場の量子論

場の量子論について

場の量子論（英: Quantum Field Theory, QFT）は、物理学における重要な理論であり、素粒子の振る舞いや相互作用を場の観点から解析します。この理論は、物質を構成する素粒子とそれらの間の力を媒介する粒子を一貫して説明する役割を果たしています。

概要

量子論は、古典的な物理量に基づく量子力学と、場を基本変数とする場の量子論に分かれます。特に、場の量子論は、古典的に場として知られる対象（例えば電磁場）や、粒子（電子など）の性質を扱い、量子力学の成果を広げるものです。この理論は、相対論的場の量子論と非相対論的場の量子論に分類され、特に高エネルギーの物理系や多体系の挙動を記述する際に重要です。

場と粒子の関係

場は、時空の全ての点で定義され、波動を引き起こす能力を持っています。場がエネルギーを高めて振動すると、粒子のように振る舞うことができるため、現代物理学における粒子とは、実際には場の特定の状態であると言えます。この観点から、粒子はエネルギーが局所化した状態や、フィールドに付随するエネルギー量子として理解されます。

相対論的場の量子論

場の量子論は、特に相対性理論と量子力学の統一を目指すものであり、素粒子物理学、原子核[[物理学]]、物性[[物理学]]などの分野で応用されています。相対論的場の理論は、量子電磁力学や量子色力学、ワインバーグ＝サラム理論などの理論に基づき、様々な現象を説明しています。たとえば、素粒子の生成や消滅、相互作用に伴う物質の性質変化などが含まれます。

ヒッグス機構と自発的対称性の破れ

1964年に提唱されたヒッグス機構は、素粒子が質量を持つ理由を説明する重要な概念です。これは、ゲージ理論と自然に接続し、物理的観測に応じた様々な粒子の質量を正当化します。自発的対称性の破れは、粒子の質量がそもそもゼロになるという理論の仮定を補完する形で、現実の粒子が質量を持つ仕組みを示します。

非摂動論的手法

量子色力学などの理論において、摂動論的アプローチが困難な場合もあります。このため、1/N展開や格子ゲージ理論などの非摂動論的手法が導入され、相互作用が強い領域や量子効果が重要なシナリオにも対応可能です。

これらの理論は、粒子物理学の根底に位置し、基本的な同行や現象を理解するために欠かせないものとなっているのです。

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