邁向量子場論

克萊因—戈爾登方程

克萊因—戈爾登方程是最簡單的相對論性波動方程,以一種與狹義相對論相容的方式描述一個無自旋的粒子。它的得來,是把愛因斯坦關於能量、動量與質量的關係,直接翻譯成一個量子波動方程。由於它對時間與空間一視同仁,它在僅為低速而建的薛丁格方程失效之處取得了成功。

在歷史上,它帶來的麻煩與勝利一樣多。若把它讀作單個粒子波函數的方程,它會給出負能量,以及一個可能變為負值的機率密度——對一個字面意義的機率來說,二者都荒謬不通。正是這些缺陷,促使狄拉克去尋求他自己的電子方程,也使克萊因—戈爾登方程一度被擱置,被視為單粒子理論一次失敗的嘗試。

它真正的含義,在它被重新詮釋為不是波函數方程、而是場方程之後才顯現出來。作為一個量子場的運動方程,它描述諸如π介子或希格斯玻色子這樣的無自旋粒子,那些惹麻煩的負能量解化為反粒子,而對機率的憂慮也完全消散。它因而成為通向相對論性量子場論最溫和的入口。

(□ + m²) φ = 0 — from E² = (pc)² + (mc²)², for a spin-0 field

把能量²=(pc)²+(mc²)² 化為波動方程;唯有讀作場、而非波函數時,它才誠實可靠。

克萊因—戈爾登方程不是一個好的單粒子波動方程——它的負機率在那個層面上是一個真實的缺陷。唯有作為支配無自旋粒子之量子場的方程時,它才正確而有用。

又稱
Klein–Gordon equationKG equation克莱因—高登方程