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2016年9月 4日 (日)

非線型自由粒子構想(1)(遺稿)

§1序論
 

数年前から目がよく見えないこともあり,長期入院しても,

細かい読書がままならないので,アリストテレスの形而上学

ではないけれど経験や参考書物などに頼らず,ただ沈思黙想

して,頭の中の思いつきをノートに書き殴り,それを基にした

計算に勤しんだりしていました。

 

 そうした徒然(つれづれ),いくらかまとめて記述してみます。
 

 最もモデル化が簡単な,質量がμで自由場φがKlein-Gordon

 方程式:(□+μ2)φ=0 の解であるスピンがゼロのスカラー

または擬スカラー粒子の自由Feynman伝播関数:ΔF, 

ΔF(x-y)=∫d4(2π)-4exp{i(x-y)}

/(2-μ2iε) で与えられます。
 

これは自由場の時間順序積(T積)の真空期待値:

0|(φ()φ()|0であり,

(□+μ2)ΔF(x-y)=-δ4(x-y)を満たす2点

Green関数です。 
 

もしも,これが如何なるkのベキが分子に掛かっても

元々発散する積分である

∫d4(2π)-4nexp{i(x-y)}/(2-μ2iε) 

が常に収束するように微小な正のパラメータλによる

因子:exp{-λ(2)2}を持っていれば?という思いつき

の発想。。から出発します。
 

(※↑恐らく,他にも同様のことを先人が提案し,考察の

結果ボツにした。とか。。または,そういう理論は有名

だが寡聞にして私が知らないだけである。。とか?
 

いずれにしても今の自分の身では確かめるスベもなく,

しかし,こうしたことを誰かに聞いたか,どこかで見た。。

という記憶が理由でした発想であるにしても,自分では

決して盗作の意識はなく発案したと思っています。

 

尤も,盗作を問題にするほどのシロモノじゃなく陳腐で

些末で識者には相手にされないツマラナイ話かも。。。

それはそれでも仕方ないが。。。ピエロやドンキホーテ

裸の王様は正直嫌だな。。※)
 

さて, 自由Feynman伝播関数:ΔFはをλを含むそれ:

ΔFλ(x-y)に修正します。

 ΔFλ(x-y)
=∫d4(2π)-4exp{i(x-y) -λ(2)2}

/(2-μ2iε)です。 

これはλ→+0の極限でΔは,F(x-y)に帰着します。

 

しかし,λが如何に小さくてもセロでない限り. 

k→±∞で急激にknexp{-λ(2)2}0となり, 

積分:∫d4(2π)-4exp{i(x-y) -λ(2)2}

/(2-μ2iε)は有限となるはずですが,

 
他方λ=0のときのknexp{-λ(2)2}=knは無限大
 

なので.こうした積分は発散します。
 

という意味で先にkの積分を実行し,その後にλ→+0

の極限を取れば有限ですが,先にλ→+0として後で積分

を実行すると無限大に発散する。という極限操作の順序

によって結果が異なる例になっています。
 

それ故,これは切断や次元正則化に似た,Feynman積分の

くり込みの別の正則化の方法を与えるモノと見えるかも

しれません。

 実際,エネルギー・運動量:kが大きい紫外部の寄与が

カットされるという意味では切断と同じ役割を果たします。

 

しかし,摂動の各次数の項の振幅計算の後にλ→+0 

とするという極限操作の手続きをせず,極く小さいλ>0

が実在している。という仮説を採るのではいかが

でしょうか?
 

(□+μ2)ΔFλ(x-y)

=-∫d4(2π)-4exp{i(x-y)-λk2} であり

右辺 → -δ4(x-y) as λ→+0 です。
 

特に,x=yで(□+μ2)ΔFλ(x-y)

=-∫d4(2π)-4exp(-λk2)です。
 

質量がμの自由粒子の場;φ()(□+μ2)φ=0を満たす

ということは,運動量空間では,2=E22=μ2という

Einsteinの相対論的関係式を満たすことを意味するので,

Klein-Gordon方程式を (□+μ2)φ=f(φ,λ)のような式

に修正するということは,22=μ2というEinstein

相対論的関係は厳密には成立しない。

というある意味では,不遜な主張です。
 

Heisenbergの不確定性原理:ΔpΔx~hから,運動量が完全

に確定して,Newtonの第一法則により永遠に等速度運動をする

質点という概念は,Δp=0を意味し,それ故,Δx=∞であって,

量子論ではこの"質点"は理想的には全宇宙に拡がっていて如何

なる位置に存在しているか?が全く不明な平面波を意味します。
 

これを,常識的に古典的に解釈しようとして,初期にはBorn

パイロット波の仮説やNelsonの確率過程論に基づく方程式

などの試みがあり、結局,量子論ではこれまで粒子として見て

いたものが,実は描像として粒子ではなく波動をも含めた

二重性を持つ量子というものなので,そもそも古典的な実在

として理解することは不可能であるという解釈されそれ以上

の追及の必要はないとする。のが正統派とされています。
 

しかし, 運動量が一定の自由粒子が(□+μ2)φ=0のの解で

ある平面波ではなく,何やら非線型な方程式:

(□+μ2)φ-f(φ,λ)0の解で与えられるなら,

 
(φ,λ)
が重力波のオーダーのような,如何に微小な項

あろうと,大いに解に影響して,ソリトン(Soliton:孤立波:

4次元波ならinstanton)のような局在化された古典的粒子

描像に合致する存在となる可能性がある推測されます。
 

この非線型な項の存在を,実在空間の空間軸,時間軸が

実は連続自由度ではなく格子定数(格子間隔)がλ程度の

離散的で高々可算の自由度しか持たないとする格子上の

場理論とも相通じるのではないか?とも思っていますが,

 
λ>0が実在で消えない値と考えるか?最後に
λ→+0

極限をとるか?どうかというのは,本質的な差異のような 

気がしています。
 

まあ,くりこみ群を考察して,くりこみ点まで考慮し,

離散的格子であるが故に,デジタルコンピュータでの

実際の数値計算まで確立された理論と,まだ,計算が

思い通りにいかない単なる思いつき構想段階のもの

を比較するのは,おこがましいかも知れませんね。。
 

§2.φ4理論とサイン・ゴルドン(sin-Gordon)方程式
 

L=∫3により自由Lagrangian:Lを与える

Lagrangian密度:,

(1/2)μφ∂μφ-(1/2)μ2φ2

なる形で与えられたとき,
 

両端点固定の作用積分:S=∫t1t2Ldt=∫124

が最小値(停留値)となるような変分原理(作用原理)から

得られる,Euler-Lagrange方程式:

μ{/(μφ)}-∂/∂φ=0 自由スカラー場:

φ()の基本方程式であるKlein-Gordon 方程式:

(□+μ2)φ=(μμ+μ2)φ=です。

 

そして場の量子化は,共役運動量:

π()=∂(0φ)=∂0φ=∂φ/∂tを定義して,

φとπの同時刻正準交換関係: 

[φ(,),π(,)]iδ3(),その他の交換関係

を与えることでなされる。

というのが演繹的な自由スカラー場の正準理論です。
 

そして,従来からあるφ4理論というのは自由場の 

(1/2)μφ∂μφ-(1/2)μ2φ2にφ4に比例

する項:(1/4|)λφ4を加えて,

(1/2)μφ∂μφ-(1/2)μ2φ2(1/4|)λφ4

とする模型を考察するものです。
 

この場合,最小作用の原理に基づく

Euler-Lagrange方程式:

μ{/(μφ)}-∂/∂φ=0 は, 

(□+μ2)φ=(1/3|)λφ3となり,素朴Klein-Gordon

方程式余分な非線型な相互作用項が付加されます。
 

この相互作用項は自分自身の場φのみから構成され.

他の粒子場と相互作用するわけではないので,謂わゆる

自己相互作用の一種です。
 

一般に古典的にはLagrangianは保存力場の場合,その

保存力場のポテンシャル(位置エネルギー)をV,粒子の運動

エネルギーをTとして,L=T-Vで与えられます。
 

例えば,質量mの質点が,歪みの大きさ(伸縮長さ):xに単純

に比例するという線型弾性体模型のHookの法則に従い,

弾性力FがF=-kxで与えられる(理想的な質量がゼロで

それ自体には運動エネルギーが無い)バネの端に結び付け

られた調和振動子の系の場合なら,

 
位置エネルギー=弾性エネルギーVがV=(1/2)kx2,

運動エネルギーTは,T=(1/2)mv2(1/2)(dx/dt)2 

ですから,

L=T-V=(1/2)(dx/dt)2(1/2)kx2で, 

S=∫t1t2Ldt=を最小にする軌道は,

Euler-Lagrange方程式:

(/dt)(∂L/∂v)-∂L/∂x=0 の解です。
 

これは確かに,(2/dt2)=-dV/dx=-kx

というNewtonの運動方程式に一致します。
 

この系のL=T-V=(1/2)(dx/dt)2(1/2)kx2

での歪みxを時刻tでの連続的な空間点における局所場:

φ(,)置き換えたときのLagrangian密度が質量μの

スカラー場のそれ:(1/2)μφ∂μφ-(1/2)μ2φ2

一致するというのが,

 
量子場が無数の調和振動子の集まりに等しいという場理論

の骨子です。
 

そこで,1次元調和振動子のV=-(1/2)kx2のアナロジー

,このVの代わりに,(1/2)μ2φ2と書くと, 

(1/2)μφ∂μφ-()です。
 

調和振動子では,系のエネルギーはE=H=T+V 

(1/2)(dx/dt)2(1/2)kx2であって,これが

最小になるのはv=dx/dt=0,かつ,x=0,つまり

静止しているときです。

 特にVの最小値はx=0のときで,そのときV=0です 。

 

ただし,量子論では不確定性原理から位置xと速度vが

同時に確定値ゼロをとることは不可能なので最小でも正の

零点エネルギーなるものが存在し,これが原因で無数の

調和振動子の集まりで定式化された量子場の最低エネルギー 

準位である真空にも,無限大の零点エネルギー

(Dirac場では負の無限大)という困難がありますが。。
 

自由スカラー場のHa,iltonian密度は, 

(1/2)μφ∂μφ+(1/2)μ2φ2(1/2)μφ∂μφ

()で与えられ,位置エネルギー:()(1/2)μ2φ2

が最小なのはφ=0 場合です。
 

一方,φ4-模型では,()(1/2)μ2φ2(1/4!)λφ4 

=-(1/4!){φ2(6λ/μ2)}2(3/2)λ2/μ4であり,

この最小値がゼロでなく正であることが, 最低エネルギー

レベルである真空期待値のエネルギーはゼロで必然的に

対称性を持つべきであるという場理論の理論構成に矛盾し

この模型が自発的に破れる原因とされています。
 

そこで,φ4-模型は,南部-Goldstonの自発的対称性の破れ 

(spontaneously-broken symmetry)の1モデルとして寄与

します。
 

しかし,それだけではなく,この自己相互作用を摂動

Hamiltonian密度:int()=-(1/4!)λφ4として摂動展開

される真のくりこまれた場のGreen関数の評価などに利用

される理論などあったはずですが,これ以上の詳しいこと 

は知りません。
 

 いずれにしろ,この4乗項はFeynmanグラフではTad-pole

しての意味しかなく極めて局所的なので真面目に計算すると

発散する寄与しかないはずですからこれ自身を有限にくりこ

まないと摂動論では議論が進みません。



 自己相互作用int()=-(1/4!)λφ4を含む真の場φ

による2点Green関数:

τ(x,y)=<0|T[φ(x)φ(y)]|0>=ΔF'(x-y)

は,incomingの漸近場φinによる摂動展開が可能なら,

τ(x,y)

=<0|T[φin(x)φin(y)exp∫intin(z))4z]|0> 

となり,最低次のグラフでは頂点にλφin4(z)が接続して 

ループの同一の局所点zに接続する伝播関数:ΔF(z-z) 

が因子として寄与し,これのzによる積分は発散します。 
 

 したがって,無限大に発散するこの量を.有限にくり込める量:σ

であると仮想して全てのオーダーの寄与を摂動論的に加えると,,

伝播関数などに掛かる 因子として,

1+σ+σ2/2!+σ/3!+..=exp(σ)  を得ます。(下図参照)

 あるいは伝播関数:ΔF(z-z)を急減少因子で修正された 

ΔFλ(z-z)に置き換えれば,Tad-poleでのようなものでさえ

計算は有限に収束すると考えられます。

 この寄与も,やはり1つの固有グラフの寄与を上と同じくσで

表わすと,トータルで,exp(σ)の因子が得られますが,

もしも,これらのσが,σ=-λ(k2)2で与えられると仮定すれば,

ΔF'(x-y)=ΔFλ(x-y) となって無矛盾,自己無撞着です。


※ 図の真空泡グラフの方は,外線がn個接続するn点Green関数

τ(x1,x2,,..,.xn)=<0|T[φ(x1)φ(x2)...φ(xn)]|0>

=<0|T[φin(x1in(x2)...φin(xn)]|0>

とは異なり,外線のない真空期待値:<0||0>に寄与するもの

です。

本来S行列の定義に矛盾がないなら<0||0>=1であるはず 

ですが,実際にはλφ4の寄与も含めあらゆるグラフの寄与が

あって通常の摂動論の計算上では無限大になるためS演算子

を,S/<0||0>で再定義するのが慣例です。

  再規格化前の元の定義のSでは,
 

τ(x1,x2,,..,.xn)=<0|T[φin(x1in(x2)...φin(xn)]|0><0||0>

.です。

  なお,kの増加で急減少する修正自由伝播関数という発想:
 

ΔFλ(x-y)=∫d4(2π)-4exp{i(x-y) -λ(2)2} 

/(2-μ2iε)と,非線型相互作用の例としてのλφ4模型 

を並列して記述しましたが,これらは別々の独立な話です。


 私がアイディアの端緒として単純な
λφ4模型が,
この修正

伝播関数を具現してくれるかも知れない。。という希望的推論を

したときの試算を記述しただけに過ぎません。

 あくまで出発点の近傍でウロウロしていただけです。。※



 さて話は変わって,λφ4模型の修正された自由Lagrabgian

から得られた方程式::(□+μ2)φ―(1/3!)λφ30を解く

には,これがλ~  のときには,解法が既知の,一般に

sin-Gordon方程式呼ばれている方程式:

□φ+bsin(aφ)0 に一致することを利用したい

思います。
 

すなわち,sinx=x-(1/3!)3(1/5!)5..ですから 

aが微小なら,sin(aφ)=aφ-(1/3!)3φ3です。
 

そこで,a~0なら,□φ+bsin(aφ)0は近似的に, 

(□+ba)φ-(1/3|)ba3φ30 となります。
 

それ故.μ2=ba,λ=ba3と置けば,

□φ+bsin(aφ)0 はφ4-模型の方程式:

(□+μ2)φ=(1/3|)λφ3に一致します。
 

(※a=λ1/2/μ~ 0,b=μ3/λ1/2で,λ~0かつ

a~0です。b~∞が気になりますが,最後にλ→0とする

のでないならbは非常に大きい数ですが有限であるという

ことで問題なしです。※)
 

sin-Gordon方程式:□φ+bsin(aφ)0,非線型方程式です 

が解析的に解けます。
 

φには位相速度がの定常波の解が存在すると仮定して, 

ξ=x-tという変数変換を行い,φはξのみの関数と

します。
 

□φ()(2/∂t2-∇2)φ(,)=-bsin(aφ), 

でξ=x-vtとおいて,φ(,)=φ(ξ)とすれば, 

∂φ/∂t=-vdφ/dξ,∇φ=dφ/dξ 

2φ/∂t2=v22φ/dξ2,2φ=d2φ/dξ2 

ですから,
 

□φ()(2/∂t2-∇2)φ(,)

=-bsin(aφ),

(21)2φ/dξ2=-bsin(aφ) に帰着します。
 

この常微分方程式の両辺にdφ/dξを掛けると. 

(1/2)(21)(/dξ)(dφ/dξ)2

=-bsin(aφ)dφ/dξです。


 故に,(1/2)(21)(dφ/dξ)2

=-b∫sin(aφ)dφ 

(/)3cos(aφ)-C/2と書けます。

Cは積分定数です。
 

一般に,vが本当に波の位相速度である場合,vは

,||1(­1=光速c)を満たすはずなので.  

dφ/dξ=±[{C-(2/)cos(aφ)}/(1-v2)]1/2 

であり.∫dφ{C-(2/)cos(aφ)} -1/2=±(1-v2)1/2ξ

です。
 

これも,真面目に左辺の三角関数の平方根の積分

=楕円積分?を考えなくてもaφが微小なので,

cos(aφ)1-a2φ2/2とすれば,

C-(2/)cos(aφ){C-(2/)}+abφ2 

より,

∫dφ[{C-(2/)}+abφ2] -1/2=±(1-v2)1/2ξ, 

∫dφ[{C-(2/)}+abφ2] -1/2=±{ab(1-v2)}1/2ξ 

A={C-(2/)}/(ab)です。
 

積分公式:{1/(2+A)}dx

log|x+√x2+A|+Cを用いるtと,

og|φ+√φ2+A|=±{ab(1-v2)}1/2(ξ-ξ0) 

となります。
 

 ところで,log|x+√x2+A|sinh-1(/1/2)ですから 

log|φ+√φ2+A|=±{ab(1-v2)}1/2(ξ-ξ0) は, 

±sinh[{ab(1-v2)}1/2(ξ-ξ0)]=φ/1/2 

φ=±A1/2sinh[{ab(1-v2)}1/2(ξ-ξ0)], 

1/2{C-(2/)}1/2/(ab)1/2と書けます。
 

a=λ1/2/μ~ 0,b=μ3/λ1/2 

→ ab=μ2,/a=μ4/λ{ab(1-v2)}1/2

=μ(1-v2)1/2, 

1/2{C-(2μ4/λ)}1/2/μ,ξ=ξ0でφ=0,かつ, 

dφ/dξ=A1/2{ab(1-v2)}1/2=U(最大),1/2

(/μ)(1-v2)-1/2,

U={C-(2μ4/λ)}1/2(1-v2)1/2 です。
 

そこで,φ

 =±(/μ)(1-v2)-1/2sinh[μ(1-v2)1/2(ξ-ξ0)]
 

ξ=x-vt,t=0でξ=ξ00なら,

φ=±(/μ)(1-v2)-1/2sinh[μ(1-v2)1/2()]
 

正弦波であれば,同じ振幅を繰り返す周期波ですが

この双曲線波は.()が大きいと際限なく増幅

されます。
 

しかし,実は,U={C-(2μ4/λ)}1/2(1-v2)1/2,

λ→0ではiの純虚数です。

 このとき,1/2(/μ)(1-v2)-1/2,も純虚数で

sinhx → -isinxです。
 

改めて,UをiUと書き直すと, 

φ=±(/μ)(1-v2)-1/2sin[μ(1-v2)1/2(ξ-ξ0)] 

これは正弦波です。。。 

これだと正弦波で線形波だから非線型波に矛盾する。。?
 

しかしλ=0では無いので方程式は非線型だし。。。。

位相速度が一定の正弦波というわけではないので。。

etc.???
 

(参考):本ブログの過去記事の「水の波」シリーズ後半: 

20097/12の「水の波(6)(有限振幅の波:非線型波1) 

/17の「水の波(7) (有限振幅の波:非線型波2) 

7/24の「水の波(8) (有限振幅の波:非線型波3)」では, 

既に現在の構想のために,ソリトン(Soliton)について

言及しています。
 

非線型な波の方程式であるK-dV方程式

(Korteweg-Vreis方程式):

(∂u/∂t+u(∂u/∂x)+μ(3/∂x3)0 

定常波:(,) 

=u1+Usech2[{/(12μ)}1/2{x-(1+U/3)}], 

U=u3-u1,孤立波として,あたかも独立な粒子の

ように挙動することからソリトンと呼ばれるように

なったことなどを紹介しています。
 

今日は,ここで終わります。(つづく)

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