/β)2+ω2,泛函行列式形式上可写为
DetD(−dτ2d2+ω2)=n=1∏∞λn=n=1∏∞[(βnπ)2+ω2]=n=1∏∞(βnπ)2p=1∏∞[1+(pπβω)2].(1.156)
最后一行的第一个无穷乘积可写为
DetD(−dτ2d2).
我们将通过ζ函数正则化来计算这个无穷乘积。设O是一个具有正定特征值λn的算符,则形式上成立
logDetO=TrlogO=n∑logλn.(1.157)
现在我们定义谱ζ函数为
ζO(s)≡n∑λns1.(1.158)
当Res充分大时右端收敛,且在该区域内ζO(s)关于s解析。此外,它可以解析延拓到整个s平面,至多除去有限个可能的点。注意到
dsdζO(s)s=0=−n∑logλn
便得到表达式
DetO=exp[−dsdζO(s)s=0].(1.159)
在本题的情形中,我们把 O 换成 −d2/dτ2,便得到
ζ−d2/dτ2(s)=n≥1∑(βnπ)−2s=(πβ)2sζ(2s)(1.160)
其中 ζ(2s) 就是著名的黎曼 ζ 函数。它在整个 s 平面上解析,唯一的例外是在 s=1 处的单极点。由熟知的值
ζ(0)=−21ζ′(0)=−21log(2π)(1.161)
可得
ζ−d2/dτ2′(0)=2log(πβ)ζ(0)+2ζ′(0)=−log(2β).
至此我们已证明
DetD(−dτ2d2)=elog(2β)=2β(1.162)
以及
DetD(−dτ2d2+ω2)=2βp=1∏∞[1+(pπβω)2].(1.163)
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
Tre−βH=[2βp=1∏∞{1+(pπβπ)2}]−1/2[ωtanh(βω/2)π]1/2.(1.164)
将其与(1.151)的结果相比较,我们就证明了公式
n=1∏∞[1+(nπβω)2]=βωπsinh(βω)
即
n=1∏∞(1+n2x2)=πxsinh(πx).(1.165)
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
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