Wie koexistieren Unsicherheitsprinzip, Vakuumschwankungen und Energieeinsparung in QFT?

Kürzlich hatte ich eine Debatte über die Unschärferelation in QFT, die mich noch mehr verwirrte.

Da wir in der QFT Fourier-Transformationen verwenden, sollten wir in der QFT ein Analogon zur üblichen Heisenberg-Unschärferelation zwischen dem 4-Vektor der Raum-Zeit-Koordinaten und dem konjugierten Impuls haben, aber ich habe keine Referenz dafür gefunden, daher ist meine Vermutung falsch ?

Wir wissen, dass es in QM keinen universellen hermiteschen Operator für Zeit gibt, auch wenn es eine Unschärferelation für Zeit und Energie gibt, nun, in QFT ist die Zeit nur ein Parameter, genauso wie die räumlichen Koordinaten, also gibt es eine Unschärferelation für Energie in QFT?

Die letzte Frage hat mich in Bezug auf das Energieerhaltungsgesetz in QFT verwirrt: Wir verwenden dieses Gesetz in QFT nur bei Berechnungen von Propagatoren (wie ich mich erinnere), es bedeutet, dass wir es mit "nackten" Teilchen verwenden, während wir annehmen, dass diese Teilchen es tun nicht mit Vakuumschwankungen "interagieren", bedeutet das also, dass das Energieerhaltungsgesetz ein statistisches Gesetz ist?

Dies erinnert mich an den Vakuumerwartungswert, den wir für jeden Beobachter als Null annehmen, aber statistisch gesehen ist er Null. Gleichzeitig verwenden wir normalerweise den Satz von Noether, um abzuleiten, dass Energie erhalten bleibt (zumindest lokal und nicht statistisch).

Ich glaube, ich übersehe hier etwas, können Sie mir bitte einen Rat geben?

Ich habe eine ähnliche Frage hier gefunden , aber leider gibt es keine ausreichende Antwort.

Antworten (3)

...Unschärferelation in der QFT zwischen dem 4er-Vektor der Raum-Zeit-Koordinaten und dem konjugierten Impuls...

Der konjugierte Impuls ist zu einer bestimmten verallgemeinerten Koordinate "konjugiert" . Bei QFT sind dies Feldwerte. Raum-Zeit-Koordinaten (wie Sie selbst bemerkt haben) sind nur Parameter. Also, ich fürchte, Sie vermischen hier zwei verschiedene Dinge.

... gibt es die Unschärferelation für Energie in der QFT?

Ja. In QM und QFT sind Observable hermitesche Operatoren. Wenn ein Paar dieser Operatoren nicht pendelt, erhalten Sie eine Unschärferelation. Die Zeit-Energie-Unsicherheit ist ein bisschen knifflig und wird beispielsweise in dieser Frage gut erklärt .

... verwenden wir den Energieerhaltungssatz in QFT nur bei Berechnungen von Propagatoren

Das ist eine seltsame Behauptung. Am Anfang der meisten QFT-Lehrbücher findet sich eine Herleitung einer Energie-Impuls-Erhaltung mittels des Satzes von Noether .

... der Energieerhaltungssatz ein statistisches Gesetz ist?

Hier ist die Liste der statistischen Gesetze . Wie Sie sehen, gibt es nicht einmal einen Hinweis auf das Energieerhaltungsgesetz. Also entweder:

  • Die Antwort ist "nein" und Sie sollten damit zufrieden sein.

  • Sie erfinden aus irgendeinem Grund (eine Debatte gewinnen?) Ihre eigene Terminologie. Was sowieso eine schlechte Idee ist.

Die Ableitung der Unschärferelation, auf die Sie hingewiesen haben, gilt für QM, nicht für QFT, und sie verwendet direkt die Schrödinger-Gleichung, das ist nicht das, wonach ich suche. Außerdem habe ich die "Verwendung" des Konversationsgesetzes in realen Berechnungen erwähnt, das Noether-Theorem hat dort keine direkte Verwendung , ich möchte auch die Frage hier analysieren und die Liste der statistischen Gesetze bereitstellen, die meinem Verständnis nichts hinzufügt. Bitte überprüfen Sie meine eigene Antwort auf die Frage. Möglicherweise korrigieren Sie mich dort klarer.
@TMS Es gibt nichts abzuleiten. Die Unschärferelation überträgt sich exakt von QM auf QFT, man muss sich nur darüber im Klaren sein, was die Operatoren sind. Die grundlegenden Operatoren sind die Felder und ihre konjugierten Impulse, die Kommutierungsbeziehungen gehorchen, wie sie in jedem QFT-Buch diskutiert werden. Schreiben Sie einen beliebigen Operator, einschließlich des Hamilton-Operators, in Bezug auf die Grundoperatoren, und Sie können die Kommutierungsbeziehungen ausarbeiten. Wenden Sie dann die übliche Unschärferelation darauf an. Das ist alles dazu. Es gibt keine neuen konzeptionellen Schwierigkeiten in der QFT (zumindest in dieser Hinsicht).
@TMS Und was möchten Sie außer der Schrödinger-Gleichung für die Zeit-Energie-Unschärferelation verwenden? Die Zeitentwicklung, die von der Schrödinger-Gleichung erzeugt wird, ist das, worum es bei der Zeit-Energie-Unschärferelation geht .
@MichaelBrown: Ich versuche es in der QFT-Theorie abzuleiten und zu verstehen, hier haben wir keine Schrödinger-Gleichung! In anderen Stationen kann ich nicht sehen, wie Relativitätstheorie, Vakuumschwankungen diese Unsicherheit nicht beeinflussen.
@TMS Ja, es gibt eine Schrödinger-Gleichungsformulierung von QFT. Die Zustandsvektoren sind Funktionale auf Feldkonfigurationen und die konjugierten Feldimpulse wirken als funktionale Ableitungen, in vollständiger Analogie zur QM. Dieser Formalismus wird nicht oft verwendet, weil er für die meisten Dinge unpraktisch ist, aber es wäre völlig natürlich, ihn zu verwenden, um die Zeit-Energie-Unschärfebeziehung zu behandeln.
@Michael: Ich glaube, ich habe verstanden, wovon Sie hier sprechen. Ist es die Schrödinger-ähnliche Gleichung, die wir erhalten, wenn wir in QFT "Interaktionsbild" verwenden? Wenn ja, dann ist das Ableitungsproblem weg :), trotzdem habe ich immer noch Probleme zu verstehen, warum Vakuumfluktuationen nicht zur Änderung der Energieeinsparung beitragen.
@TMS Sie können jedes "Bild" machen - Schrödinger, Heisenberg (dies ist das übliche in QFT) oder Interaktion. Vakuumfluktuationen ändern die Energieerhaltung nicht aus dem gleichen Grund, aus dem sie es in der gewöhnlichen QM nicht tun: Die Theorie hat eine Zeittranslationssymmetrie. Das bedeutet, dass es einen zeitunabhängigen Hamiltonoperator gibt, der die Energieeigenzustände definiert. In der QFT sind dies Zustände, die Überlagerungen vieler Feldkonfigurationen enthalten (das meinen wir mit "Vakuumfluktuationen"), genau wie der Energie-Eigenzustandszustand eines harmonischen Oszillators im Ortsraum verschmiert ist.
@Michael: Es ist das erste Mal, dass ich in QM von Vakuum höre, ein aktuelles Verständnis des Vakuums begann erst nach Diracs Gleichungen, auch da ich weiß, dass es außer dem Interaktionsbild keine Schrödinger-ähnliche Gleichung gibt.

Es gibt eine Unschärferelation in der QFT für das gemittelte Feld und die entsprechenden Impulsoperatoren. Eine ausführliche Diskussion finden Sie hier . (E-Print: arXiv:1208.3647 [hep-th])

Ähnlich wie bei normaler QM gibt es keine "Energie-Zeit"-Unschärferelation, die dieselbe Bedeutung hätte.

Ich kenne nur QM. Pauli (oder vielleicht Dirac) schrieb, dass es eine Symmetrie gibt: Energie-Zeit ist vollkommen analog zu Impuls-Position, und man kann sich Energie als den Impuls vorstellen, den ein Ding hat, wenn es durch die Zeit reist.

Einstein sagt uns, dass der Raum eines Menschen die Zeit eines anderen Menschen ist, also IST der Impuls eines Menschen die Energie eines anderen Menschen.

Wie kann Energie eingespart UND ungewiss werden? Denken Sie an die grundlegende Vektorraumtheorie: Jeder Zustand kann als lineare Kombination anderer Zustände (die eine Basis bilden) ausgedrückt werden. Ein Zustand, der kein Zustand bestimmter Energie ist, kann also als lineare Kombination von Zuständen ausgedrückt werden, die (verschiedene) bestimmte Energien SIND. In jedem dieser Zustände wird Energie konserviert; die Antwort auf Ihre Frage folgt.

Wenn also QFT mit der Relativitätstheorie vereinbar ist (und sicherlich die Idee von Zuständen als Vektoren verwendet), würden alle meine Kommentare sowohl für QFT als auch für QM gelten.
Die Lorenz-Invarianz ist in QFT eingebaut
Und im Formalismus der Quantenmechanik (sowie der Quantenfeldtheorie) sind Energie und Zeit nicht perfekt symmetrisch. Beispielsweise sind keine Zeiten beobachtbar, siehe hier physical.stackexchange.com/questions/6584/…