量子场论如何入门

初学《量子场论》结语在科大这一年代培生活即将结束，我学习《量子场论》的进程也要告一段落。唯一的遗憾是今后的研究方向不是场论。也许我的同学对我的建议是有道理的：应该把所学的理论在计算机编程上加以实现，尤其对于那些分子数目较多的体系。这一学年，我也仅仅是对场论中的QED部分有了了解，可以说是入门吧。总的感觉就一个：delicate。它的精确程度超过了经典物理中的任何一个分支，它的结果比Maxwell的电磁理论还要优美！它将狭义相对论和量子力学很自然的结合在了一起：协变性，不确定性，对称性，绘景变换，微扰论，产生湮灭算符等在这个理论框架下得到了完美的体现。一般说来，进入量子场论有正则量子化和路径积分两种方式，不过大伙儿都偏向于前者（提供了一个和经典理论对比的平台）。实际上后者更为自然。1.对称性这是基本上是场论中的开场白-Noether定理-将场的作用量和无穷小连续变换结合在了一起。大多数教科书一般是从自由多分量标量场的形式入手，结合变分原理，从时空平移对称性，时空各向同性，内部对称性，整体规范对称性得到对应的表达式，并将它们作为自由场相应物理量的定义式。这是类比于经典的做法。但这样有个不好的地方，就是如何知道这样得出的式子能应用于量子情况而不出现异常。实际上这套理论是自洽的。或许可以接受另外的一套途径：从群论的角度找到幺正变换的无穷小生成元满足的性质（如Weinberg），然后通过经典的形式构造相应的物理量，结合场的对易关系去验证合理性。另一部分的重要内容是要得出场算符和幺正变换的关系式。要注意的是，场算符不同于量子力学中算符：量子力学中的算符带有坐标变量，那是因为一个抽象的算符选取了坐标表象而得出的；而在场论中，没有坐标表象一说，场算符带有坐标参数是本身的性质--在时空每一点都定义了一个操作。现在，唯一知可以利用的就是经典标量函数，矢量函数等的变换规律和场算符的性质。得到量子场算符变换规律最好的阐述是Bailin,Love的《Gaugefieldtheory》中一个很漂亮的式子：φ（x）=＜φ|Ψ(x)|0＞从它可以导出变换法则。很自然的，在无穷小变换下，也得到了场算符的演化方程。据说Schwinger的量子作用量原理是个好东西！2.自由场这一部分是以后进行费曼图计算的基础。需要注意的是光场的量子化时两种规范的选择和极化矢量的完备性关系。最好理解后者的不同极化矢量的标号和矢量分量的标号。（其实很类似于量子力学中基矢完备性关系在具体离散表象下的式子）。对于狄拉克场，求解时可以采用boost到静止参考系的方法。最好记住不同场传播子的表达式，以便于以后的推导！3.相互作用场和S矩阵这一部分是考虑的相互作用以后求解场的演化性质。粗略的说，可以直接套用量子力学中相互作用表象（这是一种微扰方法）：这种表象下场的动力学演化和自由的场方程是一样的。因此可以类比于自由场作傅立叶展开。但是注意：这时的产生（湮灭）算符不再有产生（湮灭）单粒子态的意义，因为[N(k),a(+)(k)]=a(+)(k)这样的式子不再成立！严格的讲，目的是要计算某个具有确定物理初末态的S矩阵。为了达到这一要求，LSZ约化公式是个好东西，它把S矩阵转化为求＜0|T{φ（x）φ（y）φ（z）......}|0＞这和路径积分中的N点格林函数一样。因此也可以借用路径积分来求。在正则量子化体系中，一个很好的方法是Dyson提出的，他提出利用这样的变换：φ（t）=U^(-1)φ(in)（t）U将相互作用场算符和自由场的算符联系在了一起。之后结合各自的场方程，就得出了U的演化规律。其实这个结果非常类似于量子力学中的绘景变换。于是，就可以得到用H（I）表示的编时乘积形式。这个式子其实就是Gellman-Low公式，Peskin的书里最初就是利用这个公式，作微扰展开，去计算标量场的φ^4理论的。接下来的事情就是利用Wick定理，Wick缩并，自由场两个格林函数计算了。对于具体的物理过程，有贡献的项数不多。还要注意极化矢量，γ矩阵等之间的相对位置，因为缩并的本质是产生湮灭算符的计算。为了不出错，可以写成矩阵元的形式，这样就可以按一般数字一样处理,运算后再按标号写成紧凑的形式。用这样的方法很容易看出对于闭合费米圈要加(-Tr)。必须把同一阶可能的费曼图计算结果加在一起才行，因为实际的物理过程似乎是这些过程都要进行的。再接下来的就是最后一步，将S和散射截面联系在一起了。完成可观测量的计算。关于这部分还有不少公理化的东西，为非微扰计算作了很多铺垫。可以看看Wightman的书。4.重整化这里的东西太多了。在计算高阶近似时，常会有圈图出现。在QED中就基本的三种类型：电子自能；光子自能；顶角发散。第一步是先对发散部分正规化，分离发散部分。然后在原有的拉氏量中选择合适的参数和抵消项将发散扣除，这样就可以产生有物理意义的结果。维数正规化是个好东西，可以巩固Γ函数，B函数的相关计算，d维时空的球坐标体积元和神奇的费曼折叠积分，值得一算。QED是可重整化的，对于要计算达到的不同阶数，要选择不同的参数。通俗的说，就是用考虑的所有可能发散后的三种基本修正的结构去构造费曼图，就可以消除到某一阶近似下所有可能出现的发散。总之，场论中的计算是个很精巧的过程，融汇了20世纪众多物理学家的极具创建性的思维。大师毕竟是大师，把数学工具和物理思维结合运用的淋漓尽致。能亲自体验QED复杂的计算，也算过了次瘾了！不过跟着书推导计算的时候，一定要知道“算这个是要干什么”学习场论的时候常常会发现数学技巧层出不穷，很多人说不要陷入这些技巧里，这是对的，但是绝不是说这些技巧不重要，实际上，它们是场论的核心。比如维克定理啊费曼图啊本质上就是个技巧。场论计算看起来非常繁，拨冗去繁的方法是把握计算的目的。计算的技巧和方法都是依目的选择和实现的。所以，多算的目的并不是为了把步骤背下来或者是通过计算搞懂原理，其实是应该反过来，通过原理搞懂计算。为什么要采取特定的方法，为什么某些方法在计算特定的东西的时候非常好用，然后再碰到相似问题的时候，能联想得到。这样就算是学懂了。那么，我绝对不推荐Peskin的书(每本书的简单介绍和信息在帖子的最后有)，这本书内容很丰富，但是并不是初学者的选择，如果你是初学者我觉得还是应该走一些正经的路，辟邪剑谱看不得。最好的选择有两个：Ryder的书或者是Bjorken&Drell的书，这两本书都属于从最基本的物理事实讲起，我想从Dirac方程开始，从Poincare群开始，从KleinGorden开始是一个很好的选择，但是注意，这三个都具备的书是给初学者的好书。很多人学了半天QFT连负能问题怎么解决的都不知道，可怜啊，那样你和彪哥基本上一个档次。当然有些北大的同学着急的问：马伯强的讲义行不行，行不行啊。靠，这也问，你用他的讲义学完了，他都不明白，你能明白吗，等于服用了ED冲剂，这样的问题不要问啊不要问。StateTwo:如果你是一个新手，但是打算花上一年的时间学习场论：我靠！这样的人才是作物理的，这样的人“挺”好。那我给你几种option:(1)你将来要作凝聚态物理的研究：那么我觉得你用太多的重整化之类的知识没有多大意义，关键是对场论有一个整体的了解，尽快进入凝聚态应用，那么我建议你第一学期同时阅读两本书：一本书是Mandl&Shaw的场论一本书是PrinciplesofCondensedMatterPhysics作者是PaulChaikin美国科学院院士，两本书我都在国内的时候见到有影印本，后一本中关村图书大厦有。两本书同时学主要是为了让你同时对场论在凝聚态的应用上有一个认识，chaikin在凝聚态理论实验上都非常有简述。而Mandl的书是一个可以说仙风道骨的书，详略得当同时又有脉络，是对QED和Renormalization的一个很好的入门书籍。第二学期你可以找一些网上的文献关于QFT在CMP中的应用的文献来读。这样的办法以前有人用过，据说啊，效果很好。我也推荐。(2)你将来要做偏理论的东西：那么你可以选择去读新出的MarkSrednicki的QFT，这本书我读了，如果你要想认真的学习，这本书适合从一开始读直到读完。好，我先来帮他吹一下，然后介绍这本书好在哪里。MarkSrednicki是UCSB非常出名astroparticlephysics的教授(如果你不知道UCSB在理论物理学界尤其是粒子物理学界的地位，来，抱抱，乖，还是别选这条路了，你还没有开天目，太苦)，这本书不是我推荐是泡尔津斯基推荐的书，这本书也是Witten和Suskind推荐的书，是一本从来没有人这么写的书。这本书最大的优点在于他没有跟从以前那些“最可爱的人们”，而是把全书分成了三个部分：Spin0,Spin1/2,Spin1。同时每一章都给出了先修内容的要求，使你很容易找到定位。最重要的，作者是Suskind的学生，里面凝结了两代大牛的精华，从来没有一本书如此优雅的告诉你应该如何启动你的思维，如果thinkaboutphysicswithoutgettingboggeddownindetails。如果你真的能够静下心来把这本书读完，那么我想你将来做理论物理跟场论有关的所有行当都会上升一个高度，有点“高潮”的感觉。(3)如果你将来要做String和QuantumFieldTheory:操，你是Witten吗，你是Polchinski吗，你是LisaRandall吗，你是我吗，一年就想搞定QFT?回娘胎里重新修炼去！如果你想认真的学习量子场论，将来想在StringTheory,QuantumGravity之类有所建树：首先，我建议把你学习QFT的心态摆好，虽然第一遍你会用1年学完，但是真正的使用需要你有一个很长的反复学习和升华的时间，这就是需要你完完全全的明白什么是QFT的精髓。我有一个很繁琐的建议，但是会很好用：在第一遍，有两套方案可以选择：(1)使用MarkSrednicki的书，10个月的时间学完，然后用两个月找一个网上particlephysics做得比较好的学校的particlephysics的讲义用两个月时间学习一下。注意，一定要做题！否则你什么都不会。(2)使用Greiner的书，第一学期：QuantumMechanics:Symmetries(这是我觉得群论讲得最好的一本书)和RelativisticQuantumMechanics。第二学期：FieldQuantization和QuantumElectrodynamics，这两个是先后顺序。但是因为Greiner的书是steptostep的，所以可以学得比较快，不过他的书的不好处在于什么都写的太详细了，所以很多你“以为”你知道了。在第二遍,两种方案：这时候，你对量子场论已经有了一个基本的认识了，如果没有，那么请买一把标准的瑞士军刀，（请选择正品），将刀口打开，放在腕静脉上，重压刀背，移动刀口，然后静等直到昏迷，祝贺你，成功了！希望你来世生得一个适合学习物理的脑子！在对量子场论有了一定认识的情况下，学习的重点是对于物理过程有一个很详细的了解，这时候选择书一定不要选择Greiner和Srednicki的，因为太过优美，不免让你自己失去了思考的余地。两个建议：(1)Peskin的场论PartI和PartII(2)Weinberg的场论VolumeI这两本书都是在一学期内读完，不要做什么题了，这时候你可以一边看你的专业文献一边读这两本书，只需要用脑子想，用脑子推导，知道中国人最大的优势是什么吗？！就是脑子好，一定要多思考，量子场论里面有很多地方需要思考而且写出来也很繁琐。不过一定要在看完每一部分以后思考一下CPT守恒与否的问题在这一章的应用，因为量子场论的最精华就是covariant&invariant，如果这时候不多想将来学non-abeliangaugetheory你会天天想抽你lp，因为实在是太tmd痛苦了，因为你屁也不会想明白。第三阶段，这时候你已经有了3个学期学习量子场论的经历了，可以说你已经可以进行关于particle和其他任何场论问题的科研了，但是你还有一块需