A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION A
G. C LÉMENT
B. J OUVET
Dynamique d’un champ auto-composé et la construction de l’espace-temps
Annales de l’I. H. P., section A, tome 8, n
o2 (1968), p. 191-204
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191
Dynamique d’un champ auto-composé
et la construction de l’espace-temps (1)
G. CLÉMENT B. JOUVET Laboratoire de physique atomique et moléculaire
Collège de France, Paris.
Vol. VIII, n° 2, 1968, Physique théorique..
ABSTRACT. - We
study
theproblem
offinding possible dynamics
forfields which are
composed
ofthemselves,
and of themselvesonly,
restrict-ing
ourselves to one dimensionalspace-time.
On a
simple’
model(~,~3)
we show that thecomposition
constraintp2 = 1> contains
enough
information to enable us to build a non trivial hamiltonian operator. Thegeneral
solution of theequation
of evolu-tion is then obtained as a linear combination of a free
spin
0 field cp, with Fermistatistics,
and of the conserved current associated to that field.We write down a
lagrangian
for thisfield, introducing
the one-dimen- sional metric field as anindependant
variable.Although
the classical hamiltonian is then zero, a non-conventional method ofquantization
enables us to deduce all the results of the quantum
theory
of theincluding
thecomposition constraint,
and to express the metric field interms of the
cp- field.
(~) Ce travail a bénéficié de l’aide du Commissariat à
l’Énergie
Atomique.192 G. CLÉMENT ET B. JOUVET
INTRODUCTION
La définition des
particules composées
par la condition d’annulation des constantes de renormalisation deschamps
soulève un très intéressantproblème
dans le cas où tous leschamps
epi,supposés couplés
localement(sans dérivées)
dans lelagrangien,
sontcomposés :
d’une part tous les termesdynamiques,
c’est-à-dire ceuxqui
font intervenirexplicitement
les déri-vées par rapport aux coordonnées de
l’univers,
sont effacés par les condi- tionsZ~~
=0,
et leséquations
deLagrange
se réduisent alors à des relations de contrainte localesF(CPi)
=0,
valablesquel
que soit xJl EE4 ;
d’autrepart l’absence de moments
conjugués
deschamps
epi entraîne la nullité du vecteurd’impulsion canonique,
tandis quel’énergie canonique Po
a une forme triviale
qui
ne permet pas de déterminer ladyna- mique
deschamps
lpi’ En fait ladégénérescence
extrêmequi
seproduit
dans ce cas est le reflet de ce que les seules relations subsistant à la limite
Z~~
= 0 sontindépendantes de la
structurespatio-temporelle
de l’univers danslequel
lesystème
estsupposé
évoluer. En l’absence d’une donnée de cette structure par leséquations
deschamps,
le seul fait de supposerqu’il
existe unedynamique
pour ceschamps -
c’est-à-direqu’il
existedes
opérateurs
dedéplacement Pu, compatibles
avec leséquations
decontrainte = 0-conduit nécessairement à construire ces
opéra-
teurs en fonction
implicite
desopérateurs
dechamp
lpieux-mêmes,
le type d’univers danslequel
ceschamps
peuvent évoluer étant alors fixé par lespostulats
d’existence desgénérateurs.
Dans cet article nous étudions le cas d’un seul
champ interagissant
avec
lui-même,
par uncouplage
du type~.~3 ; l’équation
de contraintedéfinissant le
champ auto-composé
est alors dutype C = 1>2.
Nous mon-trons, au
paragraphe I,
comment lepostulat
d’existence d’unedynamique
à un seul
paramètre,
le temps, détermine un hamiltonien ainsi que les relations de commutation de 03A6 avec sesquantités dérivées,
cequi
permet d’obtenir uneéquation
d’évolution dont on donne la solutionexplicite.
Nous construisons
ensuite,
auparagraphe II,
unLagrangien
d’où résultentl’équation
d’évolution et l’hamiltonien déterminés auparagraphe I,
ainsique la contrainte initiale. La relativité
générale
fournit le cadre naturelqui
permetd’interpréter
ceLagrangien,
et nous montrons ainsi commentla
métrique
- c’est-à-direl’opérateur
fixant la dimension du temps -est effectivement reliée à
l’opérateur
duchamp auto-composé.
I. - CONSTRUCTION D’UNE
DYNAMIQUE a) Équation
dechamp auto-composé.
Nous
partirons
duLagrangien
renormaliséet de
l’équation
dechamp correspondante :
Le
champ
hermitien despin
0 renormalisé 03A6 est ditauto-composé [1]
si Z = 0.
L’équation
dechamp
se réduit alors à la contrainteque l’on peut
interpréter
commesignifiant
que lechamp
estégal
au courantqui
lui estcouplé,
ce courant étant lui-même constitué àpartir
duchamp
C.Si les constantes g et
bm2
sont finies et non nulles on peut se ramener,en normalisant convenablement
C,
à la contrainteManifestement,
s’il estpossible
de donner un sens non trivial à cetteéqua-
tion de
contrainte,
ce ne peut être que defaçon
nonclassique. Cependant
il est
remarquable
que celle-ci ne contienneplus explicitement
dedyna- mique :
si on tentait de retrouver unedynamique quantique
en définis-sant C
=i[H, 1>]-,
on aurait :puisque
à la limite « limite » Z =0,
la densité hamiltonienne s’écrit :Le
champ auto-composé
serait ainsi «gelé »
dans tout l’univers. Notonscependant
que cephénomène n’apparaît
que si l’onremplace
brutalement Z par 0 dans(1).
Eneffet, quel
que soit Z #0,
la relation de commutationcanonique
s’écrit :.
194 G. CLÉMENT ET B. JOUVET
1 .
et l’hamiltonien comporte une contribution en -
qui
donne :2
d’après (4). Ainsi,
la « limite » Z -~ 0 est manifestementsingulière,
etnous
adopterons
lepoint
de vue selonlequel,on
ne peut pas déduire l’hamil- tonienauto-composé
de l’hamiltonien élémentaire.La seule information non
ambiguë
que nouspossédions
sur lechamp auto-composé
est donc la contrainte(3).
Bien que cette contrainte semble àpremière
vuedépourvue
de sensphysique [2],
nous allons montrerqu’à partir
d’elle seule(c’est-à-dire
en « oubliant » la théorie(1)
dont elle estissue)
il estpossible
de construire une théoriephysiquement
nontriviale ;
nous verrons ainsi que la contrainte fondamentale
(3), envisagée
dans leschéma
général
de la théoriequantique
deschamps,
contient e ffective- ment des informationsdynamiques.
La contrainte
(3),
isolée du contexte dont elle estdéduite,
ne contenant- comme nous l’avons fait remarquer - aucune information sur le nom-
bre de dimensions de
l’espace-temps,
nous nous limiterons dans cet articleau cas d’une seule dimension : le temps.
b)
Hamiltonien et relations de commutation.Pour
plus
de commodité nous raisonnerons dans cequi suit,
non passur
l’opérateur C,
mais surl’opérateur
La contrainte
(3)
étant alorsremplacée
parSoit ~
unopérateur (au
sensmathématique
du terme, c’est-à-direopéra-
teur en
représentation
deSchrôdinger)
solution de(6).
Nous nous propo-sons de construire un
opérateur
hermitien H(hamiltonien) qui
permette de passer auxopérateurs
enreprésentation
deHeisenberg :
la famille
d’opérateurs
définie par(7)
étant évidemment solution de(6).
Supposons pour
l’instant donné unopérateur
H, et définissons :De
(8)
et(6)
on déduit aisément la relation d’anticommutation :et ses
conséquences
ainsi que les relations de commutation
La dernière relation
( 11 )
permet de mettre H sous la forme :où C est un
opérateur
hermitienqui
commute avec~.
Maintenant nous
postulons,
comme on le faithabituellement,
que l’hamit- tonien Hs’exprime en fonction de t/J
seulement(2). D’après (9), l’opéra-
teur
~~
commuteavec ~ ;
lafonction-opérateur de # et ~
laplus générale compatible
avec(12),
compte tenu de lacontrainte (6)
et de ses consé-quences, a donc la forme :
En utilisant les relations d’anticommutation
(9)
et(10)
on obtient :où on a
posé :
Les
opérateurs
et H commutant entre eux sont simultanémentdiago- nalisables ;
il en résulted’après (14)
que, surchaque
sous-espace propre de~2,
l’hamiltonien H admet deux valeurs propres.Dans ce
qui suit,
nous nous limiterons à un seul sous-espace propre (~) Il en résulte que la famille d’opérateurs définie par (7) appartient à l’algèbre engen- drée par 03C8et / ;
autrement dit, ce postulat assure que l’évolution de est déterminée par la donnée de deux conditions initiales et-
03C8(0).196 G. CLÉMENT ET B. JOUVET
de
~2
cequi
revient à supposer que§~
est un nombre(3).
Ceci a enparti-
culier pour effet de
compléter
lasymétrie
des relations( 11 ) qui
deviennentisomorphes
aux relations de commutation des matrices dePauli,
avecpar
exemple
lacorrespondance : ~ ~ z 1, ~ ~
~2.i~~ ~
i3. -L’hamiltonien a alors deux niveaux
d’énergie B ± 2.
Si onappelle
« vide » le niveau
fondamental,
l’autre niveau a, par rapport auvide,
l’éner-gie
mqui joue
donc bien le rôle d’une masse.Remarquons
que,jusqu’ici,
ces deux niveauxjouent
des rôles tout à faitsymétriques,
et que notre définition du « vide » est, en cequi
concernela
symétrie
de(14),
arbitraire. Pourpréserver
cettesymétrie,
nous choisi-rons l’échelle des
énergies
de tellefaçon
queB(§~ ) =
0.c) Équation
d’évolution.Définissons
l’opérateur
En utilisant
l’expression (13)
deH,
ainsi que les relations de commuta- tion(11),
on obtientl’équation :
que l’on peut
réécrire,
en utilisant(13)
et(15) :
L’équation
d’évolution(4)
sous la forme(18) rappelle l’équation
classi-que de la
gravitation (avec
masse dugraviton)
+ =Mais sous sa forme
(17)
ellerappelle
au contraire uneéquation
du typeélectrodynamique,
le terme de source -iA[§, ~] _
ayant la forme habi- tuelle du courant associé à unchamp
despin
0.(~) On serait tenté de penser qu’à
l’opérateur ~2
correspond par exemple la conservation d’un nombre quantique. Mais étant donné que nous n’avons aucune limitation sur le spectre possible de~2,
le choix qui est fait ici est encore le moins arbitraire et le plus simple.(4) Dans ce qui suit nous nous plaçons en représentation de Heisenberg, mais nous conti-
. d
nuerons à écrire, par abus de langage, 03C8 pour
pour -
03C8(t), etc.La solution de
(18)
a la forme :oùonaposé
et
L’opérateur
y est donc le courant conservé associé à ({J.Remarquons
que et y vérifientséparément
la contrainte(6),
et quey]+ =0.
Ladécomposition (19)
met enlumière,
d’une autrefaçon
que la contrainte(6),
le caractère
auto-composé
deschamps étudiés,
lechamp
cp et son courantreprésentant
deux composantes du même êtremathématique ~.
On déduit de
(6)
et(9)
les relations d’anticommutation satisfaites par lesopérateurs
a:t :c’est-à-dire les relations habituelles pour les fermions. D’autre part l’hamil- tonien s’écrit alors :
Le fait que
l’espace
de Fock n’ait que deuxétats 0 ~ et ~1 ~
est donclié au
principe
d’exclusion. Sur cet espace, a"i:.jouent
le rôle de zt, et y celui Nous avons ainsi montréqu’un champ
satisfaisant à la contrainte(6)
peut
s’écrire, d’après (19),
comme unesuperposition
arbitraire d’unchamp
libre et du courant associé à ce
champ.
Il est intéressant de chercher à construire unLagrangien qui
permette de déduire les résultatsprécédents (y compris
la contrainte fondamentale(6)).
ANN. INST. POINCARÉ, A-VIII-2 14
198 G. CLÉMENT ET B. JOUVET
II. - FORMALISME LAGRANGIEN
a) Lagrangien classique (5).
Nous venons de voir que les
opérateurs
ç et yjouent
le rôle de deuxchamps indépendants (ils anticommutent).
Nous allons donc chercher à écrire unLagrangien
en fonctioncp,
et d’un autre «champ »
y(la
relation
(21) qui exprime
y en fonction de ç et de~p
devantapparaître
commeune
conséquence
duprincipe variationnel),
en nousinspirant
de la remar-que suivante :
On a vu au
paragraphe
1 quel’opération
dedéplacement
dans le temps,qui
définitimplicitement
la dimension « temps », doit satisfaire les rela- tions :Il est essentiel de remarquer que ce
système
esthomogène
par rapport àl’opérateur -,
et est parconséquent
invariant sous toutes les transfor-dt
mations de coordonnées t =
f (t’).
UnLagrangien
conduisant à l’hamilto- nien(24)
devra admettre le groupe des transformations de coordonnéesgénérales (à
unedimension)
comme grouped’invariance,
cequi implique
l’introduction d’un
champ métrique.
L’équation
d’évolution duchamp
({J étant du typeKlein-Gordon,
nouspartirons
donc duLagrangien correspondant écrit,
conformément à la remarqueprécédente,
sous la forme covariante :(5) Notons que si de façon générale on écrit
on pourrait évidemment partir du Lagrangien du type de Dirac, L = ia + a - ma+a, qui
donne l’équation d’évolution a + = ima+, et l’hamiltonien H = ma+a. Si on postulait alors
des relations d’anticommutation du type (22), on retrouverait les résultats précédents. Toute-
fois ce Lagrangien ne nous semble pas intéressant car : 1) il ne peut pas être écrit en terme des
quantités ~p et cp, et 2) il faut postuler la statistique de Fermi.
où ---0 ç ==
Ç. Rappelons
que,eo(t)
étant unchamp
de vecteurs de. 8x
base de la variété à une
dimension,
le tenseurmétrique
est défini enchaque point
pargoo(t)
= le tenseur contra variant associé par~~
=L’élément de « temps propre » étant défini
par ds
=l’intégrale
d’action s’écrit :
la densité
lagrangienne correspondant
à L étantA la densité
lagrangienne
duchamp
cp, nousajouterons
la densitélagran- gienne
duchamp métrique :
La densité
lagrangienne
totale + s’écrit doncÀ étant une constante arbitraire
(qui
sera fixéeplus
loin par laquantifi- cation).
Nous allons
appliquer
leprincipe
variationnel aux deuxchamps
ç et eo(eo jouant
le rôle duchamp
y ; un résultat de laquantification
sera dureste eo = y défini par
(21)).
La variation par rapport à eo donne :
On reconnaît
l’équation
de la «gravitation »
à une dimension :Le moment
conjugué
de ({J est :où
cpo - L’équation
d’évolution s’écrit alors200 G. CLÉMENT ET B. JOUVET
Vo
étant lesymbole
de la dérivation covariantesoit
explicitement
Les deux
équations
deLagrange (29)
et(31)
ne sont pasindépendantes,
la deuxième pouvant être obtenue en dérivant la
première.
Enfin l’hamiltonien est de la forme H =
Hep
+HG,
oùd’après (29),
etOn obtient donc :
Ce résultat peut être
interprété
de lafaçon
suivante : dans la théorie deschamps usuelle,
lamétrique
est(implicitement)
introduite comme unchamp
externe,qui
fixe le cadre par rapportauquel
les autreschamps évoluent ; ici,
ayant rendu sa libertédynamique
auchamp métrique,
nous avons du même coup
perdu
lapossibilité d’observer,
dans un cadrefixé,
l’évolution dusystème
- une évolution étanttoujours
relative.b) Quantification.
Pour réintroduire dans la théorie la notion d’évolution
(et
donc dedimension
temporelle),
nous sommes amenés àdistinguer
deux aspects duchamp métrique :
lechamp
«microscopique »
etquantique
eo en inter- action avec lechamp
de matière ({J, et lechamp métrique
«macroscopique »
et
classique qui
sert de cadre deréférence,
et que l’on peut définir comme(
eo)o, la
valeur moyenne sur le vide de eo. Enconséquence,
nous modifie-rons le
Lagrangien
propreif G
duchamp métrique,
en yremplaçant
lechamp microscopique
eo par lechamp macroscopique eo>o. Nous
partirons
donc maintenant de la densitélagrangienne quantique :
Les
équations
deLagrange (29)
et(31)
ne sont pas modifiées(puisque
si le vide est
norme, ~(~0~0=~0
pour une variationarbitraire).
On a .donc
toujours H" = Àeo ;
par contre l’hamiltonienH~
+HG
est mainte-nant :
et a pour
conséquence
immédiate queLes
champs classiques
ç et eo étantindépendants,
nous sommes"con- duits àimposer
sur lesopérateurs correspondants
la contrainte d’indé-pendance :
Complétons
maintenant laquantification
en écrivant que H est legéné-
rateur des translations dans le temps :
quel
que soitl’opérateur
0. Notons que l’hamiltonienH,
commutantavec
lui-même,
est conservé(au
sens dé la dérivéecovariante) ;
ceci est enaccord avec le fait que
VoH
= 0 par définition de la dérivée covariante.Calculons (fJo
en
utilisant(40).
Si leschamps indépendants
~p et eo com-mutent,
({Jo estidentiquement
nul. L’existence d’unedynamique impose
donc :
on trouve alors :
dont une
conséquence
est enparticulier
que (fJo anticommute avec cp et eo.. D’autre part on en tire :
d’où,
en comparant avec(29) :
soit nos deux contraintes fondamentales.
202 G. CLÉMENT ET B. JOUVET
En
appliquant (40)
àl’opérateur
d’après (42) ; donc,
en comparant avecl’équation
d’évolution(31) :
ce
qui
veut direqu’on
ne peutquantifier
lesystème,
à l’aide de(40)
et(41),
que si / =
2 .
Les contraintes
(43)
deviennent alors :A l’aide de
(45)
la relation(42)
donne :c’est-à-dire que le courant
conservé y
= eo associé à ç est aussi le « courant » du temps. Nous avons ainsi construit le temps àpartir
duchamp
cp.En utilisant les relations
précédentes, (30)
devient :et
(45)
entraîneSeule cette relation a un aspect «
canonique »,
pour unçhamp
({J suivant lastatistique
de Fermi.Maintenant que nous avons
épuisé
les informationsqui
peuvent être tirées duLagrangien (36),
nous feronsl’hypothèse
que goo est un nombre(comme
nous l’avonssupposé précédemment
pourl’opérateur ~2,
du(6) Dans une métrique goo = 1, eo est un champ ~ satisfaisant à (6). On peut définir une
masse associée à ce champ à l’aide des relations (14) et (15), qui donnent ici
soit (44). La constante 2~ joue donc le rôle d’une « masse » associée au champ métrique, égale d’après (44) à la masse du champ (~.
reste
proportionnel
à good’après (45)),
cequi
permet del’interpréter
commele tenseur
métrique
usuel.De
plus
nous pouvons choisir unsystème
de coordonnéesparticulier ;
le groupe de Lorentz
homogène
à une dimension étant réduit au seul renversement du temps, nous pouvons choisir :.
Nous
interpréterons
doncl’opérateur
eo en disant que lesigne
de sesvaleurs propres
indique
dansquel
sens s’écoule le temps.Soient 1 + > et 1 - >
les deux états propres de eo définis parD’après (37),
Écrivons
maintenant que le vide est l’état deplus
basseénergie.
Ceci revientà définir :
Alors eo
>0 = - 1,
doncet
CONCLUSION
Nous pensons avoir montré que, dans le modèle
simpliste étudié,
leproblème
de ladynamique
deschamps complètement auto-composés
est résoluble si on se limite à une seule
dimension,
« le temps », etqu’une
solution non triviale des
équations auto-composées
peut être obtenue en construisant simultanément la matière et lamétrique
par rapport àlaquelle
celle-ci évolue. Il serait intéressant d’étudier ce
qui
se passelorsqu’on
accroît le nombre de
dimensions, problème
délicat à résoudre car on peuts’attendre à ce
qu’aux
difficultésquantiques
se superposent celles de la relativitégénérale ;
il estcependant possible
que la démarcheenvisagée
204 G. CLÉMENT ET B. JOUVET
fournisse un moyen de
comprendre pourquoi
notre univers aprécisément
quatre
dimensions,
et lamétrique
de Lorentz.Par
ailleurs,
notre tentative montre que deschamps auto-composés
doivent satisfaire des relations de
commutation, qui
ne sont pas nécessaire- ment en accord avec lacorrespondance
usuelle entrespin
etstatistique Q.
Il est
possible
quel’équation d’auto-composition
dont nous sommespartis
n’admette pas de solutionphysiquement acceptable
si l’on restreintle
champ §
à être un scalaire évoluant dans un univers à une seuledimension,
mais que cette difficultédisparaisse
dans un cadreplus large
incluant parexemple
les groupeshadroniques.
Par ailleurs il se peut que la difficultéapparente
d’unestatistique
anormale pour lechamp ~,
mais non pour son courant, soit sans inconvénientphysique
dans une théorieplus générale,
si ce
champ
n’est pas directement observable(8).
Il est intéressant de rappro- cher un telpoint
de vue du fait que lesquarks,
dont lespropriétés
statis-tiques peuvent
être inhabituelles[5 ],
n’aient pas été àce jour
observés.Signalons
enfin que le programme, ébauchéici,
de la construction simul- tanée de la matière et del’espace-temps
àpartir
d’un ou dequelques champs
fondamentaux
peut permettre
de poser d’unefaçon
nouvelle leproblème
d’une éventuelle unification des groupes
hadroniques
avec le groupe de Lorentz.RÉFÉRENCES
[1] B. JOUVET et J. C. LE GUILLOU, Nuovo Cimento, 10, 49, 1967, p. 677.
[2] M. M. BROIDO et J. G. TAYLOR, Physical Review, 147, 4, 1966, p. 993.
[3] G. FEINBERG, Rockefeller University Preprint, 1967.
[4] J. C. LE GUILLOU, à paraître au Nuovo Cimento.
[5] O. W. GREENBERG, Physical Review Letters, 13, 20, 1964, p. 598.
Manuscrit reçu le 18 septembre 1967.
C) Des relations d’anticommutation pour un champ de spin 0 ont été envisagées, dans un
autre contexte, par G. Feinberg [3].
($) Un exemple théorique d’un champ qui, bien que composant d’autres champs, n’appa-
raît pas dans les équations dynamiques de ces champs, a été fourni par J. C. Le Guillou [4].