散射问题的渐近理论与 矩阵
以下分析中默认选择 Heisenberg 绘景, 时空维数为 , 其中 为空间维数, 并且以实标量场为例进行分析.
自由场系统的生成泛函
对于自由场算子, 设其满足自由场方程
其中 . 可以展开为
其中 , , , 系统的真空态定义为 .
其生成泛函 定义为
可以证明
相互作用场系统的生成泛函
相互作用场系统的拉氏密度 包括自由部分 和相互作用部分 , , 相应的作用量为 . 其场算子的运动方程为
其生成泛函 定义为
可以证明
渐近场与渐近态
设系统的哈密顿量可以分为自由部分和相互作用部分,
由力学量的运动方程,
可知 , 即 实际上不含时. 因此将其记为 . 但由于 以及 一般并不与 对易, 因此一般情况下 和 并不为零, 总结起来即有
即两个含时的部分相加得到一个不含时的总哈密顿量.
为了研究散射问题, 引入两套渐近的自由场论, 分别称为 in 场和 out 场, 统称为 as 场. 在这两套渐近的自由场论中, 系统按自由哈密顿量 演化, 即
由此可知,
即 实际上不含时, 因此将其记为 . 但由于 以及 一般并不与 对易, 因此一般情况下 和 并不为零, 总结起来即有
即两个含时的部分相减得到一个不含时的自由哈密顿量.
与两套渐近场论相应的, 存在两套渐近态 和 , 即
从散射问题的物理情况考虑, 可以设 和 具有相同的谱. 对于力学量 有如下渐近条件,
在渐近场论中, 由力学量 的演化方程
可以解得
另外, 在非渐近场论中, 由力学量 的演化方程
可以解得
由渐近条件可知,
从而
定义 , 则 . 而由于
因此
由此可得
从而
设 和 均已归一化, 则上述比例系数的模为 , 因此可以设为 , 即
算子与 矩阵
定义 算子为 与 之间的幺正变换算子,
而 算子在 in 态的矩阵元为
其物理意义即为 时刻的 渐近态演化至 时刻后处于 渐近态的振幅. 由 式 可知, 矩阵元可以有一个任意的相位因子, 由此可知
为了方便, 将相位 选为 , 由此可将 矩阵元写为
由此可以将 算子定义为
只需求出 , 即可求出 算子. 为了确保 , 将 取为 , 则
这只是一个形式表达式, 无法进行具体计算. 为了将其改写为可以实际计算的形式, 将 对 求导,得
由初始条件 , 可以解得
由此可知
明确而言, 由于 , 其中 和 分别为系统哈氏密度和拉氏密度的相互作用部分, 由此可知,
令 , 则 .
若算子 , 满足 , 有 .
对于渐近 in 算子 , 假设 为 数, 有
其中 为 in 场的基态. 又由于
因此,
从而
此即 算子的 LSZ 约化公式.