Кіріспе
Скалярлық өрістердің өрістік теориясы Теориялық физикада скалярлық өрістік теория скалярлық өрістердің салыстырмалы инвариант классикалық немесе кванттық теориясына сілтеме жасай алады. Скалярлық өріс кез келген Лоренц түрлендіруі кезінде инвариант болып табылады. Табиғатта байқалған жалғыз фундаменталды скалярлық кванттық өріс - Хиггс өрісі. Алайда скалярлық кванттық өрістер көптеген физикалық құбылыстардың тиімді өріс теориясының сипаттамаларында көрінеді. Мысал ретінде пионды алайық, ол шын мәнінде псевдоскаляр болып табылады. Поляризациялық асқынуларды қамтымайтындықтан, скалярлы өрістер екінші кванттау арқылы бағалануға ең оңай. Осы себепті скалярлы өріс теориясы жаңа түсініктер мен әдістерді енгізу мақсатында жиі қолданылады. Төменде қолданылатын метриканың белгісі (+, −, −, −).
In theoretical physics, scalar field theory can refer to a relativistically invariant classical or quantum theory of scalar fields. A scalar field is invariant under any Lorentz transformation. The only fundamental scalar quantum field that has been observed in nature is the Higgs field. However, scalar quantum fields feature in the effective field theory descriptions of many physical phenomena. An example is the pion, which is actually a pseudoscalar. Since they do not involve polarization complications, scalar fields are often the easiest to appreciate second quantization through. For this reason, scalar field theories are often used for purposes of introduction of novel concepts and techniques. The signature of the metric employed below is (+, −, −, −).
Классикалық скалярлы өріс теориясы
Осы бөлімде Ramond, Pierre (2001 12 21) жалпы анықтамалық мақалалар берілген. Дала теориясы: заманауи баспа (екінші басылым). АҚШ: Westview Press. , 1-тарау.
Сызықтық (еркін) теория
Ең негізгі скалярлы өріс теориясы - сызықтық теория. Далалардың Фурье ыдырау арқылы ол шексіз қосарланған тербелістердің қалыпты режімдерін көрсетеді, онда тербелістер индексінің континуумы i енді x арқылы белгіленеді. Еркін салыстырмалы скалярлы өріс теориясының әрекеті онда лагранж тығыздығы ретінде белгілі; d ^ 4−1) x dx ⋅ dy ⋅ dz dx ^ 1) ⋅ dx ^ 2) ⋅ dx ^ 3) үш кеңістіктік координаттар үшін; δ ^ ^ ij) - Кронекер дельта функциясы; және ρth координаты x ^ ^ ^ r үшін. Бұл квадраттық әрекеттің мысалы, өйткені әр термин өрісте квадраттық, φ. m ^ 2 {\displaystyle m^{2}} -ге пропорционалды термин кейде массалық термин ретінде белгілі, себебі ол осы теорияның квантталған нұсқасында бөлшектердің массасы тұрғысынан түсіндіріледі. Бұл теорияның қозғалыс теңдеуі жоғарыдағы әрекетті экстремизациялау арқылы алынады. Ол φ-де сызықтық, мұндағы 2 Лапластың операторы болып табылады. Бұл Клейн-Гордон теңдеуі, кванттық механикалық толқын теңдеуі ретінде емес, классикалық өріс теңдеуі ретінде түсіндіріледі.
where is known as a Lagrangian density; d^(4−1)x ≡ dx ⋅ dy ⋅ dz ≡ dx^(1) ⋅ dx^(2) ⋅ dx^(3) for the three spatial coordinates; δ^(ij) is the Kronecker delta function; and for the ρ th coordinate x^(ρ). This is an example of a quadratic action, since each of the terms is quadratic in the field, φ. The term proportional to m^(2) is sometimes known as a mass term, due to its subsequent interpretation, in the quantized version of this theory, in terms of particle mass. The equation of motion for this theory is obtained by extremizing the action above. It takes the following form, linear in φ,
where ∇2 is the Laplace operator. This is the Klein–Gordon equation, with the interpretation as a classical field equation, rather than as a quantum mechanical wave equation.
Өлшемдік талдау және масштабтау
Физикалық шамалардың бұл скалярлы өріс теорияларында ұзындығы, уақыты немесе массасы немесе осы үшеуі біріктірілуі мүмкін. Алайда, салыстырмалылық теориясында кез келген уақыт өлшемдері бар t шамасын жарық жылдамдығын, c, пайдалану арқылы ұзындығына оңай түрлендіруге болады. Сол сияқты, кез келген ұзындығы l кері массаға тең, , Планк тұрақтысын, ħ. Табиғи бірліктерде уақыт ұзындығы ретінде немесе уақыт немесе ұзындығы кері масса ретінде қарастырылады. Қысқаша айтқанда, кез келген физикалық шаманың өлшемдерін үш өлшемнің де емес, тек бір тәуелсіз өлшемнің тұрғысынан анықтағандай ойлауға болады. Бұл көбінесе санның массалық өлшем деп аталады. Әрбір шаманың өлшемдерін білу, өлшемдік сәйкестік үшін қажетті ħ және c күштерін қайта енгізу арқылы осы массалық өлшем бойынша табиғи бірліктер өрнегінен дәстүрлі өлшемдерді қайта қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Бір қарсылық - бұл теория классикалық, сондықтан Планк тұрақтысының теорияның бір бөлігі болуы анық емес. Егер қаласа, теорияны ешқандай массалық өлшемдерсіз қайта құруға болады: алайда бұл кванттық скалярлық өріспен байланысты сәл жасырудың есебінен болады. Массаның өлшемдері бар болғандықтан, Планк тұрақтысы бұл жерде іс-әрекеттің негізінен ерікті тұрақты анықтама мөлшері ретінде қарастырылады (кванттықтандырумен міндетті түрде байланысты емес), сондықтан масса мен кері ұзындықты айырбастауға арналған өлшемдер.
Масштабтың өзгермеуі
Кейбір скалярлы өріс теорияларының масштабты инвариантты болып табылатын белгілі бір мағынасы бар. Жоғарыда көрсетілген әрекеттердің барлығы массалық өлшемдері нөлге тең болып құрылған, бірақ масштабтау түрлендіруінде барлық әрекеттер инвариант емес. Барлық әрекеттердің инвариант емес болуының себебі, әдетте, m және gn параметрлерін жоғарыда көрсетілген түрлендіруде масштабталмаған тұрақты шамалар ретінде қарастыру. Скалярлы өріс теориясының масштабты инвариантты болуының шарты өте айқын: әрекетте пайда болатын барлық параметрлер өлшемсіз шамалар болуы керек. Басқаша айтқанда, масштабты инвариант теориясы - теорияда ешқандай тұрақты ұзындығы масштабы (немесе, баламалы түрде, массалық масштабы) жоқ теория. D кеңістіктегі өлшемді скалярлы өріс теориясы үшін, жалғыз өлшемсіз параметр gn n = қанағаттандырады. Мысалы, D = 4 -де тек g4 классикалық өлшемсіз, сондықтан D = 4 -дегі жалғыз классикалық масштабты инвариант скалярлы өріс теориясы массасыз φ4 теориясы болып табылады. Алайда классикалық масштабтың инварианттылығы, әдетте, кванттық масштабтың инварианттылығын білдірмейді, өйткені ренормализация тобы қатысады бета функциясының талқылауын төменде қараңыз.
The reason that not all actions are invariant is that one usually thinks of the parameters m and gn as fixed quantities, which are not rescaled under the transformation above. The condition for a scalar field theory to be scale invariant is then quite obvious: all of the parameters appearing in the action should be dimensionless quantities. In other words, a scale invariant theory is one without any fixed length scale (or equivalently, mass scale) in the theory. For a scalar field theory with D spacetime dimensions, the only dimensionless parameter gn satisfies n = For example, in D = 4, only g4 is classically dimensionless, and so the only classically scale invariant scalar field theory in D = 4 is the massless φ4 theory. Classical scale invariance, however, normally does not imply quantum scale invariance, because of the renormalization group involved – see the discussion of the beta function below.
Қисық шешімдері
М2 минус φ4 теориясының да кiрiк шешiмi бар, ол солитонның каноникалық мысалы болып табылады. Мұндай шешімнің түрі x кеңістіктік айнымалылардың бірі болып табылады (φ t-ден және қалған кеңістіктік айнымалылардан тәуелсіз деп қабылданады). Ерітінді қос ұңғыма потенциалының екі түрлі вакуумасы арасында интерполяцияланады. Қисықты шексіз энергиялы ерітінді арқылы өтпей тұрақтандырылған ерітіндіге айналдыру мүмкін емес, сондықтан қисық тұрақты деп аталады. D>2 үшін (яғни бірден көп кеңістіктік өлшемді теориялар) бұл шешім домен қабырғасы деп аталады. Кеуде шешімдері бар скалярлы өріс теориясының тағы бір танымал мысалы - синустық Гордон теориясы.
where x is one of the spatial variables (φ is taken to be independent of t, and the remaining spatial variables). The solution interpolates between the two different vacua of the double well potential. It is not possible to deform the kink into a constant solution without passing through a solution of infinite energy, and for this reason the kink is said to be stable. For D>2 (i. e., theories with more than one spatial dimension), this solution is called a domain wall. Another well known example of a scalar field theory with kink solutions is the sine Gordon theory.
Күрделі скалярлы өріс теориясы
Күрделі скалярлы өріс теориясында скалярлы өріс нақты сандар емес, күрделі сандардағы мәндерді алады. Күрделі скалярлық өріс 0 спинді бөлшектер мен зарядты антибөлшектерді білдіреді. Қаралған әрекет әдетте мынадай нысанды алады: Бұл U(1), баламалы O(2) симметриясы бар, оның өрістер кеңістігіндегі әрекеті нақты фазалық бұрыш α үшін айналады. Шынайы скалярлы өріске қатысты, егер m2 теріс болса, өздігінен симметрияның бұзылуы анықталады. Бұл Голдстоунның Мексика шапқыры потенциалын тудырады, бұл V оське 2π радиан арқылы шынайы скалярлы өрістің қос ұңғыма потенциалын айналдыру. Симметрияның бұзылуы бір жоғары өлшемде орын алады, яғни вакуумды таңдау дискретті емес, үздіксіз U ((1) симметрияны бұзады. Скалярлық өрістің екі компоненті массалық режим және массасыз Голдстоун бозоны ретінде қайта құрылады.
This has a U(1), equivalently O(2) symmetry, whose action on the space of fields rotates , for some real phase angle α. As for the real scalar field, spontaneous symmetry breaking is found if m2 is negative. This gives rise to Goldstone's Mexican hat potential which is a rotation of the double well potential of a real scalar field through 2π radians about the V axis. The symmetry breaking takes place in one higher dimension, i. e., the choice of vacuum breaks a continuous U(1) symmetry instead of a discrete one. The two components of the scalar field are reconfigured as a massive mode and a massless Goldstone boson.
О ((N) теориясы
Кешенді скалярлы өріс теориясын екі нақты өріс, φ1 = Re φ және φ2 = Im φ, арқылы білдіруге болады, олар U(1) = O(2) ішкі симметрияның векторлық бейнелеуіне айналады. Мұндай өрістер ішкі симметрияның астында вектор ретінде түрленсе де, олар әлі де Лоренц скалярлары болып табылады. Бұл O ((N) симметриясының векторлық бейнелеуінде өзгеріп отыратын N скалярлы өрістер теориясына жалпылана алады. О ((N) инвариант скалярлы өріс теориясы үшін лагранждық әдетте тиісті О ((N) инвариант ішкі көбейтіндісін пайдаланатын формада болады.
using an appropriate O(N) invariant inner product. The theory can also be expressed for complex vector fields, i. e. for , in which case the symmetry group is the Lie group SU(N).
Гаузерлік өрістік жалғаулар
Скалярлы өріс теориясы Янг-Милл әрекетіне гаджеттік инвариантпен қосылғанда, суперөткізгіштердің Гинцбург-Ландау теориясы алынады. Бұл теорияның топологиялық солитондары суперөткізгіштегі бұрандаларға сәйкес келеді; Мексика шапқыры потенциалының минимумы суперөткізгіштің реттік параметріне сәйкес келеді.