熱量子場論

在理論物理中，熱量子場論 (簡稱熱場論) 或有限溫度場論 (finite temperature field theory) 是計算在有限 (不為零的) 溫度下，量子場論中物理可觀察量之期望值的方法。

在 (Matsubara formalism) 中，一個運算子在熱系綜的期望值
: \langle A\rangle=\frac{\mbox{Tr}\, [\exp(-\beta H) A]}{\mbox{Tr}\, [\exp(-\beta H)]}
可以被量子場論中以虛數時間 \tau=-it(0\leq\tau\leq\beta) 所演化的期望值所表示。

由於使用虛數時間，計算上可以使用歐幾里得度量的時空。式中的跡 (\mbox{Tr}) 要求所有的玻色場在歐幾里德時間方向 \tau 上皆有週期為 \beta = 1/(kT) 的週期性，而費米場則有反週期性 (這裡使用自然單位 \hbar = 1)。此方法讓我們能夠使用量子場論中已存在的技巧，如和費曼圖等，並將其中的時間修改為緊緻的歐幾里德時間來做計算。同時，正規順序 (Normal Ordering) 的定義也必須被修改。

在動量空間下，這對應於將原本連續的頻率，以離散的虛數 (松原) 頻率 v_n = n / \beta 取代。透過德布羅意關係，這對應於離散的熱能量頻譜 E_n = n K T 。這樣的方法被證明對研究量子場論在有限溫度下的現象很有效

，並且已經被推廣到規範場論，是研究楊-米爾斯理論中去禁閉 (deconfining) 相變猜想的重要工具。

在歐式空間場論中，實數時間下的可觀測量可以由解析延拓獲得。

有限溫度場論，除了使用非真實的虛數時間來計算，還有兩種使用實數時間 (real-time formalism) 的方法。

第一種是依路徑排序 (path-ordered) 的實數時間方法，其包含了 及其他更近代的版本。

後者將一條原本從負的(大的)初始時間 t_i 出發到 t_i - i\beta 的直線路徑，取代為一條先經過正的(大的)實數時間 t_f 再適當的回到 t_i - i\beta 的路徑。

事實上，真正需要的是一段經過實數軸的路段，而前往終點 t_i - i\beta 所選的路線是較不重要的。

這樣以區段 (piecewise) 方式組成的複數時間路徑，造成場的數量增倍以及更複雜的費曼規則，不過卻避免了使用虛數時間方法所需的解析延拓。
另一種實數時間方法稱為熱場力學 (thermo field dynamics)，是一種以運算子為基礎，使用勃格留波夫變換 (Bogoliubov transformation) 的方法。

就如費曼圖和微擾論等方法一樣，其他技巧如色散關係 (dispersion relations) 和有限溫度的 Cutkosky rules 也都可以在實數時間方法中使用。

另一種在數學物理上感興趣的方法是使用 來處理。

參閱
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參考文獻