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关于路径积分的又一个有趣的小东西

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  放假三天,第一天在睡觉……第二天在恢复……第三天在想和算东西……  休假久了,放假不放假没啥区别(废话)。
  所以,打算把一个想到很有意思的东西记下来——一大串想法的一部分,不是起点,更不是终点。
  场论在数学上是很说不过去的,因为充满了发散。
  记得某个人提过:场论的严禁性在数学上是没有被证明的东西,特别是路径积分。
  上次在贴吧里写了一份东西,用简单地估算证明了场论路径积分会出现阿烈夫2个乘子,所以必发散——也就是说,同一个作用量会有阿烈夫2个不同的场构形与之对应,所以同一个作用量就需要乘上一个阿烈夫2,然后才能对作用量做积分,导致的结果就是必发散。这里说的是生成泛函。
  所谓阿烈夫2,说白了,就是人类至今能找到的最大的无穷大——阿烈夫0表示数轴上实数点的数量;阿烈夫1表示数轴上点的数量;阿烈夫2表示平面上曲线的数量。你说平面上点的数量?用Piano曲线做平面到数轴的映射可知数量为阿烈夫1。事实上,用高维Piano分形曲线,任意维几何体(无论有限无限)的点的数量都是阿烈夫1。同理,任意区间(无论有限无限)上有理数的数量都是阿烈夫0。至今没有任何无穷大能大过阿烈夫2,所以场论中路径积分出现阿烈夫2这个因子就说明——它发散定了。
  上面这个证明是在非微扰的情况下完全从概念出发来的估算,不算是严格证明。
  于是就在想,在微扰下情况是否会两样?或者说,能否从微扰的情况回过头来给出非微扰下的严格证明?
  这又牵扯到另外一个问题,就是事实上微扰展开是有条件的,就和高数里面的收敛半径一样。场论里面展开并没有判断对应的收敛半径(当然,有人说QCD有问题的原因就是g近似1所以太强了,不适合用微扰)。同样的,在重整化以后给出三个重整化参量的时候,又是在不考虑求和量是否小于收敛半径的情况下“强行”使用求和公式。
  所以,简单说来,场论路径积分的发散可能有三个来源:
  1,路径积分中场构形的阿烈夫2因子——这是估算的;
  2,微扰展开失效——这也是可以估算的,这也是这次主要做的事情;
  3,圈积分发散——这个无法避免。
  所以,先要查看一下微扰展开到底情况如何。
  以phi^4理论为例,它在n个顶点下的图和n+1个顶点下的图是存在简单的图拓展关系的。
  n顶点的图通过线拓展和点拓展可以给出n+1顶点的图,而且是给出所有n+1顶点的图。在考虑允许非连通图的情况下,将还会有真空拓展——也就是引入一个8型真空涨落子图。
  线拓展很容易,就是从一型传播子变成Ω型传播子,点拓展则是从X型顶角变成XX型双顶角。
  在考虑具体的对称性因子以前,这么做将得到很不错的结果:
  所有拓展都会含有圈积分(线拓展下是二次发散,点拓展下是对数发散),而且都含有原本的线或者点上的动量传播子,而由于在考虑不可约单联通图(1PI)的时候只对内线做拓展,所以都需要在整个动量空间做积分,所以上述所有内容都可以被平均掉,从而对于线拓展出现一个二次型发散的因子B,而对于点拓展则出现一个对数发散的因子A。在具体考虑对称性因子以前,n+1顶角图的数量和n顶角图的数量是有很简单的关系的:F(n+1)=nF(n)+(2n-e/2)F(n),这里两个因子可以通过很简单的图论和拓扑来得到。
  这样,代入微扰展开式我们会发现,收敛半径为1/(3λ),也就是说当A或者B大于1/(3λ)的时候,级数求和发散。这是又微扰展开这个方法本身所决定的发散。
  没事,现在可以将级数在小于收敛半径的时候求和,然后延拓到大雨收敛半径的情况。此时得到一个很有意思的非微扰结果:两点传播子为1/(k^2-m^2)(1-λ(3A+2B))^(2B/(6A+4B)-1)
  考虑到A是对数发散,B是二次型发散,所以指数因子最后可以确定为-1/2。
  有意思的地方就在这里:λ(3A+2B)。它就提供了重整化在这个估算模型下的意义:相互作用顶角λ和发散的圈积分(3A+2B)一起,构成了一个因子,所以这里的λ必然是裸量,而λ(3A+2B)必然要得到观测量,而这就是重整化所干的事情。



IP属地:上海1楼2011-01-05 01:22回复
      这个模型还可以被应用到别的地方。
      比如QED中,每个顶点三条线,从简单的图论和拓扑可以知道,顶点数必然是两个两个条的。以单电子或者单光子传播子来说,当顶角数大于695.15的时候,级数必然开始单调增,从而最后结果就是级数发散。(晚上躺在被窝里的时候纯脑子估算的结果是705,差了10……)
      当然,在这里是混杂了真空涨落图的贡献的。事实上,用这个方法算出的图的总量,是所有可能的图,包括非连通的真空涨落部分,以及可约的部分。
      而,对于QCD,g=1(e=1/137),那么从1.5开始就开始单调增了……当然,这个情况在扣除真空图以后会得到一定程度的缓解,扣除可约图就更加缓和了,但总体趋势是不变的。
      这就是那阿烈夫2因子的体现。
      不过,有意思的东西还没完。
      用这个估算方法深入计算,发现只要相互作用顶角的连线数量大于2,就必然会发散掉。而连线数为2的顶角是什么顶角?是质量所代表的场自作用。
      于是,今天就在算一个有意思的东西:将质量完全看作场自作用这个相互作用的耦合系数,对这个相互作用做微扰展开,结果会怎么样?
      这个结果很有意思。
      在不考虑真空涨落的情况下,唯一的图就是树图,而且结果很喜人——将质量看作相互作用从而做展开后,传播子为真空的无质量粒子传播子1/k^2,而树图的结果显示,现在的传播子为1/(k^2-m^2),也就是说重新获得了有质量粒子的传播子。
      这个结果很喜人。
      但是,接着考虑上真空涨落以后,结果就恶劣了。
      当只考虑一个真空涨落的时候,最后的传播子将得到一个因子(1+A),而这个A是含有二阶发散和对数发散的。事实上,这里如果考虑含有L个真空涨落圈的情况,我们将得到更加多的发散项,而且很难找出一个统一的递推关系,所以对于这些发散的求和是否可以得到如同最最开始的估算那样的可重整情况,就不得而知了。
      但问题就在于,我们很清楚地知道这个传播子就应该等于树图的结果,那真空涨落的部分的总和最多只能共享一个模1的相因子乘子,事实却不是如此。而且,这里含有无穷大,所以需要重整化,但重整化要么是对质量重整化,要么是对场振幅重整化。前者肯定错误,后者却让人很迷惑,因为在将质量视为相互作用从而做微扰展开以前,场的振幅是不需要重整化的,为何现在要重整化了呢?
      这就可以看出这里重整化的一个来源:未必是和“更加底层的物理”有关的,而完全纯粹来自于微扰展开这个数学方法。
      或者,更简单地说,我认为这里重整化的至少部分来源是在路径积分的时候把场当作泛函微分算符这个步骤。
    


    IP属地:上海3楼2011-01-05 01:22
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      不能对m在m = 0附近做微扰展开吧。m = 0时,k^2 = 0,传播子1/k^2是发散的。


      4楼2011-01-05 01:43
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        嗯,应该没问题。


        6楼2011-01-05 03:19
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          关于路径积分,闵氏空间的路径积分只是在lebesgue测度下没有严格的定义,但是完全可以把导出时的离散路径求和形式作为原始定义!而不把其看作连续的lebesgue积分。况且欧氏空间的路径积分的lebesgue测度是有很好的定义的,因为无规则路径都被指数压低,可以通过wick转动解析延拓到闵氏空间。
          关于发散的问题完全是误把时空当作连续处理的结果,同上条一样,由于引力的存在,其结果是近似反而是真实的。还有微扰展开是一种渐近展开,不能看作级数,因为小参量的选取是任意的。


          7楼2011-01-05 17:18
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            “所谓阿烈夫2,说白了,就是人类至今能找到的最大的无穷大”此话稍微欠妥,因为可以证明,任何**的基数严格小于其所有子集组成的**的基数。
            我觉得那个阿列夫2出现的原因也可以看做是把空间连续处理,或者说是在极微观条件下,误认为路径积分的指数依旧是如QED拉氏量的形式,这是拉式形式的解释。从哈密顿形式或傅里叶分解的角度说,也就对应于高能分量的发散。


            8楼2011-01-05 17:43
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              刚从加班的苦海里解脱就看到这么一片长文……
              说那个n!体现了阿烈夫2这个东西似乎有点牵强了。
              因为,对于没有相互作用的情况,按照之前LZ的分析也应该有阿烈夫2个场构形对应同一个虚过程的作用量,但LZ自己也证明了在只有质量项(也就是没有外相互作用的“自由”情况)的时候树图结果有限,而且没一阶的图总数与展开中的1/n!因子抵消,所以原则上是得到有限结果(假定圈积分的二阶发散与对数发散都被重整化掉了),这不是自相矛盾了吗?
              发现我很适合找人矛盾啊,哈哈~~~
              另一方面,这篇东西果然如我上次所推测的那样,开始试图证明发散来源于路径积分的微扰展开本身。
              不过,有意思的地方在于最后部分,似乎试图论证重整化的部分来源可能是路径积分。
              这部分很有意思。
              如果重整化的所有来源都是因为路径积分的误用,那就和凝聚态中的问题截然不同了。
              不过,对于这个结论我很怀疑,因为虽然质量表示的自相互作用可以通过把真空涨落都人为去掉的方式来得到树图的无发散圈积分的结果,但事实上对于别的稍微复杂一点的模型,必然还是有圈的,所以必然还是要出现无穷大发散的。
              不过,LZ的文章有意思的地方就在于给出了这么一个思考:重整化很可能只是因为路径积分等数学手续所带来的副产品。而且,似乎也在暗示:路径积分的微扰展开方法可能需要被重新思考(我又对LZ的**预测了……)。
              说点别的,LS两位都提到了空间连续是导致阿烈夫2出现的原因。但我在想这么一个过程:还是路径积分,这次是在离散空间中,然后是否依然可以对相互作用项做微扰展开?如果还是可以做展开的话,那LZ所给出的(2n+e-1)!!这个结果似乎就不会被修改,而这个是与空间本身是连续还是离散无关的,因为这个结果只是在对所有可能出现的图做一个计数。
              当然,对此我只是这么想,毕竟离散的情况下对图有没有影响我不知道,说不定两张图在离散几何背景下就是同一张图了……


              9楼2011-01-05 18:29
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                试想一个**有阿列夫2个元素,那么这个**有多少个子集


                11楼2011-01-07 00:13
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