The essence of Particle Physics

Slides:



Advertisements
Similar presentations
楊學成 老師 Chapter 1 First-order Differential Equation.
Advertisements

第三章 二次量子化之基礎理論.
A Force from Empty Space The Casimir Effect
心理健康教育 高职校学生心里健康教育.
Magnetic resonance imaging, MRI
我们会赞叹生命之花的绚丽和多姿,也会歌颂生命之树的烂漫和青翠,但是生命是如此脆弱……
第四章 正則量子化與路徑積分.
The heart of particle physics
沐阳老年社区.
A TIME-FREQUENCY ADAPTIVE SIGNAL MODEL-BASED APPROACH FOR PARAMETRIC ECG COMPRESSION 14th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2006), Florence,
工程數學 Chapter 12 PDE 楊學成 老師.
Euler’s method of construction of the Exponential function
2015年年终总结 郭宗宽
Introduction to physics
量子物理概論, 固態能帶概念, 物質導電度, 半導體材料
模式识别 Pattern Recognition
Differential Equations (DE)
广义相对论课堂5 引力红移/时间膨胀检验和推论
『從原子到宇宙』課程第四週 胡維平 國立中正大學化學暨生物化學系 10/06/2011
Differentiation 微分 之一 微分的基本原理.
普通物理 General Physics 32 - Maxwell's Equations, Models of Magnetism
波函數代表一個粒子的狀態。 Δk Δx 那如何預測對這個狀態的物理量的測量?.
Ch3. Maxwell’s Equations in Differential Form
99新課綱內容: 量子現象 1. 光電效應 1-1 黑體輻射 1-2 愛因斯坦 光電效應 1-4 光電效應的應用
Ch2 Infinite-horizon and Overlapping- generations Models (无限期与跨期模型)
附加内容 “AS”用法小结(2).
Fundamentals of Physics 8/e 27 - Circuit Theory
Differentiation 微分 之一 微分的基本原理.
Short Version : 6. Work, Energy & Power 短版: 6. 功,能和功率
机器人学基础 第四章 机器人动力学 Fundamentals of Robotics Ch.4 Manipulator Dynamics
普通物理 General Physics 29 - Current-Produced Magnetic Field
力只與位置有關的運動方程式.
Short Version :. 11. Rotational Vectors & Angular Momentum 短版:. 11
Fundamentals of Physics 8/e 31 - Alternating Fields and Current
Fundamentals of Physics 8/e 28 - Magnetic Force
普通物理 General Physics 22 - Finding the Electric Field-I
Neutron Stars and Black Holes 中子星和黑洞
Summary Chapter 2 1. Solution for H-like atom/ion (one-electron system) radial & angular functions of Atomic orbitals, electron cloud, quantum numbers.
虎克定律與簡諧運動 教師:鄒春旺 日期:2007/10/8
句子成分的省略(1).
句子成分的倒装(1).
Fundamentals of Physics 8/e 0 – Table of Contents
普通物理 General Physics 21 - Coulomb's Law
行星運動 人類對天體的運行一直充滿著好奇與幻想,各式各樣的傳說與理論自古即流傳於各地。在這些論述中,不乏各式神鬼傳說與命運註解,也包含了許多爭論不休的學術觀點。雖然這些形而上的虛幻傳奇仍然流傳於坊間,但是科學上的爭執卻因牛頓重力理論(law of gravitation)的出現而大致底定。
如何選擇計算方法 量子化學計算方法簡介.
Mechanics Exercise Class Ⅰ
定语从句(7).
True friendship is like sound health;
Weak interaction and Parity
動量與能量.
运动学 第一章 chapter 1 kinematices.
The Flow of PMOS’s Mobility (Part2)
Q & A.
動量.
波與粒子 波的類型 機械波 電磁波 物質波:matter
Nucleon EM form factors in a quark-gluon core model
M; Well, let me check again with Jane
Mechanics Exercise Class Ⅱ
名词从句(2).
原子/分子系統架構 Quantum Chemistry Dynamics Monte Carlo.
名词从句(4) (复习课).
智慧與恩典 2015年12月5/6日 香港聖經教會.
1 布洛赫定理与布洛赫波 2 近自由电子近似方法 3 紧束缚近似方法 4 其他方法 5 能带电子的态密度 6 布洛赫电子的准经典运动
補充 數值方法 數值方法.
句子成分的省略(3).
Principle and application of optical information technology
Schrodinger Wave Equation
第一章 狹義相對論.
104年各部會共同推動樂活健康低碳環境 1.
中国科学院数学与系统科学研究院 2019年06月06日(周四) 下午15:00
Presentation transcript:

The essence of Particle Physics

The essence of Particle Physics Particles are actually not like balls but essentially more fields! Well, not quite.

They are quantized fields. Fields when quantized are not like fields but more like particles. Quantum Field Theory

Field Theory Space and time are treated equally as parameters. It is manifestly Lorentz Invariant. Quantum Field Theory For a quantum theory of field, the field is promoted to operators! It is still manifestly Lorentz Invariant. Particle Quantum Mechanics Space is operator while time remains a number parameter.

場的觀念原來是來自一個粒子系統的連續極限! y 粒子排列整齊,編號自然以平衡時的水平位置最自然! 當粒子間隔區向無限小,離散足標趨向連續變數: 這只是一個比喻。 因為場並不必然需要有粒子系統的存在,例如電場。

Classical Field Theory It is just like electric field but simpler, as a scalar not a vector. ϕ is a scalar not a vector as electric field: It is easiest to describe fields using Lagrangian and Hamiltonian. Action is defined as the integral over time of the Lagrangian. The equation of motion is given by the principle of Least Action. For fields, the Lagrangian would be the integral over space of a Lagrangian Density L : The integration is Lorenz Invariant. The Lorenz invariance of the Lagrangian density will guarantee the Lorenz invariance of Action and hence EOM.

The equation of motion is given by the principle of Least Action. Euler Equation 尋找 ϕ 的線性運動方程式,L 必須由場及其一次微分的平方組成 若再要求Lagrangian是Lorenz Invariant,以下為唯一可能: Klein-Gordon Equation

Hamiltonian Formalism For Fields: Conjugate Momentum

For Klein-Gordon Fields:

Solving KG Equation: Expand the KG field in terms of Fourier Series Plug into KG Eq.: Every Fourier Component behaves like a SHO with ω KG Field is just a collection of SHO’s. Each SHO is characterized by its k or p “momentum”. The frequency ω or “energy” of the SHO is just that of a relativistic particle with mass m.

物體的變形可以被分類為一個一個特定的模式 Norm! 每一個模式都是一個簡諧運動 一個簡諧運動,有一個內在的特定的振動頻率! 每一個模式,對應一個內在的特定的振動頻率! 不同模式頻率不同 物體的變形就是以以上模式或其疊加來進行!

這就是場:

These SHO’s correspond to the plane wave solutions of KG Eq. A general solution is a linear superposition of all plane waves.

The solution of KG Equation: For real field: The real solution of KG Equation:

Dirac Notation 狀態 Ket 所有狀態組成一向量空間 Bra 此向量空間的 Dual 空間 測量 算子 測量期望值 與 內積

那些物理量是確定的? 確定的物理量 O 算子化為數 作用於測量結果確定的狀態,算子的效果與數一樣,數 o 就是確定的測量結果。 測量一個物理量時的不確定性是由測量結果的標準差或稱統計漲落來描述 :

本徵函數Eigenfunction 本徵值Eigenvalue 動量的本徵函數 波狀的態,動量完全確定 位置的本徵函數 x 粒子狀的態,位置完全確定 能量的本徵態

Dirac Notation 就是再強調這個事實 線性代數的計算與基底的選擇無關 Dirac Notation 就是再強調這個事實 波函數 就是以 為基底表示的向量分量! 你一樣可以選擇其他基底例如: 狀態 波函數 Bra 測量 算子 與 內積 測量期望值

量子世界的兩類物理實體 狀態 波函數 測量 算子 測量期望值 古典世界中以上兩類物理實體是合而為一 粒子的狀態可由可測量物理量惟一地標定 狀態 由狀態決定粒子未來的測量結果。 數值(函數) 測量

量子力學的原則 算子 Operaor 一個古典物理的數字物理量在量子力學中對應於一個作用在波函數上的運算動作! 這些運算動作將代表狀態的波函數映射到另一個波函數! 而這個物理量測量的期望值可以計算: 算子 Operaor

測量結果確定的狀態 測量並非永遠都是不確定。 對於自由粒子,動量是確定的(因為守恆)(但位置測量不確定): 動量算子作用於自由粒子波函數,效果和乘上一個數 hk 相同: 作用於測量結果確定的狀態,算子的效果與數一樣,此數就是確定的測量結果。

能量的本徵態 能量算子: 與時間無關的薛丁格方程式

Canonical Commutation Relation 算子與數最大的不同就是算子沒有交換性: Canonical Commutation Relation

兩個物理量能否同時精確測量,由它們是否可交換決定! 電子的動量與位置不能同時測準! 這兩物理量不能同時測量。 這兩物理量能同時測量。

Now! Quantum Field Theory

We use Canonical Quantization to go from mechanics to quantum mechanics: Upgrade all observable to operators and impose a commutation relation between position and momentum:

Fields grow out of systems of particles 當粒子間隔區向無限小,離散足標趨向連續變數: Space coordinates x are actually indices! We know how to quantize particle system and hence we know how to quantize fields!

Upgrade all observables to operators and impose a commutation relation between fields and their momenta: Quantum Field Theory is done!

What is the commutation relation of the a operators?

KG Field is just a collection of SHO’s. Hint from Quantum SHO:

Reasonable Guess: SHO of different p are decoupled and hence their operators commute.

The operator a+ can be used to raise the energy by one quantum while the operator a can be used to lower the energy by one quantum

The operator a+ is called Raising Operator while the operator a Lowering Operator.

Quantum Field Theory is just a series of quantum SHO. The operator ap+ can be used to raise the energy by one quantum ωp while the operator ap can be used to lower the energy by ωp.

There is a conserved momentum. The operator ap+ can be used to raise the momentum by one quantum p while the operator ap can be used to lower the energy by p.

量子彈簧的行為非常類似數目可改變的一種粒子 粒子最重要的就是不可分割性 量子彈簧最適合描述不可分割的基本粒子

Particle space are built. ap+ Creation operator and ap Annihilation operator of a particle with momentum p and energy Ep

Dirac field and Lagrangian The Dirac wavefunction is actually a field, though unobservable! Dirac eq. can be derived from the following Lagrangian.

Negative energy!

Anti-commutator! A creation operator!

b annihilate an antiparticle!

Exclusion Principle