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学习路线 02 · 从关联函数到振幅:四份账本能否互相核对?

路线:外腿与 LSZ → 圈积分与减法 → 改变减法点的阶数检查 → 内部极点与接触项。本页要求提交四份可复算记录,训练“算的是什么、删掉了什么、还缺什么”。不是完整单圈散射计算,也不把欧氏泡图直接当成物理截面。

1. 入口诊断:一个漂亮公式还缺哪张说明书?

先不展开答案。每题写结果和一句依据,按第一处无法解释的步骤回课,不用总分掩盖缺口。

入口题 要交的证据 卡住时回哪里
A:四点时序函数不为零,就有相互作用散射吗? 连通部分与自由场反例 外腿与 LSZ
B:两个对数发散积分相减,一定没有有限歧义吗? 两项的截断、质量和减法点记录 圈积分与减法
C:只改参考动量而固定重整化耦合,是否还是同一预测? 同一阶的参数变换式 本页第三站
D:外腿和内部交换线都含极点,能一起截掉吗? 哪些极点是外态重叠,哪些保留动力学 散射振幅
入口题核对:先辨对象,再辨数值

A:不能。自由场四点函数有三种两点函数配对,但连通四点函数为零。B:不能。同一处方的公共紫外对数可相消,换截断比例却会留下有限常数。C:一般不能;减法点变了,重整化参数也要按同一微扰阶数改变。D:不能。LSZ 去掉外腿传播并归一化外态,内部极点与相互作用的因子化有关,应保留。

若 A 不会,先做第一站;B 不会,第二站从径向积分开始;C 不会,第三站逐项展开;D 不会,第四站必须同时交留数与有限角度值。只认得名词不算通过。

从连通函数去外腿得到振幅定义,另一条计算线用同一截断作减法并改变减法点;最终核对内部极点保留而接触项仍需额外输入。

2. 第一站:截肢与外态归一化分别做一次

固定四维、单种稳定标量,采用 \(\hbar=c=1\)、度规 \((+---)\),并定义

\[\langle f|S-1|i\rangle=i(2\pi)^4\delta^4(P_f-P_i)\mathcal M.\]

公共 delta 已提出。四条完整传播子在单粒子极点附近为 \(iZ/(p_i^2-m^2+i0)\);用它们截肢后的核记作 \(\Gamma_{\rm amp}\)。交卷要求:取 \(Z=1/2\)、\(\Gamma_{\rm amp}=-0.4i\),算 \(i\mathcal M\)、\(\mathcal M\) 与模平方,并说明是否已得到截面。

第一站题解:留数不等于新的顶点

完整传播子截肢去掉每条 \(Z\),而 LSZ 对每条外腿还保留场与渐近态重叠 \(\sqrt Z\)。四腿合起来

\[i\mathcal M=(\sqrt Z)^4\Gamma_{\rm amp}=Z^2\Gamma_{\rm amp}=-0.1i,\]

所以 \(\mathcal M=-0.1\),\(|\mathcal M|^2=0.01\)。若所给核已经包含外态归一化,就不能再乘 \(Z^2\);必须先定义核再做乘法。模平方还须结合运动学、流强、相空间和相同末态计数,才有截面。

将公共单位幂提出,在 \(Z=1\) 的形式外腿模型中,截 k 条后的模为 \(A_k(\delta)=0.4\delta^{k-4}\)。这是另一项极点阶数核验,不是上面 \(Z=1/2\) 情况的模拟:δ=0.2 时,未截肢为 250,截三腿为 2,截四腿为 0.4;δ=0.1 时分别为 4000、4、0.4。残留极点决定发散阶数,而相位决定如何从 \(i\mathcal M\) 读出符号,两者不可相互代替。

实验输入。 默认 λ=0.2、δ=0.1、k=3,输出模分别为 2000、2、0.2。先改 λ=0.4、δ=0.2,再分别检查 k=0、3、4,最后将 δ 减半。这个实验固定 Z=1,不能用来数值验证外态留数题。δ 只是代数离壳量,未实现完整散射运动学;无脚本时用上方两组静态数值核验。

无脚本参照见第一站题解;实验不覆盖 Z 的变动。

改变场的单位后,散射答案应保持不变

给第一站再做一次独立的约定检查:将插入关联函数的场改写为 \(\phi'=\kappa\phi\),其中 \(\kappa>0\),保持同一个物理系统、同一个渐近粒子态。两点函数乘 \(\kappa^2\),四点连通函数乘 \(\kappa^4\)。于是极点留数变为 \(Z'=\kappa^2Z\),而用四条完整传播子截肢后的核变为

\[\Gamma'_{\rm amp}=\frac{\kappa^4}{(\kappa^2)^4}\Gamma_{\rm amp}=\kappa^{-4}\Gamma_{\rm amp}.\]

外态归一化恰好补回这一因子:\((Z')^2\Gamma'_{\rm amp}=Z^2\Gamma_{\rm amp}\)。取原来的 \(Z=1/2,\Gamma_{\rm amp}=-0.4i\) 与 \(\kappa=2\),新记号中 \(Z'=2,\Gamma'_{\rm amp}=-0.025i\),仍得到 \(i\mathcal M=-0.1i\)。

这里的 \(Z'=2\) 不是大于一的粒子概率,而是改变场归一化后的极点系数。把 \(Z\) 单独当作不依赖场约定的概率,或只改变外腿而忘记截肢核,会让同一散射答案无故改变。本检查只重标记同一物理场的单位,不是把第一站参数任意换成另一套理论。

3. 第二站:同一个截断,才是同一份减法

接下来计算欧氏单泡图的标量积分,不是延续第一站得到一个完整单圈振幅。取质量单位 m=1。Feynman 参数化和平移后,按每个参数 x 的 \(|k|<\Lambda\) 定义正规化区域:

\[B_\Lambda(Q)=\frac1{8\pi^2}\int_0^1 I(\Lambda,M_x)\,dx, \qquad M_x^2=1+x(1-x)Q^2,\]
\[I(\Lambda,M)=\frac12\left[\log\frac{\Lambda^2+M^2}{M^2}+\frac{M^2}{\Lambda^2+M^2}-1\right].\]

交卷要求:由这个式子推出 \(B_R(Q;Q_0)\),证明交换两动量会反号;取 Q=2、Q₀=0,比较 Λ=10、20、40。再判断故意用 \(B_{2\Lambda}(Q)-B_\Lambda(Q_0)\) 会不会给同一个极限。

第二站题解:有限常数不会因为发散消失而自动正确

固定 Q、Q₀ 后,\(I=\log(\Lambda/M)-1/2+O(M^2/\Lambda^2)\)。x 在紧区间内且两动量固定,M 有统一上下界,故余项可统一控制并取积分极限:

\[B_R(Q;Q_0)=-\frac1{16\pi^2}\int_0^1\log\frac{1+x(1-x)Q^2}{1+x(1-x)Q_0^2}\,dx.\]

交换分子分母,结果反号;Q=Q₀ 时严格为零。对 Q=2、Q₀=0,静态参照为

Λ BΛ(2)−BΛ(0) 与极限之差
10 −0.003038636971 0.000082694826
20 −0.003100333504 0.000020998293
40 −0.003116061569 0.000005270227

共同极限约为 −0.003121331796。有限截断误差逐渐减小,不等于有限截断已经严格达到极限。

若两项使用不同截断比例,则

\[\lim_{\Lambda\to\infty}[B_{2\Lambda}(Q)-B_\Lambda(Q_0)] =B_R(Q;Q_0)+\frac{\log2}{8\pi^2}.\]

额外项约为 0.008778811597。发散虽仍相消,却留下错误匹配产生的有限偏移。若有意把它当另一正规化/减法选择,必须相应改变参数匹配条件;不能直接宣称与原减法相同。这里所有 Q 都保持固定,不能暗中令 Q 随 Λ 增大。

实验输入。 本题沿用默认 Q=2、Q₀=0、Λ=10,依次改 Λ=20、40。默认计算用 256 段 Simpson 参数积分,径向积分用解析式;误差还包括数值求积。上表用独立 128 点 Gauss–Legendre 求积,末几位可能与网页读数不同(本题约 4×10⁻¹²),不应把它混入有限截断误差的解释。实验只让两项共用同一个截断,故“不等截断”的反例需按上式手算,不能把某一滑块误认为第二个截断。无脚本参照在上表。

无脚本时使用第二站的三行数值与极限式。

4. 第三站:换减法点,为什么耦合也要跟着变?

这里只讨论明确规定的无量纲教学量

\[F(Q)=g_R+c\,g_R^2 B_R(Q;Q_0)+O(g_R^3),\]

c 是固定组合系数,不能从本式读取完整 φ⁴ 理论的 beta 函数。取 c=3,原减法点 Q₀=0,新减法点 Q₁=1,测试点 Q=2。交卷要求:按 \(F(Q_1)=g_1\) 推出参数变换,证明两种写法到二阶相同;再解释直接把二阶表达式当完整函数代入,为什么会有很小的差。

第三站题解:比较预测时要同时对齐微扰阶数

记 \(a=B_R(1;0)\)、\(b=B_R(2;1)\)。对数比的相乘给出精确加法关系

\[B_R(2;0)=a+b.\]

而匹配条件给出

\[g_1=g_R+cg_R^2a+O(g_R^3).\]

在新减法点写 \(F(Q)=g_1+cg_1^2B_R(Q;1)+O(g_1^3)\),代入并重新截到二阶,就得到 \(g_R+cg_R^2[a+B_R(Q;1)]+O(g_R^3)\),与原式一致。只改变 Q₀ 而不改变 g,预测会在已保留的二阶就变掉。

为看见阶数差异,暂将每个二阶多项式直接当数值函数,定义 \(\widetilde g_1=g+cg^2a\)、\(F_0=g+cg^2(a+b)\)、\(\widetilde F_1=\widetilde g_1+c\widetilde g_1^2b\)。代数展开给

\[\widetilde F_1-F_0=2c^2g^3ab+c^3g^4a^2b.\]

这是这两个截断表达式之间的差,不是完整理论已知的三圈或三阶物理修正。独立积分参照 \(a\approx-0.000962834341\)、\(b\approx-0.002158497452\) 给出:

g g̃₁ F₀ F̃₁−F₀
0.2 0.199884459879 0.199625440184 2.991852237×10⁻⁷
0.1 0.099971114970 0.099906360046 3.740355576×10⁻⁸
0.05 0.049992778742 0.049976590012 4.675782145×10⁻⁹

减半 g,差约缩小八倍,符合首项为三阶;微小差并不意味着需要“修掉”二阶一致性。未知高阶项的实际大小并未由本表确定。

这一步复用上面的泡图实验求 a、b:分别输入 (Q,Q₀)=(1,0)、(2,1),读取“减法极限 BR”,再自己计算参数变换。滑块中没有 g 或 c;不要把有限截断差拿来代替这里定义的 BR。网页表格会简化小数位,用它核对符号与量级即可;复算本节的高精度差值请使用上面的 a、b 参照或自行提高求积精度,不能从已经舍入的读数恢复丢失的有效位。

5. 第四站:去掉外腿以后,内部极点还必须留下

现在换到研究振幅课的形式无质量树级模型,与第二、三站的有质量欧氏积分不是同一物理过程。以入射/出射动量定义 s、t、u,满足 s+t+u=0。固定符号 \(\mathcal A=-\mathcal M\):

\[\mathcal A=g_3^2\left(\frac1s+\frac1t+\frac1u\right)+\lambda_4.\]

\(g_3\) 的质量维数为 1,λ₄ 无量纲,均不同于第三站的教学耦合 g。该 φ³ 模型只演示极点代数,不提供稳定非微扰真空。

交卷要求:固定参考 s=1、\(g_3/\sqrt s=1\)、cosθ=1/2,分别取 λ₄=0 和 2,算三个通道及总振幅;再在解析运动学中固定非零 t、令 s→0,算留数。为什么有限角度差与留数相同不矛盾?

第四站题解:留数约束不到所有有限项

\(t=-s(1-\cos\theta)/2=-1/4\),\(u=-3/4\),三个交换项为 \(1,-4,-4/3\),和为 −13/3。加 λ₄=2 后总振幅为 −7/3;在 \(\mathcal A=-\mathcal M\) 的约定下,两个 M 分别为 13/3、7/3,仍不是概率。

求 s 道留数时保持维数耦合 \(g_3\) 和非零 t 固定,令 \(u=-s-t\),则

\[\lim_{s\to0}s\mathcal A=g_3^2.\]

t、u 通道与接触常数此时都有限,乘 s 后消失。不要沿“固定角度、s→0”的路径求这个单通道留数;那样 t、u 也同时趋零,混入其他极点。实验固定 s=1,滑动角度不能实现这个解析极限。

相同留数只说明简单交换极点的系数相同,不能确定接触项。外腿已经截肢也不意味着内部传播子要删掉;删掉它就破坏了这份因子化信息。

实验输入。 默认缩放耦合 1、接触项 0、cosθ=0,总振幅 −3。请改 cosθ=0.5,比较接触项 0 与 2,应得到 −4.333333333 与 −2.333333333,归一化 s 道留数均为 1。实验避开 cosθ=±1,未显示极点不等于它不存在。无脚本时按上方分数核对。

无脚本时使用第四站的三个分数与两种接触项结果。

6. 退出题:换了输入,还能指出结论的边界吗?

合上前文,交一页四行记录:

  1. 完整传播子截肢核为 −0.5i、Z=0.8,算 M 与模平方。
  2. 把不匹配截断改成 \(B_{3\Lambda}(Q)-B_\Lambda(Q_0)\),写出多出的常数;若 Q=Q₀,极限是否为零?
  3. 新减法点记为 Q₂,写 g₂ 与原 g 的二阶关系,说明为何不能固定 g 只换标签。
  4. 在第四站振幅中加入 \(d(s^2+t^2+u^2)\),写 d 的质量维数,判断是否改变简单极点留数,以及改变了哪种信息。
退出题答案与验收条件
  1. \(\mathcal M=-(0.8)^2(0.5)=-0.32\),模平方 0.1024;仍需相空间等才能得到截面。
  2. 多出 \(\log3/(8\pi^2)\),即便 Q=Q₀ 也不为零。必须对齐处方或重新匹配有限参数。
  3. \(g_2=g+cg^2B_R(Q_2;Q_0)+O(g^3)\);重整化参数的定义来自该点的匹配条件,改变定义会改变其数值。
  4. \([d]=\mathrm{mass}^{-4}\);多项式在简单交换极点处有限,故不改留数,却改变有限角度值和高能增长。能满足所有极点检查不等于答案已唯一。

每行既要有公式也要有解释。把模平方叫截面、不同截断直接相减、把未保留的高阶差当二阶错误、沿三个通道同时奇异的路径求单通道留数,任一出现都应回到对应站。

隔两三天闭卷复测:改 Z=0.6、截肢核 −0.5i;两截断比例改为 1/2;角度取 cosθ=−1/2,检查 t、u 对换后结果是否相同。自行保存初答、纠错理由和复测日期。本页不记录作答,也没有据此收集学习效果数据。

速查与继续阅读

已能交出的证据 接下来可以做 本页还未完成
外腿留数、符号和归一化记录 散射振幅与因子化 自旋/规范场、红外安全散射与实际截面
同处方减法及二阶参数匹配 路径积分与重整化 完整 s、t、u 单圈振幅、质量/场强反项和高阶误差
留数正确但接触项仍可变的反例 共形 bootstrap中区分一致性与唯一性 共形块、反射正性、严格数值排除证书
想把关联函数用于外场响应 Kubo 的两能级响应计算 这是另一种关联函数与可观测量约定,不能直接套时序散射振幅

原始教学参照:Tong:Interacting Fields的连通图、截肢及 LSZ;Tong:The Renormalisation Group的圈积分与参数组织;Elvang、Huang:Scattering Amplitudes的解析结构与壳上方法。具体正规化处方、二阶匹配和四站数值在本页独立给出。核查:2026-09-08。

继续共形块、正性与排除证书,从后裔范数算真正的共形块,并用解析不等式覆盖一维允许谱的整个半轴。

进一步把二点反项、s/t/u三泡图、离壳减法点和物理截面接通,可做同一φ⁴模型的单圈散射训练,并用阈值虚部与换点匹配独立核验。