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本ページでは、ラグランジアン密度\(\mathscr L\)が複素場\(\varPhi\),\(\varPhi^*\)と複素場の時空微分\(\partial_\mu\varPhi\),\(\partial_\mu\varPhi^*\)から成り立つと仮定し、ラグランジアン密度の時空積分である作用積分\(S\)に作用原理を施すことによってラグランジュの運動方程式
\begin{align}\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)-\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi}=0\\\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)-\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi^*}=0\end{align}
を求める。
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前ページでは、汎関数\(X\)
\begin{align*}X[\phi]=\int d^4x\ \mathscr X(\phi( x))\end{align*}
の\(\phi( y)\)による汎函数微分\(\frac{\delta X[\phi]}{\delta \phi( y)}\)において、次の関係
\begin{align*}\frac{\delta f( x)}{\delta f( y)}=\delta^4( x- y)\end{align*}
が成り立ち、汎函数微分\(\frac{\delta X[\phi]}{\delta \phi( y)}\)は被積分関数の偏微分になること
\begin{align*}\frac{\delta X[\phi]}{\delta \phi( y)}&=\frac{\partial \mathscr X}{\partial \phi(y)}\tag{5}\end{align*}
を確認した。
内容
複素場の理論とは
実場\(\phi=\phi^*\)だけでなく複素場\(\varPhi\neq\varPhi^*\)までも含んだ理論を複素場の理論と呼ぶ。複素場\(\varPhi\),\(\varPhi^*\)は実部と虚部からなるため、2自由度の場であり、2つの実場\(\phi_1\),\(\phi_2\)を用いて
\begin{align*}\varPhi&=\phi_1+i\phi_2\\\varPhi^*&=\phi_1-i\phi_2\end{align*}
と表せる。
作用原理(複素場の理論)
作用積分の境界条件としては、時空の無限遠方\(x^\mu=\pm\infty\)であらゆる方程式A、B、…の複素場\(\varPhi(x)\),\(\varPhi^*(x)\)の値は同じとし、さらに、複素場\(\varPhi(x)\),\(\varPhi^*(x)\)が規格化できるようにその無限遠方での値は\(0\)とならなければならない。式で表すと
\begin{align}\varPhi(x)^A{}|_{\scriptsize {x^\mu\rightarrow\pm\infty}}&=\varPhi(x)^B{}|_{\scriptsize {x^\mu\rightarrow\pm\infty}}=\cdots=0\tag{1}\\\varPhi^*(x)^A{}|_{\scriptsize {x^\mu\rightarrow\pm\infty}}&=\varPhi^*(x)^B{}|_{\scriptsize {x^\mu\rightarrow\pm\infty}}=\cdots=0\tag{2}\end{align}
であり、ある方程式の複素場と別の方程式の複素場の差\(\delta\varPhi(x)\),\(\delta\varPhi^*(x)\)を用いると次の2式が成り立たなければならない。
\begin{align}\delta \varPhi(x)|_{\scriptsize {x^\mu\rightarrow\pm\infty}}=\varPhi(x)|_{\scriptsize {x^\mu\rightarrow\pm\infty}}&=0\tag{3}\\\delta \varPhi^*(x)|_{\scriptsize {x^\mu\rightarrow\pm\infty}}=\varPhi^*(x)|_{\scriptsize {x^\mu\rightarrow\pm\infty}}&=0\tag{4}\end{align}
作用原理(最小作用の原理)より、現実の方程式は、方程式の形を微小変化させた時に、作用積分\(S\)が次のように極値をとる。
\begin{align}\delta S=0\tag{5}\end{align}
式(5)を計算すると
\begin{align}\delta S&=S[\varPhi+\delta \varPhi,\partial_\mu\varPhi+\partial_\mu\delta\varPhi,\varPhi^*+\delta \varPhi^*,\partial_\mu\varPhi^*+\partial_\mu\delta\varPhi^*]-S[\varPhi,\partial_\mu\varPhi,\varPhi^*,\partial_\mu\varPhi^*]\\&=\int {d}^4x\ \mathscr{L}(\varPhi+\delta \varPhi,\partial_\mu\varPhi+\partial_\mu\delta\varPhi,\varPhi^*+\delta \varPhi^*,\partial_\mu\varPhi^*+\partial_\mu\delta\varPhi^*)-\int {d}^4x\ \mathscr{L}(\varPhi,\partial_\mu\varPhi,\varPhi^*,\partial_\mu\varPhi^*)\\&=0\tag{6}\end{align}
が成り立つ。
ラグランジュの運動方程式
次の式
\begin{align}&\mathscr{L}(\varPhi+\delta \varPhi,\partial_\mu\varPhi+\partial_\mu\delta\varPhi,\varPhi^*+\delta \varPhi^*,\partial_\mu\varPhi^*+\partial_\mu\delta\varPhi^*)\\&=\mathscr{L}(\varPhi,\partial_\mu\varPhi,\varPhi^*,\partial_\mu\varPhi^*)+\left\{\delta \varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \varPhi}+\partial_\mu\delta\varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}+\delta \varPhi^*\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \varPhi^*}+\partial_\mu\delta\varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right\}\tag{7}\end{align}
を式(6)に代入すると
\begin{align}\delta S&=\int{d}^4x\ \left\{\delta \varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \varPhi}+\partial_\mu\delta\varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}+\delta \varPhi^*\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \varPhi^*}+\partial_\mu\delta\varPhi^*\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right\}\\&=0\tag{8}\end{align}
となり、積の微分公式を用いた次式
\begin{align}\partial_\mu\delta\varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}&=\partial_\mu\left(\delta \varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)-\delta \varPhi\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)\tag{9}\\\partial_\mu\delta\varPhi^*\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}&=\partial_\mu\left(\delta \varPhi^*\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)-\delta \varPhi^*\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)\tag{10}\end{align}
を式(9)に用いると次のようになる。
\begin{align}\delta S&=\int{d}^4x\ \left\{\delta\varPhi\left[\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi}-\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)\right]+\partial_\mu\left(\delta \varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)+\delta\varPhi^*\left[\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi^*}-\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)\right]+\partial_\mu\left(\delta \varPhi^*\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)\right\}\\&=\int{d}^4x\ \left\{\delta\phi\left[\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi}-\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)\right]+\delta\varPhi^*\left[\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi^*}-\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)\right]\right\}+\int{d}^4x\left\{\partial_\mu\left(\delta \varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)+\partial_\mu\left(\delta \varPhi^*\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)\right\}\\&=\int{d}^4x\ \left\{\delta\varPhi\left[\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi}-\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)\right]+\delta\varPhi^*\left[\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi^*}-\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)\right]\right\}+\int{d}\sigma_\mu\left\{\left(\delta \varPhi\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)+\left(\delta \varPhi^*\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)\right\}\\&=\int{d}^4x\ \left\{\delta\varPhi\left[\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi}-\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)\right]+\delta\varPhi^*\left[\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi^*}-\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)\right]\right\}\\&=0\tag{11}\end{align}
※※※3行目への変形ではガウスの発散定理
\begin{align}\int{d}^4x\ \partial_\mu X^\mu=\int_{\partial V} {d}\sigma_\mu X^\mu\tag{12}\end{align}
を用いて4次元体積\(V\)積分を時空の無限遠方の\(\partial V\)上での表面積分に置き換え、4行目への変形では境界条件の式(3),(4)を用いて第2項をゼロとした。※※※
\(\delta \varPhi\),\(\delta\varPhi^*\)は任意の変分であるため、常に成り立つには
\begin{align}\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi}\right)-\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi}=0\tag{13}\\\partial_\mu\left(\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial \partial_\mu\varPhi^*}\right)-\frac{\partial \mathscr{L}}{\partial\varPhi^*}=0\tag{14}\end{align}
である必要がある。この方程式が複素場の理論におけるラグランジュの運動方程式(オイラー-ラグランジュ方程式)である。ラグランジュの運動方程式が2つ現れたのは複素場に2つの自由度があるからであり、以前求めたラグランジュの運動方程式においても自由度\(i\)の数だけ方程式があった。
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