|作者:顾杰
(东南大学物理学院 丘成桐中心)
本文选自《物理》2025年第6期
摘要 量子物理中,利用微扰展开计算物理量得到的通常是发散的渐近级数,这意味着这些物理量往往有不可忽略的非微扰贡献。博雷尔求和提供了将发散级数进行合理求和的方法,而在此基础上发展起来的复现理论是一种从微扰级数本身出发就可以提取出非微扰贡献的强大理论工具。文章将对复现理论及其在量子物理中的应用做简单的介绍。
关键词 发散级数,博雷尔求和,瞬子,重整子,复现,非微扰
要更好地理解并合理地利用物理中的发散级数,我们需要一个处理发散级数的数学理论。数学家们对于发散级数的认识也经历了一个漫长而逐渐发展的过程。阿贝尔在1828年曾说,“发散级 数是魔鬼的发明,基于它们做任何论证都是一种耻辱”。到了1886年庞加莱终于发展了一套用来严格描述发散级数的理论,即渐近展开理论。1899年,博雷尔给出了一个可以将渐近级数求和的魔法公式,称为博雷尔求和(Borel resummation)。作为一个简单的例子,可以考虑一个发散的渐近级数:
对这个渐近级数做博雷尔求和之后的结果是:
很容易看出来对于z>0,这是一个有良好定义的函数。而将这个函数在z=0附近展开就可以还原为渐近级数f (z)。
与最优截断不同,博雷尔求和利用了渐近级数的所有项,并且是数学上严格的。譬如数学家可以证明,如果存在一个满足某些解析性质的函数,并且该函数关于微扰参数的渐近展开等于原有 渐近级数,那么级数的博雷尔求和与这个函数相同。
通过博雷尔求和的方法,人们可以在量子理论中用微扰级数来严格定义相关的物理量。但是在这个过程中,人们发现有时候应用博雷尔求和公式会遇到困难。博雷尔求和涉及到从渐近级数出发 构建一个被称为博雷尔变换的辅助函数,然后将博雷尔变换沿着正实轴进行积分。要成功地进行博雷尔求和,需要博雷尔变换在正实轴上没有奇点,否则的话,如图2所示,博雷尔求和就会因为积分无法进行而失效。博雷尔变换奇点的分布依赖于微扰级数系数的增长速度。不同于只关心微扰级数中数值不断减少的少数前面几项的最优截断方法,博雷尔求和的方法关心整个微扰级数,包括数值不断增大的高阶部分。这些高阶项的系数呈现出一种统一的规律,会随着项数的增加而呈阶乘形式n!高速增长。这也是即使微扰参数再小,渐近级数的单项数值最终会变大并趋于无穷的原因。更确切来说,单项数值的增长方式为n!/An。这个标记为A的特征数字非常重要,因为博雷尔变换会有一个位置在A的奇点。当A大于零时,博雷尔变换会有一个大于零的奇点,从而导致博雷尔求和失效。我们可以选择在积分时绕开这个奇点,但是因为有向上和向下两种绕开方式,得到的结果是不确定的。在这个时候,物理学家就会认为这个发散的微扰级数是无法严格求和的,相关的量子理论也是无法严格定义的。
图2 因博雷尔变换在正实轴上有奇点,博雷尔求和无法进行
围绕这个想法,20世纪六七十年代的物理学家花了大量的精力来分析各种量子理论中微扰级数系数的具体增长形式,又称为微扰系数的高阶行为。知道了微扰系数的高阶行为,一方面有助于分析博雷尔变换奇点的位置,从而判断博雷尔求和是否有效;另一方面在博雷尔求和有效的情况下,也有助于在数值上对微扰级数进行高效的博雷尔求和计算。比如对于著名的四次方量子力学模型,华人理论物理学家吴大峻与合作者给出了稳定状态能量关于耦合参数的微扰系数的高阶行为[2]。四次方量子力学模型推广到量子场论中就是重要的玩具模型四次方场论。一系列的工作表明,博雷尔求和对于四维的四次方场论是失效的,但是对于二维、三维的四次方场论有效,并且可以用来定义和计算临界指标等重要的物理量[3]。
图3 量子力学双势阱模型中的量子隧穿效应
图4 一族典型的会产生重整子效应的费曼图
图5 复现理论补全微扰级数路线图
图6 带有周期性势阱的量子力学余弦模型
图7 侯世达蝴蝶:垂直方向有均匀磁场的二维周期性势阱中电子的能带(横轴)和磁场强度(纵轴)的依赖关系
图8 陈—西蒙斯理论的三维时空可以是一个拓扑非平凡的三维空间,比如三维球面中挖除一个扭结(γ)之后的剩余空间
量子场论的可积性方法
自举思想在共形场论中的应用
化繁为简的局域化方法
量子物理中的复现方法