O que é uma teoria de campo fermiônico?

Oct 07 2020

Deixei $\mathscr{H}$ ser um espaço Hilbert e $\mathscr{H}^{n}$ seja o associado $n$produto tensorial dobrado deste espaço de Hilbert. Vou pular os detalhes matemáticos a seguir, mas minha abordagem segue o livro de Reed & Simon . Podemos definir um operador$A_{n}$, chamado de operador anti-simétrico, que é uma projeção ortogonal em $\mathscr{H}^{n}$ ao seu subespaço anti-simétrico $A_{n}\mathscr{H}^{n}$. Matematicamente, podemos definir o que normalmente é chamado de espaço Fock fermiônico $\mathcal{F}_\text{fer}$ de: $$\mathcal{F}_\text{fer} := \bigoplus_{n=0}^{\infty}A_{n}\mathscr{H}^{n}$$ Onde $A_{0}\mathscr{H}^{0} := \mathbb{C}$ e $A_{1}\mathscr{H}^{1} := \mathscr{H}$. Podemos prosseguir e definir operadores em$\mathcal{F}_\text{fer}$, como o Hamiltoniano, operadores de criação e aniquilação e assim por diante. O procedimento para fazer isso é basicamente o seguinte: temos um determinado operador$T$ em $\mathscr{H}$ e nós estendemos para $\mathscr{H}^{n}$usando um procedimento chamado segunda quantização e, em seguida, definir$T$ em $\mathcal{F}_\text{per}$ permitindo que ele atue em cada 'componente' $A_{n}\mathscr{H}^{n}$.

O cenário acima é muito geral e é basicamente matemática. Porém, o nome 'fermiônico' sempre me chamou a atenção. Eu tinha certeza de que essa era a formulação matemática de um sistema de muitos férmions em algum sentido, e isso justificaria o nome. No entanto, com o passar do tempo, descobri alguns modelos muito diferentes que parecem ser descritos pelo formalismo acima. Deixe-me dar alguns exemplos informais rápidos:

(1) Podemos levar$\mathscr{H} = L^{2}(\mathbb{R}^{d};\mathbb{C})$ o espaço de funções integráveis ​​quadradas de valor complexo definidas em $\mathbb{R}^{d}$.

(2) Se estivermos em um espaço discretizado, podemos substituir$\mathbb{R}^{d}$ no exemplo acima por algum conjunto finito $\Lambda$. Este conjunto finito pode ser uma rede finita ou mesmo o produto cartesiano de uma rede finita e algum conjunto finito de 'spin'.

(3) Se estamos pensando em campos de Dirac, parece que o próprio Hilbert$\mathscr{H}$ é $\mathbb{C}^{2}$, que conta para girar a linha ${1}\choose{0}$ e ${0}\choose{1}$.

Esses três exemplos (e possivelmente outros) são encontrados em muitos livros diferentes com o mesmo nome de 'sistema fermiônico' ou 'teoria do campo fermiônico'.

Pergunta: Não sei se todos esses três exemplos são apenas realizações diferentes de apenas um sistema físico, mas acredito que não . Então, parece que por uma teoria de campo fermiônico, geralmente se pensa em um espaço Fock fermiônico$\mathcal{F}_\text{fer}$ junto com algum segundo hamiltoniano quantizado $H$atuando neste espaço Fock, então existem muitas realizações diferentes de teorias de campo fermiônico, ao invés de apenas uma. Isso é preciso?

Respostas

2 ChiralAnomaly Oct 07 2020 at 20:45

Uma teoria de campo fermiônico não é caracterizada por seu espaço de Hilbert. É caracterizado pelas relações algébricas entre seus operadores de campo.

Uma teoria de campo fermiônico é aquela cujos observáveis ​​são construídos a partir de operadores de campo $\psi_n(x)$ que satisfazem as relações anticomutação de tempo igual \begin{align} \{\psi_n(x,t),\psi_m(y,t)\} &= 0 \\ \{\psi_n(x,t),\psi_m^\dagger(y,t)\} &= 0\text{ if }x\neq y\text{ or }n\neq m, \end{align} Onde $\{A,B\}\equiv AB+BA$. O princípio de exclusão de Pauli é uma consequência disso. As várias construções descritas na pergunta podem ser usadas como diferentes maneiras de representar tais operadores em um espaço de Hilbert.

Minha resposta https://physics.stackexchange.com/a/582216dá alguns comentários gerais sobre representações. A mensagem central é que o próprio espaço de Hilbert não nos diz quase nada sobre uma teoria. O padrão de observáveis ​​é o que importa. Diferentes maneiras de representar o espaço de Hilbert podem ser mais ou menos convenientes para diferentes padrões de observáveis, mas os observáveis ​​são o que importa.

Sim, existem muitas teorias de campo fermiônico diferentes. O hamiltoniano$H$em si pode ser suficiente para distinguir entre alguns deles, mas o hamiltoniano é apenas um operador. A relação entre o hamiltoniano e outros observáveis ​​é mais criteriosa, e tal relação está implícita sempre que expressamos$H$em termos de operadores de campo, porque outros observáveis ​​também são expressos em termos de operadores de campo. Observe que os observáveis ​​devem comutar entre si na separação semelhante ao espaço (este é um dos princípios de causalidade), então um observável necessariamente envolve um produto de um número par de operadores de campo anticomutação.

A propósito, de vez em quando, vejo o nome "férmion" usado como sinônimo de algo cujo spin é um múltiplo ímpar de $\hbar/2$. Na teoria quântica de campos relativística, a conexão estatística de spin justifica essa linguagem. Mas, de forma mais geral, essa conexão não se mantém: um férmion (algo cujos operadores de campo anticomutam) não necessariamente tem esse spin, ou vice-versa.