迈向量子场论
克莱因—戈尔登方程
克莱因—戈尔登方程是最简单的相对论性波动方程,以一种与狭义相对论相容的方式描述一个无自旋的粒子。它的得来,是把爱因斯坦关于能量、动量与质量的关系,直接翻译成一个量子波动方程。由于它对时间与空间一视同仁,它在仅为低速而建的薛定谔方程失效之处取得了成功。
在历史上,它带来的麻烦与胜利一样多。若把它读作单个粒子波函数的方程,它会给出负能量,以及一个可能变为负值的概率密度——对一个字面意义的概率来说,二者都荒谬不通。正是这些缺陷,促使狄拉克去寻求他自己的电子方程,也使克莱因—戈尔登方程一度被搁置,被视为单粒子理论一次失败的尝试。
它真正的含义,在它被重新诠释为不是波函数方程、而是场方程之后才显现出来。作为一个量子场的运动方程,它描述诸如π介子或希格斯玻色子这样的无自旋粒子,那些惹麻烦的负能量解化为反粒子,而对概率的忧虑也完全消散。它因而成为通向相对论性量子场论最温和的入口。
(□ + m²) φ = 0 — from E² = (pc)² + (mc²)², for a spin-0 field
把能量²=(pc)²+(mc²)² 化为波动方程;唯有读作场、而非波函数时,它才诚实可靠。
克莱因—戈尔登方程不是一个好的单粒子波动方程——它的负概率在那个层面上是一个真实的缺陷。唯有作为支配无自旋粒子之量子场的方程时,它才正确而有用。
又称
另见