(1)
首先,薛定谔方程是一个大的范式转换:使用复数,使用波函数。薛定谔方程是个粒子方程(不是场方程),但是波函数不直接描述粒子的位置或者速度。而且它用复数。逼着人类研究它的解释。逼出来概率解释,还有算符作用。
而且使人类对物理的逻辑信念开始松动 - 也就是说物理的理论只是一个记账系统,这么记,那么记,只要自洽都可以。不能解释实验怎么办?那说明你漏记了,不说明记账系统错了,只要把漏记的东西加进来就行了。
回头想一想,牛顿力学也是这样。力是什么?牛顿问过这个问题。现在看来,力是物体之间的关系。天体之间的关系最简单,所以就先有了万有引力。万有引力适用于丰富的地面环境吗?用记账系统来看,我们就不这么问了。
我们这么看:万有引力这个记账系统在天体环境下好用,我们没理由不用在地面环境。地面上的物体不能用质点来近似,那我们就把它分成小块,求和,发展出微积分。这实际上是保持力的简单性,而代价是物体configuration描述的复杂性。
这个系统有漏:不能描述两个系统之间的接触、摩擦。但是我们不抛弃这个系统,我们往里加东西。电,电荷,磁。。。
薛定谔方程是一个新的记账系统 - 有旧系统的影子,比如拉格朗日,哈密顿等 - 但主要是一个全新的范式。它不能从旧系统中推出来,它是全新的。是一次范式转换。
既然这样都可以的话,那人类就自由了。薛定谔方程波函数是一个复数值,它解释不了电子的自旋。那我就给它加一个复数,变成双复数值,发现它能解释电子自旋了。
那我3复数值行不行?4复数值行不行?理论物理自由了。U(1), SU(2), SU(3), SU(n) 都出来了。
(2)
从薛定谔方程向量子场论变化,主要是粒子向“场”的视角的变化。薛定谔方程是个粒子方程,视角是一个粒子,或者两个粒子多个粒子等组成的一个系统。而场,有一个稠密的概念。到处都是粒子,有一个密度的概念。想象成一个密度函数,它的定义域是连续统。
场这个概念,是对付复杂系统必需的概念。因为一个复杂系统,它的物质是弥散在空间之中的。当然也可以想象成很多很多的粒子,然后做粒子的追踪和统计,(这个好像叫系踪理论)。但是用场来描述,看似是从有限或者可数无穷变为连续统,复杂性增加了,实际上因为连续性(continuity)的要求,它是一种简化,一种近似,它的处理也会少于基于组合统计的理论。
欧拉在处理流体力学时,放弃了粒子视角,引入了流速场,这是一个向量场,和物质密度场,这是一个标量场。
实际上薛定谔方程中的波函数,本身就是一个场函数,因为它的定义域是时空,它不代表一个粒子的位置和速度。所以实际上场论的元素已经在波函数之中了。所以从薛定谔方程到量子场论,是一个视角的变化,一个解释的变化。
所以我们在量子场论里,也有一个函数,类似波函数,叫场函数,它决定着整个系统的演化。这个场函数,定义域也是时空。值域是复数,双复数,三复数,多复数。为什么可以是双复数,三复数,多复数?因为你复数都可以,那双复数,三复数,多复数有什么不可以的呢?理解的范式变了 - 解放了。
场论还有一个变化,就是定义域不一定是平直的时空,可以是一个弯曲的流形 - 因为空间可以弯曲嘛 - 而且这个弯曲,在微观中也可以存在 - 我觉得。
所以场函数是一个从流形到多复数的函数。我觉得这在当时的数学下,可以马上想到从流形到每一点上的多复数fiber的fiber bundle。纤维丛本来就是函数的一种扩展,定义域非平直的时候更容易想到。所以场函数现在是一个向量场。定义域是时空流形,每一点上值域是一个复数向量空间 - 复数,双复数,三复数,多复数。
这个纤维丛上必须给一个联络。联络就是规范,gauge。规范场论,就是有联络的纤维丛。联络的物理意义是什么呢?想象一下,一个平直空间上的纤维丛,它也可以有联络。也就是这根纤维上的一个向量和另一根纤维上的一个向量,它们可以不是按照“平凡”的方式对应。它们为什么不按照平凡的方式对应呢?因为有“力” - 这个地方的力比较多,它就偏离平凡比较多,另一个地方的里比较少,它就偏离平凡比较少。力也是曲率,是联络的导数。
(3)状态演化方程和quantization
薛定谔方程 ih\Phi_t= H\Phi 就是系统的状态演化方程,也就是波函数\Phi的演化方程。其中H是哈密顿算符,作用在一个波函数上,得到另一个波函数 - 也就是作用在波函数所在的空间上,这是一个函数空间,一个希尔伯特空间。
Quantization在哪里?这个地方我是有困惑的。我认为quantization在这一整套方程的构造和解的解释当中。包括波函数,算符,本征态,本征值,概率解释这一整套之中。最后表现在能量的量子化,也就是H算符本征值的离散性。数学上看,一个函数空间上的一个算符,它的本征值是离散的,这是很正常的。为什么把这种离散性叫做量子化?这存在于量子力学对解的解释。
场论的状态演化方程和quantization怎么搞?这个地方我没有完全打通。
大概是这样的:用场函数以及gauge,也就是联络,写出一个lagrangian和一个作用量函数(depend on场函数的时间演化路径),然后用最小作用量原理,得到场函数的时间演化路径
- 一般是得到描述这个时间演化路径的微分方程,这就相当于得到了这个时间演化路径。
考虑4维时空的话,时间和空间交织在一起,lagrangian变成lagrangian density,然后对时空积分得到作用量函数。但是这里就没有时间演化路径了 - 这个地方我没想明白。
然后怎么算符化,这个我也没打通。因为算符化,然后作用在场函数上有本征值的离散性,是量子化的关键,所以必须要算符化。
方程解的解释,是通过基本粒子,粒子数,的时空分布变化来理解的。这和最开始场论的初衷是一致的 - 不是一个粒子,而是一个粒子的分布。基本粒子和U(1), SU(2), SU(3)的表示有关。这些地方我也没打通。