Кіріспе

Классикалық физикалық теорияны кванттық механикамен үйлесімдіге келтіру процесі. Физикада каноникалық кванттау – классикалық теорияны кванттау процедурасы, классикалық теорияның формальды құрылымын, мысалы, симметрияларын, мүмкіндігінше сақтап қалуға бағытталған. Тарихи тұрғыдан алғанда, бұл Вернер Гейзенберг кванттық механиканы алу жолы емес еді, бірақ Пол Дирак 1926 жылғы докторлық диссертациясында оны кванттау үшін "классикалық аналогия әдісі" деп енгізіп, "Кванттық механиканың принциптері" атты классикалық еңбегінде егжей-тегжейлі сипаттады. "Каноникалық" термині классикалық механикаға Гамильтондық тәсілден туындайды, онда жүйенің динамикасы каноникалық Пуассон жақшалары арқылы туындайды, бұл құрылым каноникалық кванттауда толық сақталмайды. Бұл әдіс Пол Дирак тарапынан кванттық өріс теориясы аясында кванттық электродинамиканы құру үшін одан әрі қолданылды. Өріс теориясы контекстінде, ол жеке бөлшектердің жартылай классикалық бірінші кванттануына қарама-қарсы, өрістердің екінші кванттануы деп те аталады.

Тарих

Кванттық физика алғаш рет дамыған кезде ол тек бөлшектердің қозғалысының квантталуымен ғана айналысты, электромагниттік өрісті классикалық күйде қалдырды, содан кейін оны кванттық механика деп атады. Кейін электромагниттік өріс те квантталды, тіпті бөлшектердің өзі квантталған өрістер арқылы сипатталды, нәтижесінде кванттық электродинамика (QED) және жалпы кванттық өріс теориясы пайда болды. Осылайша, конвенция бойынша, бөлшектердің кванттық механикасының бастапқы түрі бірінші кванттау деп аталады, ал кванттық өріс теориясы екінші кванттау тілінде құрастырылады.

Екінші кванттау: өріс теориясы

Кванттық механика бөлшектердің саны тұрақты релятивистік емес жүйелерді сипаттауда табысқа жетті, бірақ бөлшектерді жасау немесе жою мүмкіндігі бар жүйелерді, мысалы, фотондар жиынтығы ретінде қарастырылатын электромагниттік өрісті сипаттау үшін жаңа құрылым қажет болды. Соңында, арнайы салыстырмалылық теориясының бір бөлшектік кванттық механикамен үйлесімсіздігі анықталды, сондықтан барлық бөлшектер қазір кванттық өрістер арқылы релятивистік тұрғыдан сипатталады. Электромагниттік өріс сияқты өрісқа канондық кванттау процедурасы қолданылғанда, классикалық өріс айнымалылары кванттық операторларға айналады. Осылайша, өрістің амплитудасын құрайтын қалыпты режимдер қарапайым осцилляторлар болып табылады, олардың әрқайсысы жоғарыдағы стандартты бірінші квантталуда бұрыс түсініксіздіксіз квантталады. Нәтижесінде пайда болатын кванттар жеке бөлшектер немесе қозулармен сәйкес келеді. Мысалы, электромагниттік өрістің кванттары фотондармен сәйкес келеді. Бірінші кванттаудан айырмашылығы, дәстүрлі екінші кванттау толығымен бұрыс түсініксіз, іс жүзінде функтор болып табылады, өйткені оның құрамына кіретін осцилляторлар бұрыс түсініксіздіксіз квантталады. Тарихи тұрғыдан алғанда, бір бөлшектің классикалық теориясын кванттау толқындық функцияны тудырады. Өрістің классикалық қозғалыс теңдеулері әдетте оның кванттарының бірінің толқындық функциясының (кванттық) теңдеулерімен бірдей формада болады. Мысалы, Клейн-Гордон теңдеуі - еркін скалярлық өріс үшін классикалық қозғалыс теңдеуі, сонымен қатар скалярлық бөлшектің толқындық функциясының кванттық теңдеуі. Бұл өрісті кванттау бұрыннан квантталған теорияны кванттауға ұқсас көрінеді дегенді білдіреді, бұл ерте әдебиетте «екінші кванттау» деп аталатын қиялға толы терминге әкелді, ол өрісті кванттауды сипаттау үшін бүгінге дейін қолданылады, тіпті қазіргі заманғы егжей-тегжейлі түсіндірме басқаша болса да. Релятивистік өріс үшін канондық кванттаудың бір кемшілігі - уақытқа тәуелділікті анықтау үшін Гамильтонианға сүйену арқылы релятивистік инварианттылық енді анық көрінбейді. Сондықтан релятивистік инварианттылық жоғалмайтынын тексеру қажет. Балама ретінде, релятивистік өрістерді кванттау үшін Фейнман интегралдық тәсілі қол жетімді және анық түрде инвариантты. Релятивистік емес өріс теориялары үшін, мысалы, конденсирленген зат физикасында қолданылатын теориялар үшін Лоренц инварианттылығы мәселе емес.

Аулалық операторлар

Кванттық механикада өрістің айнымалылары (мысалы, белгілі бір нүктедегі өрістің амплитудасы) Гильберт кеңістігіндегі операторлармен көрсетіледі. Жалпы алғанда, барлық байқалатын шамалар Гильберт кеңістігіндегі операторлар ретінде құрастырылады, ал операторлардың уақыт бойынша өзгеруі Гамильтондықпен анықталады, ол оң оператор болуы тиіс. Гамильтондықпен жойылған күй вакуумдық күй ретінде қарастырылуы керек, ол барлық басқа күйлерді құруға негіз болады. Бір-бірімен әрекеттеспейтін (еркін) өріс теориясында вакуум әдетте нөл бөлшектің болуын көрсетеді. Бір-бірімен әрекеттесетін бөлшектер теориясында вакуумды анықтау вакуумдық поляризация салдарынан күрделірек, себебі кванттық өріс теориясындағы физикалық вакуум ешқашан толық бос болмайды. Толыққанды түсіндіру үшін кванттық механикалық вакуум және кванттық хромодинамика вакуумы туралы мақалаларға жүгініңіз. Канондық кванттаудың егжей-тегжейі квантталатын өріске және оның еркін немесе әрекеттесетін болуына байланысты.

Конденсат

Скалярлық өрістің жоғарыдағы құрылымы потенциал φ = 0-де ең төмен мәнге ие деп есептелді, сондықтан Гамильтонды ең аздейтін вакуум ⟨φ⟩ = 0 шартын қанағаттандырады, бұл өрістің вакуумдық күту мәнінің (VEV) нөлге тең екенін көрсетеді. Өздігінен симметрия бұзылу жағдайларында нөлдік емес VEV болуы мүмкін, себебі потенциал φ = v мәнінде ең төмен мәнге ие болады. Мысалы, g > 0 және m² > 0 болғанда мұндай жағдай туындайды, онда ең аз энергия осы мәнде табылады. Осы вакуумдардың біріндегі v мәні өріс φ-нің конденсаты ретінде қарастырылуы мүмкін. Содан кейін, φ(x,t) − v ауысқан өрісі үшін канондық кванттау жүргізіледі, ал ауысқан вакуумға қатысты бөлшектік күйлер ауысқан өрісті кванттау арқылы анықталады. Бұл құрылым бөлшектер физикасының стандартты моделіндегі Хиггс механизмінде қолданылады.

Деформацияны кванттау

Классикалық теория кеңістік-уақыттың кеңістіктік жапырақтары арқылы сипатталады, мұнда әр кесіндідегі күй симплектикалық көптіктің бір элементімен беріледі, ал уақыт эволюциясы симплектикалық көптік үстіндегі Гамильтон функциясымен туындаған симплектоморфизм арқылы анықталады. "Операторлардың" кванттық алгебрасы – симплектикалық кеңістіктегі тегіс функциялар алгебрасының ħ деформациясы, сондықтан фазалық кеңістіктегі формулада берілген [A, B] коммутаторының ħ-ге қатысты Тейлор қатарындағы жетекші мүшесі iħ{A, B} болады (Мұнда фигуралық жақшалар Пуассон жақшасын білдіреді. Басқа мүшелердің бәрі Мояль жақшасында кодталған, ол Пуассон жақшасының кванттық деформациясы). Қатысатын шамалар (көрсеткіштер) үшін және мұндай жақшалардың аргументтерін анықтауда, ħ деформациялары бірегей емес – кванттау – бұл "өнер", және ол физикалық контекстпен анықталады. (Екі түрлі кванттық жүйе бір классикалық лимит үшін екі түрлі, баламасыз деформацияны білдіре алады, ħ → 0). Енді осы кванттық алгебраның унитарлық өкілдіктерін іздеу қажет. Мұндай унитарлық өкілдікке қатысты, классикалық теориядағы симплектоморфизм енді (метаплектикалық) унитарлық түрлендіруге деформацияланады. Атап айтқанда, классикалық Гамильтонианмен туындаған уақыт эволюциясы симплектоморфизмі, сәйкес кванттық Гамильтонианмен туындаған унитарлық түрлендіруге деформацияланады. Әрі қарай жалпылау – классикалық теория үшін симплектикалық кеңістіктің орнына Пуассон көптүрлілігін қарастыру және тиісті Пуассон алгебрасының ħ деформациясын немесе тіпті Пуассон суперкөптүрлілігін жүзеге асыру.

Геометриялық кванттау

Жоғарыда сипатталған деформациялық кванттау теориясына қарама-қарсы, геометриялық кванттау нақты Гилберт кеңістігін және ондағы операторларды құруға ұмтылады. Симплектикалық көптікпен бастап, бірінші кезекте, тиісті сызықтық бунделінің квадраттық интегралға ие қималарынан тұратын алдынғы кванттық Гилберт кеңістігін құрастырады. Бұл кеңістікте барлық классикалық байқалатын шамаларды алдынғы кванттық Гилберт кеңістігіндегі операторларға бейнелеуге болады, мұнда коммутатор Пуассон жақшасына дәл сәйкес келеді. Дегенмен, алдынғы кванттық Гилберт кеңістігі, әрине, квантталуын сипаттау үшін тым үлкен. Сондықтан поляризацияны таңдау арқылы жұмыс жалғастырылады, яғни (шамамен) өлшемді фазалық кеңістіктегі айнымалыларды таңдау. Кванттық Гилберт кеңістігі – бұл тек таңдалған айнымалыларға ғана тәуелді қималардың кеңістігі, яғни олар басқа бағыттарда ковариантты тұрақты. Егер таңдалған айнымалылар нақты болса, онда дәстүрлі Шредингер Гилберт кеңістігіне ұқсас нәрсеге қол жеткіземіз. Егер таңдалған айнымалылар кешенді болса, онда Сегал-Баргман кеңістігіне ұқсас нәрсеге ие боламыз.

Тарихи дереккөздер

Сильван С. Швейбер: QED және оны жасағандар, Принстон университеті баспасы, 1994 жыл.