background image

Path Integrals in Quantum Theories: 

A Pedagogic First Step 

As  I  have  mentioned  elsewhere  (

Quantum  Field  Theory:  A  Pedagogic  Intro

)

1

,  I  strongly 

believe  it  far  easier,  and  more  meaningful,  for  students  to  learn  QFT  first  by  the  canonical 

quantization method, and once that has been digested, move on to the path integral (many paths) 

approach.  Hopefully, the material below will help such students, as well as those who are forced 

to begin their study of QFT via path integrals. 

1  Background Math: Examples and Definitions 

1.1  Functionals 

Functionals  form  the  mathematical  roots  of  Feynman’s  many  paths  approach  to  quantum 

theories.  A functional is simply a function of another function. 
Example:  Kinetic energy  

2

1

2

T

mv

=

 where 

v

(

t

).  

T

 is a function of 

v

, and 

v

 is a function of 

t

Definition(s):  A functional is 1) a function of a function, OR equivalently, 2) a function of a 

dependent variable, OR equivalently, 3) a mapping of a function to a number. 
Symbolism: 

 

[ ]

[

]

( ) or

( ), ( )

F x t

F x t x t

 

(1) 

The  square  bracket  notation  is  common,  but  not  always  used.    Mathematically, 

x

  and 

t

 

represent  any  function  and  its  independent  variable,  though  in  physical  problems,  they  are 

typically  spatial  position  and  time,  respectively.    Functionals  are  often  dependent  on  the 

derivative(s) of a function, as well as the function itself, as in the RHS of (1).  Total energy, with 

potential  energy  dependent  on 

x

(

t

)  and  kinetic  energy  dependent  on  ( )

x t

,  is  one  example.  

Additionally, a functional could also be a direct (rather than indirect as in (1)) function of 

t

, i.e. 

 

[

]

( ), ( ),

F x t x t t

(2) 

1.2  Functional Derivative 

Definition: A functional derivative is simply the derivative of a functional (

F

 above) with respect 

to a function upon which it depends (

x

 above). 

Symbolism: 

 

or

( )

F

F

x t

x

δ

δ

δ

δ

 

(3) 

The 

δ

 notation is common, though the partial derivative symbol   is often used instead. 

1.3  Functional Integral 

Definition:  A functional integral is the integral of a functional with respect to a function upon 

which it depends. 
Symbolism: 

 

or

( )

b

b

a

a

x

x

x

x

F x

F x t

δ

δ

 

(4) 

background image

 

In the literature, one may find use of the usual differential symbol 

d

 instead of 

δ

2  Different Kinds of Integration with Functionals 

The value of a functional 

F

 of a physical system, such as a particle, is dependent on where it 

is in space and time, i.e., 

x

(

t

) and 

t

 in (1) are then considered spatial position and time.  Further, 

one  can  integrate  a  functional 

F

  in  different  ways  over  its  path  in  space  and  time,  or  over 

projections of that path.  Several of these are depicted in Table 1 below.  The first three kinds of 

integration shown below are fairly self explanatory.  We comment on the fourth after the table. 
 

Table 1.  Some Ways to Integrate Functionals 

Type of 

Integration 

Graphically 

Math 

Comment & 

Use in Physics 

1. 

Area over the 

path in 

x(t) 

vs.

 t

 space 

 

b

a

s

s

Fds

 

where 

s

 is 

distance 

along path 

No real physical 

application. 

2. 

Projection of 

the area in 1 

onto the 

F-t

 

plane 

 

b

a

t

t

Fdt

 

If 

F=L

, the Lagrangian, 

then this integral = 

S

the action. 
Classically, 

S

 = 

minimum (or 

stationary) for physical 

paths 

3. 

Projection of 

the area in 1 

onto the 

F-

x

(

t

) plane 

 

( )

b

a

x

x

F x t

δ

 

This is the usual 

definition of 

“functional integral”  
This is starting point for 

4, below 

4. 

Simultaneous 

integration 

over all 

possible paths 

in 3 

 

( )

b

a

x

x

F x t

 

QM & QFT Feynman 

path integral approach.  

 symbol implies a 

sum of the integrals of 

all paths in 3, not just 

the classical path 

s

b

s

a

t

x(t)

F

[

x(t)

]

path in 

x-t

 

space

F

along path

 

t

x(t)

F

[

x(t)

]

projection onto

F-t

plane

t

b

 

t

a

t

x(t)

F

[

x(t)

]

projection onto

F-x

plane

 

x

a

x

b

t

x(t)

F

[

x(t)

]

4 of an infinite 

number of paths

 

b

a

.

.

background image

 

 
The fourth way to integrate above is not simple, nor is its purpose at all obvious at this point.  

We devote entire sections below to explaining its origin, its value, and means to evaluate it.  So, 

for now, just let it float easily through your head and don’t bother straining to understand it. 
Alternative nomenclature:  Because functional integrals are integrated over particular paths (in 

x-

t

 space in above examples), they are often also referred to as path integrals. 

3  The Transition Amplitude 

3.1  General Wave Functions (States) 

Recall from QM wave mechanics, that for a general normalized wave function 

ψ

 equal to a 

superposition of energy eigenfunction waves (which are each also normalized), 

 

1 1

2

2

3 3

A

A

A

ψ

ψ

ψ

ψ

=

+

+

(5) 

A

1

 is the amplitude of 

ψ

 

1

, so the probability of finding 

ψ

 

1

 upon measuring is 

 

2

*

1 1

1

A A

A

=

(6) 

If  we  were  to  start  with 

ψ

  initially,  and  measure 

ψ

 

1

  later,  the  wave  function  would  have 

collapsed, i.e., underwent a transition to a new state.  (6) would be the transition probability. 
Definition:    The  transition  amplitude  is  that  complex  number,  the  square  of  the  absolute 

magnitude  of  which  is  the  probability  of  measuring  a  transition  from  a  given  initial  state  to  a 

specific final state. 
Symbolism:  The transition amplitude is often written as 

 

( ,

; )

i

f

U

T

ψ ψ

(7) 

implying an initial state 

ψ

i

, a final state 

ψ

f

, and an elapsed time between measurements of the 

two of 

T

This  terminology  carries  over  to  QFT  when  particles  change  types.    For  example,  the 

probability that an electron and a positron would annihilate to create two photons would be the 
square of the absolute value of the transition amplitude between the initial (e

– 

, e

+

) and final (2 

γ

states.  (Almost all of QFT is devoted ultimately to determining the transition amplitudes for the 

different possible interactions between particles.) 
Schroedinger Approach Amplitudes 

We  can’t  get  into  explaining  it  here  (for  those  who  may  not  know  it  already),  but  the 

Schroedinger approach to QM leads to an expression of the transition amplitude of form 

 

/

initalstate

final state

at

measured

at 

evolved state

  at 

( ,

; )

a

a

a

iHT

i

f

f

i

t

T t

T t

U

T

e

ψ ψ

ψ

ψ

+

+

=

(8) 

where 

H

 is the Hamiltonian operator. 

background image

 

Alternative  nomenclature:  The  transition  amplitude 

U

  is  sometimes  called  the  propagator 

(though 

not

  the  “Feynman  propagator”  of  QED)  because  it  is  the  contribution  to  the  wave 

function at 

f

 at time 

T

 from that at 

i

 at time 0.  It “propagates” the particle from 

i

 to 

f

3.2  Position Eigenstates 

When  the  particle  has  a  definite  position,  e.g., 

x

i

,  the  wave  function  is  an  eigenstate  of 

position, and the ket is written |

x

>

.  The transition amplitude for measuring a particle initially at 

x

i

, and finally at 

x

f

, would take the form 

 

/

evolved state

( , ; )

iHT

i

f

f

i

U x x T

x e

x

ψ

=

 . 

(9) 

 In wave mechanics notation, |

x

i

>

 and 

|

x

f

>

  are  both  delta  functions  of  form 

δ

(

x-x

i

) and 

δ

(

x- x

f

), the first of which 

is  represented  schematically  on  the 

left  in  Figure  1.    As  the  initial  state 
evolves into 

ψ

, however, it, like wave 

packets  generally do, spreads,  and its 

peak  diminishes  (see  wave  function 

envelope  on  right  side  of  Figure  1.)  

The  amplitude  for  measuring  the 

particle  at  time 

T

  at 

x

f

,  i.e.,  for 

measuring  a  delta  function  |

x

>

  that 

collapsed from 

ψ

, is (9). 

We can re-write (9), in wave mechanics notation as 

 

( , ; )

(

) ( , )

( , )

i

f

f

f

U x x T

x x

x T dx

x T

δ

ψ

ψ

+∞

−∞

=

=

(10) 

Thus, 

 

2

( , ; )

*( , ) ( , ) probability density at

i

f

f

f

f

U x x T

x T

x T

x

ψ

ψ

=

=

(11) 

 

Modification to definition:  Hence, the square of the absolute value of the transition amplitude 

for  eigenstates  of  position  is 

probability  density

not

 

probability

,  as  was  the  case  for  energy 

eigenstate wave functions of form (5). 

As we will see, the value found using the RHS of (9), i.e., that of the Schroedinger approach, 

is the same as the value found using Feynman’s many paths approach. 

4  Expressing the Wave Function Peak in Terms of the Lagrangian 

4.1  Background 

One  of  Feynman’s  assumptions  for  his  path  integral  approach  to  QM  and  QFT  was  to 

express  the  wave  function  value  at  the  peak  of  a  wave  packet  (see  Figure  1)  in  terms  of  the 

Lagrangian  (exact  relation  shown  at  the  end  of  this  section  4).    I  have  never  seen  much 

dx

Dirac delta 

function

dx

Wave 

function 

envelope at 

time 

T

Wave 

function 

envelope at 

time = 0

x

f

x

i

| |

Peak velocity = 

Group velocity

 

v

x

 

 

Figure 1. Propagation of a Position

Eigenstate Quantum Wave

background image

 

justification for this in the literature, other than it is simply an assumption that works (so learn to 

live with it and move on!) 

In the present section I have taken a different tack, by providing rational for why we could 

expect Feynman’s form of the wave function peak to work.  The logic herein may well parallel 

what went on in Feynman’s mind as he was developing his path integral approach. 

4.2  Deducing Feynman’s Phase Peak Relationship  

4.2.1  The Simplified, Heuristic Argument 

In QM, the plane wave function solution to the Schroedinger equation, 
 

(

) /

i Et i

Ae

ψ

− ⋅

=

p x

 , 

(12) 

means the phase angle, at any given 

x

 and 

t

, is 

 

(

) /

Et

φ

= −

− ⋅

p x

  . 

(13) 

If we have a particle wave packet, it is an aggregate of many such waves, so it is not in an 

energy  or  momentum  eigenstate.    However,  it  does  have  energy  and  momentum  expectation 

values that correspond to the classical values for the particle.  The wave packet peak travels at 

the wave packet group velocity, which corresponds to the classical particle velocity. 

Now, imagine we approximate the wave packet with a (spatially short) wave function such 

as 

ψ

, where 

E

 and 

p

 take on the values of the wave packet expectation values for energy and 

momentum, respectively.  If 

x

 represents the position of the wave packet peak (the middle of our 

approximated wave function 

ψ

), the time rate of change of phase at the peak is then 

 

(

)

d

E

T V

dt

φ

− − ⋅

− − + ⋅

=

=

p v

p v

 , 

(14) 

where 

v

 is the velocity of the wave peak, 

T

 is kinetic energy, and 

V

 is potential energy.  Non-

relativistically,  

 

2

1

2

T

mv

m

=

=

p

v

(15) 

so, in terms of the classical Lagrangian 

L

 

d

T V

L

dt

φ

=

=

 . 

(16) 

More formally, using the Legendre transformation 
 

(

here)

i i

L p q H

L

E

=

= ⋅ −

p v

(17) 

directly in (14), we get (16). 

Thus, from (16), the phase difference between two events the particle traverses is 

 

L

S

dt

φ

=

=

 , 

(18) 

where 

S

 is the classical action of Hamilton.  The classical path between two events is that for 

which the Hamiltonian action is least.  Note that (18) is an integral of type 2 in Table 1. 

Hence, the wave function at the peak could be written in terms of the Lagrangian as 

background image

 

L

S

i

dt

i

peak

Ae

Ae

ψ

=

=

 . 

(19) 

This  is  the  typical  starting  point  assumption  when  teaching  the  Feynman  path  integral 

approach (still to be developed beginning in Section 5.) 

In relativistic quantum mechanics (RQM) and quantum field theory (QFT), we get a solution 

form  similar  to  (12)  (differing  only  in  the  normalization  factor 

A

),  and  thus  (14)  is  also  true 

relativistically.  Further, since (17) is true relativistically, as well, then so are (16), (18), and (19). 

4.2.2  More Precise Argument 

The  precise  expression  for  a  QM  particle  wave  packet

2

,  where  overbars  designate 

expectation (classical) values; 

v

g

, the group (peak, classical) velocity; and 

g

(

p

), the momentum 

space distribution is 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

2

1 for

peak,

time depend

real

i.e., for

&complex

2

( ) for

1

( , )

( )

2

g

peak

g

x

x v t

i t

i

i

p p

Et px

v t x p p

m

A t

x x

x t

e

g p e

e

dp

ψ

π

+∞

−∞

=

=

=

=

=

(20) 

We are interested in the value of (20) at the peak, 

ψ

(

x

peak

,

t

), where 

x

peak 

=

 v

t

.  To begin, 

note  that  with 

x=x

peak

  inside  the  integral,  the  exponent  of  the  second  factor  in  the  integrand 

equals  zero,  and  so  that  factor  equals  one.    The  function 

g

(

p

)  is  typically  a  real,  Gaussian 

distribution in 

p p

, and independent of time.  The third factor in the integrand is complex and 

time dependent. 

Thus, with 

x=x

peak

, the integral in (20) is a function (generally complex) only of time, which, 

along with the factor in front, we will designate as 

A

(

t

).  Thus, for the entire history of the wave 

packet, the wave function value at the peak is 

 

(

)

(

, )

( )

peak

peak

i Et px

x

t

A t e

ψ

=

(21) 

Except for the time dependence in 

A

(

t

), this is equivalent to (12), as the expectation values 

for 

E

 and 

p

 equal the classical values for the particle.  So, with regard to the exponent factor in 

(21), all of the logic from (13) through (19) applies here as well.  The final result is so important, 

we repeat it below, with 

L

 being the classical particle Lagrangian, 

T

 representing the time when 

the peak is detected, and phase at 

t

 = 0 taken as zero.  The RHS comes from (10). 

(

)

0

,

( )

( )

( , , )

T

peak

i

f

L

S

i

dt

i

x

T

A T e

A T e

U x x T

ψ

=

=

=

 

(22) 

We evaluate 

A

(

t

) exactly in the Appendix. 

Definition:  Borrowing a term from electrical engineering, we will herein refer to 

e

i

φ

 as a phasor. 

5  Feynman’s Path Integral Approach: The Central Idea 

Feynman’s remarkable idea takes a little getting used to.  He reasoned that a particle/wave 

(such  as  an  electron)  traveling  a  path  (world  line  in  spacetime)  between  two  events  could 

actually be considered to be traveling along all possible paths (infinite in number) between those 

events.   

background image

 

Difficult  as  it  may  be,  initially,  to  believe,  we  will  see  below  that  the  result  from 

superimposition of the phasors from all of these paths gives us the same result as if we used the 

standard  QM  theory  of  Schroedinger  with  a  single  wave.    The  two  different  approaches  are 

equivalent. 
Definition:    Feynman’s  method  is  called  the  “path  integral”,  “many  paths”,  or  “sum  over 

histories” approach to QM (and QFT). 

Note that the paths do not have to satisfy physical laws like conservation of energy, 

F

=m

a

least action, etc.  Moreover, each possible path is considered equally probable. 

We  will  lead  into  the  formal  mathematics  of  the  many  paths  approach  by  first  examining 

simple situations with a finite number of paths between two events. 

6  Superimposing a Finite Number of Paths

3

 

6.1  The Rotating Phasor 

The phasor of (22) can be expressed in the complex plane as a unit length vector with angle 

φ

 relative to the real positive (horizontal) axis.  As time evolves this vector rotates at the rate 

L/

i.e., the total phase 

L

dt

φ

=

.  So we can picture the phasor 

as a unit length vector rotating like a hand on a clock in a 2D 

complex plane (though it is a counterclockwise rotation). 

For the purposes of Feynman’s approach, we can consider 

the  particle  as  a  wave  packet  with  phase  at  the  peak 

determined  by  (22),  and  our  final  measurement  a  position 

eigenstate  measured  at  the  packet  peak.    We  then  imagine  a 

different  wave  packet  following  each  one  of  the  infinitely 

many  paths  between  two  specific  events.    We  visualize  the 

phasor at the peak for each of these paths as a vector rotating in the complex plane as time passes 

(i.e., as the wave packet peak moves along the path), eventually having a particular value at the 

final event, the arrival place and time.  Each path will have a different final phase. 

6.2  Several Paths Graphically 

Fig. 24 in Feynman’s book 

QED: The Strange Theory of Light and Matter

4

, is an insightful, 

somewhat heuristic, illustration of the many paths concept for light.  Since we wish to focus, for 

the  time,  on  non-relativistic  quanta,  we  employ  a  similar,  and  at  least  equally  heuristic, 

illustration in Fig. 3 for an electron rather than a photon.  In Fig. 3 an electron is emitted at event 

a,  reflected,  like  light  from  a  mirror,  off  of  a  scattering  surface,  and  detected  at  point  b.    The 

scattering  surface  might  be  difficult  to  construct  in  practice,  but  one  can  imagine  a  surface 

densely packed with tightly bound negative charge. 

We look at a representative 15 different paths for the electron, out the infinite number in the 

many paths approach, and label them with letters A to O.  Each path takes the same time 

T

.  Note 

that path H is the classical path, having equal angles of incidence and reflection.  Since it is the 

shortest, particle speed for that path is lowest. 

The Lagrangian here is simply the kinetic energy, and this is constant, though different, for 

each path.  Since speed is least for the classical path H, it has the smallest Lagrangian, and thus 

e

i   L/ dt

=  L/ dt

φ

Re

Im

 

 

Figure 2. Rotating Phasor

background image

 

the  least  action.    The  other  paths  do  not  obey  the 

usual  classical  laws,  such  as  least  action,  equal 

angles  of  incidence  and  reflection,  etc.    But 

according  to  Feynman’s  approach,  we  have  to 

include all of them. 

From  (22)  and  Fig.  2,  we  can  determine  the 

phasor 

e

iS/

 of (22) for the particle/wave arriving at 

event  b,  for  each  path,  where 

S

  = 

LT  =

  ½ 

mv

2

T

.  

The  phasor  direction  in  complex  space  for  each 

path  at  the  detection  event  b  is  depicted  in  the 

middle of Fig. 3. 

The  bottom  part  of  Fig.  3  shows  the  addition 

of  the  final  event  phasors  for  all  15  paths.    Note 

that the paths further from the classical path H tend 

to  cancel  each  other  out,  because  they  are  out  of 

phase.  Conversely, H and the paths close to H are 

close  to  being  in  phase,  and  thus,  reinforce  each 

other via constructive interference.  So, the primary 

contributions  to  the  phasor  sum  are  from  those 

paths close to the classical path. 

If we were to increase the number of paths, the 

jaggedness of the curve formed by the 15 phasors 

would  smooth  out,  but  its  basic  overall  shape 

would remain essentially the same.  If we were to 

increase  the  Lagrangian,  while  keeping  speed  the 

same  for  each  path  (i.e.,  increasing  mass  of  the 

particle), phasors now near the middle of the curve 

would  shift  towards  the  ends,  and  thus,  be 

cancelled  out  via  interference.    In  other  words, 

increasing  mass  brings  us  closer  to  the  classical 

case,  and  the  paths  closer  to  classical  then  make 

greater  contributions  to  the  final  sum.    A  similar  effect  would  occur  if  the  value  for  Planck’s 
constant were smaller.  As     0, all paths but H would tend to cancel out. 

Footnote:

 

I used to think that increasing mass, and thus getting closer to the classical situation, would bring the 

phase angle of the sum-of-all-paths phasor in directional alignment with H, the classical path phasor (or at least with 

U

 of (22).)  However, this is not the case.  The important thing in Feynman’s approach is not the phase of the sum-

of-all-paths phasor, but its 

length

, which is proportional to |

U

|.  And this length gets greater contribution from paths 

nearer H than from those further away. 

 

Note  that  in  order  to  get  a  graphically  significant  Fig.  3,  I  had  to  use  a  value  for    almost  eight  orders  of 

magnitude greater than the actual value.  Otherwise the phase angles between adjacent paths, for the relatively large 

spacing  between  paths  of  the  figure,  would  have  resulted  in  a  seemingly  random  hodgepodge  of  phasors,  and 

obscured, rather than

 

illumined, the real physics involved.

 

If you would like to experiment with changing values for mass,  , and number of paths yourself, download the 

Excel spreadsheet 

Many Paths Graphic Electron Reflection

5

 .  End footnote. 

Many Paths Electron Reflection

B

A

C D E F G H I

J K L M N O

a

b

electron

scattering
surface

electron
emission

electron
detection

 

 

 

Action

A B C D E F G H I

J K L M N O

Phasor direction of each path at event b

 

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

Im

Phase Addition of All Paths at Event b

Re

 

 

Figure 3. Graphical Justification for

Many Paths Approach

background image

 

Feynman  intuited  that  the  amplitude  of  the  final  phasor  sum  was  extremely  meaningful.  

That  is,  the  square  of  its  absolute  value  (i.e.,  the  square  of  its  length  in  complex  space)  was 

proportional (approximately, for a finite number of paths; exactly, for an infinite number) to the 

probability  density  for  measuring  the  photon/particle  at  event  b.    What  we  mean  by 

“proportional” should become clearer after the following three sections. 

6.3  Many Paths Mathematically 

Consider  particle  paths  similar  to  those  of  Fig.  3,  where  the  wave  function  peak  for  path 

number 1, with 

A

1

(

T

) as in (22),  as 

 

1

/

1

1

( )

iS

peak

A T e

ψ

=

(23) 

In the spirit of the prior section, one considers the phasor of (23) 

without

 

A

1

(

t

) as representing the 

particle, AND that particle is considered to simultaneously travel many paths between events a 

and b.  Then, the summation of the final phasors for each path is expressed mathematically as 

 

 

3

sum

1

2

/

/

/

.....

iS

i

iS

iS

b

e

e

e

A e

φ

+

+

+

=

 

(24) 

where 

A

b

 is the amplitude of the sum.  As the number of paths approaches infinity, |

A

b

|

2

 becomes 

proportional to the probability density of measuring the particular final state

 

at event b.  That is, 

 

sum

sum

2

2

2

/

1

lim

( , , )

 (probability  density)

j

N

iS

i

i

b

i

f

b

b

j

N

e

A e

U x x T

A e

A

U

φ

φ

=

→∞

=

=

. (25) 

We will learn how to evaluate the limit in (25). 

6.4  Another Example 

Consider  a  double  slit  experiment  with  a  classical  Huygen’s  wave  analysis  showing 

alternating  fringes  of  light  and  dark,  which  via  the  classical  interpretation  is  caused  by 

constructive and destructive interference of light/electron waves. 

By  the  Schroedinger  wave  approach,  a  single  quantum  wave  travels  through  both  slits, 

interferes  with  itself,  either  constructively  or  destructively,  to  result  in  a  wave  amplitude  that 

varies with location along the receiving screen.  The probability density (square of the amplitude 

absolute  value)  of  finding  a  photon/electron  also  varies  with  that  screen  location.    So  as  the 

quantum  waves  collapse,  one  at  a  time,  on  the  screen,  they  tend  to  collapse  more  often  in  the 

high  probability  (high  magnitude 

amplitude) 

regions. 

 

These 

correspond  to  the  bright  fringe 

regions,  which,  with  enough 

individual  quanta  collapsing  on  the 

screen, are seen by the human eye. 

In the many paths approach, for 

any particular spot on the screen, we 

would  add  the  phases  of  every 

“possible”  path  from  the  emission 

point,  through  one  slit,  to  that  spot 

(

x

f

,

y

f

),  plus  all  paths  through  the 

other slit to the spot.  See Figure 4.  

x

y

screen

double slit barrier

various paths

x

f

y

f

,

|

U

(

)|

f

2

source

 

 

Figure 4. Double Slit Experiment in

Many Paths Approach

background image

 

10 

The  result  would  be  proportional  to  the  amplitude  at  the  spot  found  in  the  Schroedinger 

approach.  That is, the sum of all phasors at 

x

f

,

y

f

  (see (25)) yields 

 

/

1

lim

( , ; , ; )

j

N

iS

i

i

f

f

j

N

C

e

U x y x y T

=

→∞

=

(26) 

where 

C

 is some constant. 

We would then repeat that procedure for every other point on the screen.  Since, for a fixed 

source at 

x

i

,

y

i

 , and a fixed 

x

f

  for the screen, the amplitude would be spatially only a function of 

y

f

, and we could express it simply as 

U

(

y

f

). 

6.5   Finding the Proportionality Constant: By Example 

The square of the absolute value of the amplitude 

U

 is the probability density.  So we can 

normalize 

U

 over the length of the screen, i.e., 

 

2

2

/

1

lim

( )

1

f

f

j

f

f

N

y

y

iS

f

f

f

y

y

j

N

C

e

dy

U y

dy

=+∞

=+∞

=−∞

=−∞

=

→∞

=

=

(27) 

and thus, once the value of the limit is determined, readily find the proportionality constant 

C

7  Summary of Approaches 

7.1  Feynman’s Postulates 

Richard Feynman was probably well aware of much of the foregoing when he speculated on 

the viability of the following three postulates for his many paths approach.  Subsequent extensive 

analysis by Feynman and many others has validated his initial speculation. 

The postulates of the many paths approach to quantum theories are: 
1.

 

The phasor value at any final event is equal to 

e

iS/

 where the action 

S

 is calculated along 

a particular path beginning with a particular initial event. 

2.

 

The probability density for the final event is given by the square of the magnitude of a 

typically complex amplitude. 

3.

 

That amplitude is found by adding together the phasor values at that final event from all 

paths  between  the  initial  and  final  events,  including  classically  impossible  paths.  

The  amplitude  of  the  resultant  summation  must  then  be  normalized  relative  to  all 

other  possible  final  events,  and  it  is  this  normalized  form  of  the  amplitude  that  is 

referred to in 2. 

Note two things. 

First, there is no weighting of the various path phasors.  The nearly classical paths are not 

weighted more heavily than the paths that are far from classical.  That is, the different individual 

paths in the summation do not have different amplitudes (see (24) and Fig. 3).  The correlation 

with the classical result comes from destructive interference among the paths far from classical, 

and constructive interference among the paths close to classical. 

background image

 

11 

Second, time on all paths (all histories) must move forward.  This is implicit in the exponent 

phase value of (19), where the integral of 

L

 is over time, with time moving forward.  Our paths 

do not include particles zig-zagging backward and forward through time. 
Footnote:  

Caveat: A famous quote by Freeman Dyson states that Feynman, while speculating on this approach, 

told him that one particle travels all paths, including those going backward in time.  But the usual development of 

the theory (see Section 8) only includes paths forward in time.  Perhaps all paths backward in time sum to zero and 
so are simply ignored.  In such case, Dyson’s quote would be accurate.  But I don’t know for sure.  

End footnote. 

7.2  Comparison of Approaches to QM 

Unifying  Chart  1  summarizes  the  major  similarities  and  differences  between  alternative 

approaches to QM. 

Unifying Chart 1.  Equivalent Approaches to Non-relativistic Quantum Mechanics 

 

Schroedinger Wave 

Mechanics 

Heisenberg Matrix 

Mechanics 

Feynman Many Paths 

Probability 

Density of 

Position  

Eigenstates 

|amplitude|

2

 

|amplitude|

2

 

Transition 

Amplitude 

/

( , ; )

iHT

i

f

f

i

U x x T

x e

x

=

 

0

/

1

( , ; )

lim

( )

j

T

N

iS

i

f

j

L

x f

xi

i

dt

N

U x x T

e

e

x t

=

→∞

=

 

Comments  Above assumes normalized 

states. 

Same results as 

other two 

approaches. 

RHS above must be 
normalized for 

α

    =. 

We haven’t done the integral 

part yet. 

8  Finite Sums to Functional Integrals 

8.1  Time Slicing: The Concept 

After all of the foregoing groundwork, it is time to extend the phasor sum of a finite number 

of  paths,  such  as  we  saw  in  Fig.  3  and  (24),  over  into  an  infinite  sum,  or  in  other  words,  an 

integral.  To do this, we first consider finite “slices” of time, for a finite number of paths in one 

spatial dimension, as shown in Fig. 5 where, for convenience, we plot time vertically and space 

horizontally.  As opposed to our spatially 2D example in Fig. 3, different paths in Fig. 5 actually 

refer to the particle traveling the same direction 

x

 between 

i

 and 

f

, though at varying velocities.  

The paths between each slice are straight lines, but there is no loss in generality, as one can take 
the time between slices 

t

   

dt

, and thus, any possible shape path can be included. 

As noted earlier, for any single path, the 

background image

 

12 

 

/

one path

phasor at

f

i

t L

i

dt

iS

t

e

e

=

=

f

 , 

(28) 

The amplitude 

U

 for the transition from 

i

 to 

f

 is proportional to the sum of (28) for all paths, 

 

/

1

sum of

phasors at

lim

j

N

iS

j

N

e

=

→∞

=

f

 . 

(29) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8.2  Space Slicing:  Simple Paths with Discrete Approximation 

To  evaluate  (29),  we  next  also  discretize  (“slice”)  space,  and  consider  a  small  number 

(three) of paths over a small number of discrete events in spacetime, as in Figure 6.  We label the 

paths a, b, and c, and the events with two numbers, such that the first number represents the time 

slice,  and  the  second  the  space  slice.    The  continuous  range  of 

x

  values  at  time 

t

1

  will  be 

designated 

x

1

; at 

t

2

x

2

; etc.  We limit the spatial range for paths considered to 

x

R

 – 

x

L

 = 

l

, where 

the number of paths 

N

 = 3 = 

l

 

/

x

1

.  Each path passes through the center of one 

x

1

 segment. 

We then assume the phase 

φ

02

 at 

i

 is zero, and find the phasors at 

f

 for each of the three paths 

by subsequently adding the phase difference between discrete events along a given path, as in the 

second  column  of  Table  2  below.    There,  as  elsewhere  herein,  clicking  on  an  equation  will 

enlarge it for easier viewing.  Clicking again will contract it to its original size. 

Note that in the last line of column two in Table 2, the Lagrangian 

L

 without subscript is 

assumed to be the 

L

 for the particular subpath being integrated, and this is common notation. 

In column three, we approximate the integrals of 

L

 over 

t

, such that, for example, for path a 

over an interval 

t

 

apprx

a

a

S

L

t

 

(30) 

where, for the first subpath, 

 

2

2

11

02

11

02

1

1

11

02

2

2

( )

( ,

)

2

apprx

a

a

x

x

x

x

L

mx

V x

m

V

L

x x

t

+

=

 

(31) 

Similar relations hold for the other subpaths, and are shown in Table 2. 

t

x

(

t

)

f

i

t

1

t

2

t

3

t

n

t

f

t

0

}

t

 

 

t

x

(

t

)

t

1

t

0

11

x

R

x

L

l

t

2

x

02

23

13

12

f

i

0,1,2

 

 

a b

c

Figure 5. Time Slicing for Finite

Number of Paths

Figure 6. Space Slicing for Three

Dicrete Paths

background image

 

13 

Note that (31) is solely a function of 

x

11

 and 

x

02. 

 The summation of all three paths in the last 

row of column three in Table 2 is solely a function of 

x

02, 

x

23

, and the three intermediate event 

x

 

values 

x

11

,

 x

12

, and

 x

13

.  Since 

x

02

 and 

x

23

 are the initial and final events, which are fixed and the 

same for all paths, the final summation approximation in Table 2 are really only functions of the 

three 

x

1j

.  It will, however, serve a future purpose if we keep 

x

02

 and 

x

23

 in the relationship for the 

time being. 
 

Table 2.  Adding Phasors at the Final Event for Three Discrete Paths 

Path 

Phasor at 

f

 

Phasor at 

f

 in Terms of Approx 

L

 

(

)

11

23

02 11

11 23

02

11

23

a

a

a

L

L

i

dt i

dt

i

i

e

e

e

e

φ

φ

φ

+

=

=

 

(

)

(

)

11

02

11

02

23

11

23

11

02

11

11

23

2

2

1

1

2

2

2

2

,

,

x

x

x

x

x

x

x

x

i

i

m

V

t

m

V

t

t

t

i

i

f x x

f x x

e

e

e

e

+

+

=

 

(

)

12

23

02 12

12 23

02

12

23

b

b

b

L

L

i

dt i

dt

i

i

e

e

e

e

φ

φ

φ

+

=

=

 

(

)

(

)

12

02

12

02

23

12

23

12

02

12

12

23

2

2

1

1

2

2

2

2

,

,

x

x

x

x

x

x

x

x

i

i

m

V

t

m

V

t

t

t

i

i

f x x

f x x

e

e

e

e

+

+

=

 

(

)

13

23

02 13

13 23

02

13

23

c

c

c

L

L

i

dt i

dt

i

i

e

e

e

e

φ

φ

φ

+

=

=

 

(

)

(

)

13

02

13

02

23

13

23

13

02

13

13

23

2

2

1

1

2

2

2

2

,

,

x

x

x

x

x

x

x

x

i

i

m

V

t

m

V

t

t

t

i

i

f x x

f x x

e

e

e

e

+

+

=

 

Sum 

of a, 

b, c 

11

23

12

23

02

11

02

12

13

23

02

13

23

1

1

02

3

1

a

a

b

b

c

c

j

j

L

L

L

L

i

dt i

dt

i

dt i

dt

L

L

i

dt i

dt

L

L

N

i

dt

i

dt

j

e

e

e

e

e

e

e

e

=

=

=

+

+

=

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

02 11

11

23

02 12

12

23

02 13

13

23

02 1

1

23

,

,

,

,

,

,

3

,

,

1

j

j

i

i

i

i

f x x

f x x

f x

x

f x x

i

i

f x x

f x x

i

i

N

f x x

f x x

j

e

e

e

e

e

e

e

e

=

=

=

+

+

=

 

 

 

The final relationship in Table 2 is approximately proportional to the transition amplitude, 

i.e., 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

02 1

1

23

02 1

1

23

3

3

,

,

,

,

1

1

, ;

apprx

apprx

j

j

j

j

i

i

i

i

N

N

f x

x

f x x

S

x x

S

x x

f

i

j

j

U i f T t

t

C

e

e

C

e

e

=

=

=

=

= −

=

(32) 

where 

C

  is  some  constant,  and  what  we  designated  as  a  function 

f

  in  Table  2,  in  order  to 

emphasize its independent variables, is actually an approximation to the action 

S

Since 

U

 is 

proportional

 to the sum of the phasors, we can multiply the RHS of (32) by any 

constant we like and the proportionality still holds.  To aid us in taking limits to get an integral, 
we multiply (32) by 

x

1

, and get 

background image

 

14 

 

(

)

(

)

(

)

02 1

1

23

3

,

,

1

1

, ;

apprx

apprx

j

j

i

i

N

S

x x

S

x x

j

U i f T

C

e

e

x

=

=

(33) 

where 

C

 is a new constant.  Taking the limit where 

x

1

 

dx

1

 means taking the number of paths 

N

.  And thus, 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

02 1

1

23

1

1

02 1

1

23

1

1

23

02

,

,

1

1

,

,

1

1

, ;

lim

.

apprx

apprx

j

j

R

R

apprx

apprx

L

L

i

i

N

S

x

x

S

x x

j

t

x x

x x

L

i

i

i

dt

S

x x

S

x x

t

x x

x x

N

U i f T

C

e

e

x

C

e

e

dx C

e

dx

=

=

=

=

=

→∞

=

 

(34) 

where our discrete values 

x

1j

 have become a continuum 

x

1

, and it is implicit that the 

L

 of the last 

part of (34) is that over the appropriate path corresponding to each increment of 

dx

1

.  (34) is still 

only approximately proportional to the amplitude because time is still discretized in 

t

 intervals 

and we limit the integration range to 

x

L

 > 

x

1

 > 

x

R

.  Before extending those limits, however, we 

must consider a slightly more complicated set of paths. 

8.3  From Simple Discrete Paths to the General Case 

In  Figure  7  we  introduce  one  more  time  interval  between  the  initial  and  final  events, 

resulting in nine discrete paths. 

 
Repeating the logic from the previous section (use Table 2 as an aide), the phasor of the first 

path (02 11 21 33) is simply 

 

(

)

0 2

1 1

1 1

2 1

2 1

3 3

3 3

1 1

2 1

3 3

0 2

1 1

2 1

  1 s t

p a t h

o n ly

.

i

i

L

L

L

i

d t

i

d t

i

d t

e

e

e

e

e

φ

φ

φ

φ

+

+ +

=

=

 

(35) 

We  repeat  this  for  the  other  eight  paths,  approximate 

L

  along  subpaths  as  before,  and  take 

k

 

below to indicate the 

k

th 

x

2

 segment.  This results in a phasor summation from all paths at event 

f

 (= 33) [compare with last row, last column of Table 2 and (32)] proportional to the amplitude, 

i.e., 

x

(

t

)

t

1

t

0

11

x

R

x

L

t

2

02

33

13

12

f

i

 

 

t

3

t

21

22

23

Figure 7. Nine Discrete Paths

between Two Events

background image

 

15 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

02

1

1

2

2

33

3

3

,

,

,

1

1

, ;

apprx

apprx

apprx

j

j

k

k

i

i

i

N

N

S

x x

S

x x

S

x

x

j

k

U i f T

C

e

e

e

=

=

=

=

(36) 

Note that (36) depends on the discrete values of both 

x

1

 and 

x

2

.  So, as we did with (33), we can 

multiply  (36)  by  one  or  more  constants  without  changing  the  proportionality.    We  choose  to 
multiply  by 

x

1

  and 

x

2

.    We  follow  by  taking  limits  where 

x

1

 

dx

1

  and 

x

2

 

dx

(i.e., 

N

), [compare with (34)] which results in 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

02

1

1

2

2

33

2

1

02 1

1

2

2

33

2

1

2

2

1

33

02

3

3

,

,

,

1

2

1

1

,

,

,

1

2

1

2

, ;

lim

apprx

apprx

apprx

j

j

k

k

R

R

apprx

apprx

apprx

j

j

k

k

L

L

R

L

L

i

i

i

N

N

S

x x

S

x x

S

x

x

j

k

x x

x x

i

i

i

S

x x

S

x x

S

x

x

x x

x x

t

x x

L

i

dt

t

x x

x x

N

U i f T

C

e

e

e

x x

C

e

e

e

dx dx

C

e

dx dx

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

→∞

∆ ∆

=

1

.

R

x x

=

 

(37) 

We can readily generalize (37) to any number of time slices as 

 

(

)

2

1

2

1

1

2

, ;

....

...

Approximation for Transistion Amplitude

n

R

R

R

n

L

L

L

f

i

t

x x

x x

x x

L

i

dt

t

f

i

n

x x

x x

x x

U i f T t

t

C

e

dx dx dx

=

=

=

=

=

=

= −

 , 

(38) 

where,  as  before,  it  is  implicit  that 

L

  in  the  integral  is  for  the  particular  path  that  crosses  the 

respective 

t

 slices at 

x

1

x

2

,…

 x

n

.   

8.4  From Approximate to Exact 

To get a precise, not approximate, relation for the RHS of (38) we would have to do two 

things. 

1.

 

Take the 

x

 range from 

l

 to infinity, i.e., 

x

L

   –   and 

x

R

    , and 

2.

 

Take 

t

   

dt

 for the same 

T

 (time between events.) 

Doing this, (38) would become 

 

 

(

)

integ limits along with

 symbol imply

paths between i and f

, ;

Exact Expression for Transition Amplitude

f

i

f

i

x x

t L

i

dt

t

f

i

x x

all

U i f T t

t

C

e

x

=

=

= −

=

 

(39) 

The symbol  , as noted earlier, represents integration over all paths.  With this, the integration 
limits designate the initial and final 

x

 values and do not imply a constraint on the 

x

 dimension 

during the integration (as was the case with (38).)   In (39) we have, at long last, obtained the 

relation of integration type #4 in Table 1, where 

background image

 

16 

 

f

i

t L

i

dt

t

F e

=

(40) 

8.5  Practicality and Calculations 

Practically, for the first approximation addressed in Section 8.4, we really don’t have to take 

l

 to infinity, as we know that paths outside of a reasonably large range from the initial and final 

spatial locations will sum to very close to zero.  So we can live with significant, but not infinite, 

l

For  the  second  approximation,  we  only  need  small  enough 

t

  such  that  taking  a  smaller 

value does not change our answer much. 

If  we  use  (38),  with  judicious  choices  for 

t

  and 

l

,  we  can,  in  many  cases,  obtain  valid 

closed form solutions for the amplitude.  We can also obtain numerical solutions with a digital 

computer by using approximations for 

L

 between time slices, as we did previously.  That is, we 

can approximate the RHS of (38) in the manner we did for the first line of (37), but extending the 

approximation of (37) from 2 to 

n

 time slices. 

9  An Example: Free Particle 

We will first determine the amplitude (and thus the detection probability density) of a free 

particle  via  the  Schroedinger  approach  and  then  compare  it  to  that  for  Feynman’s  many  paths 

approach. 

9.1  Schroedinger Transition Amplitude 

Recall, from Section 3.2, that, in the Schroedinger approach, a position eigenstate is a delta 

function, and as it evolves, the wave function envelope spreads and the peak diminishes.  |

U|

2

 for 

such  functions  is  the  probability  density  at  the  final  point 

x

f

,  after  time 

T

,  where  the  peak  is 

located.  We should then expect |

U|

2

 to decrease as 

T

 increases, and to equal infinity when 

= 0. 

We start with the Schroedinger transition amplitude relation (9), 

 

/

( , ; )

iHT

f

f

i

i

U x x T

x e

x

=

 . 

(41) 

Since the bra and ket here are Dirac delta functions, with the well known relation 

 

(

)

(

)

1

1

(

)

2

2

i

i

p

i

x x

ik x x

i

x x

e

dk

e

dp

δ

π

π

+∞

+∞

−∞

−∞

=

=

(42) 

we can re-write (41) as 

 

(

)

/

( , ; )

(

)

(

)

iHT

f

i

f

i

U x x T

x x e

x x dx

δ

δ

−∞

=

(43) 

(For readers unfamiliar with operators in exponents, one can express the exponential quantity as 
a Taylor series expanded about 

T

, i.e., 

f

(

T

) = 

e

iTH/

 = 1 – 

iTH/

  + ½

 T

2

H

2

/

2

 +…  Then, operate 

on the ket/state term by term [getting terms in 

iET

/  to various powers], and finally re-express 

the resulting Taylor series as an exponential in 

iET

/ .  We have taken the ket with time 

t

i

 = 0 to 

make things simpler, but even if you like to think of the Hamilton operator as a time derivative, 

when it acts on that ket, it functions as an energy operator and still yields the energy.) 

background image

 

17 

For the exponential with the 

H

 operator acting on the initial state, and 

E

 =  

p

2

/2

m

, (43) is 

 

2

(

)

(

)

(

)

(

)

/ 2

1

1

( , ; )

2

2

1

1

.

2

2

f

i

f

i

p

i

p

i

x x

TH i

x x

p

p

i

x

x

i

x x

iTp

m

f

i

U x x T

e

dp

e

e

dp dx

e

dp

e

e

dp dx

π

π

π

π

+∞

+∞ −

−∞

−∞

−∞

+∞

+∞

−∞

−∞

−∞

=

=

  

(44) 

We then re-arrange (44) to get 

 

2

2

(

)

/ 2

(

)

/ 2

(

)

1

1

( , ; )

2

2

1

.

2

f

i

f

i

x

i

i

i

p p

p x

px

iTp

m

i

p x

x

iTp

m

f

i

p p

U x x T

e

e

dx e

e

dp dp

e

e

dp

δ

π

π

π

=

=

 

(45) 

Using the integral formula 

 

2

2

/ 4

ax bx

b

a

e

dx

e

a

π

+∞ − +

−∞

=

 , 

(46) 

we find 

 

2

(

)

2

( , ; )

2

i

f

i

m x x

T

f

i

m

U x x T

e

i

T

π

=

 . 

(47) 

The astute reader may question whether (46), with complex 

a

 and 

b

, converges.  It does because 

the integrand oscillation rate increases with larger |

p

| in such as way as to make successive cycles 

shorter.  As |

p

| gets very large, the cycles become so short that the contribution from each cycle 

(think area under a sine curve) tends to zero, and it does so in a manner that allows the integral to 

converge. 

From (47), the probability density at event 

f

 is 

 

2

( , ; )

2

f

i

m

U x x T

T

π

=

(48) 

which, as we said it must, decreases with increasing 

T

, and equals infinity for 

T

 = 0.  Note also, 

that increasing 

m

 increases the envelope height, and thus decreases the width (for constant area 

under the envelope = constant probability.)  In other words, the wave packet approaches more 
classical behavior, i.e., a narrower, more well defined location.  Further, if   were to go to zero, 
the peak would be infinite, i.e., we would have a delta function and an exact particle location, as 

in classical mechanics. 

9.2  Many Paths Transition Amplitude 

We now seek to derive (47) using the many paths approach. 
A free, non-relativistic, particle has Lagrangian 

background image

 

18 

 

2

2

1

1

2

2

(

)

( )

x t

t

x t

L

mv

m

t

+ ∆ −

=

(49) 

where the RHS is an approximation between adjacent time slices.  Taking 

t

i

 = 0, and 

  , (38) 

becomes 

 

(

)

2

1

2

1

1

2

1

2

2

1

1

2

2

2

2

2

1

1

0

1

2

, ;

....

...

...

....

...

n

n

x

x

i

f

n

i

i

x x

m

t

m

t

n

t

t

n

n

f

n

n

t

t

L

t

t

x

x

x

L

L

L

i

dt

i

dt

i

dt i

dt

t

t

t

n

x

x

x

x

x

x

x

U i f T

C

e

e

e

e

dx dx dx

C

e

e

e

=∞

=∞

=∞

=−∞

=−∞

=−∞

=∞

=∞

=−∞

=−∞

(

)

(

)

(

)

(

)

1

3

2

2

1

1

2

1

1

2

1

2

2

2

2

2

1

2 ( )

2 ( )

2 ( )

2 ( )

2

1

1

2

1

2

2

( )

...

.

...

...

n

x xi

m

t

t

im

im

im

im

n

x

x

x x

x x

x x

f

i

t

t

t

t

n

x

n

x

x

x

x

x

x

x

f

f

f

f

f x

dx dx dx

C

e

e

e

e

dx dx

γ

α

ζ

β

=∞

=−∞

=∞

=∞

=∞

=−∞

=−∞

=−∞

=

,

n

dx

 

(50) 

where the underbracket notation will help us in subsequent sections. 

9.2.1  Background Math 

Look, for the moment, at the last two factors (functions 

f

α

 and 

f

β

) in the integral.  They must be 

integrated over 

x

1

, and that result is a function of 

x

2

.  When one of the two functions in such a 

procedure is a function of 

x

2

 – 

x

1

, as it is here, the integral is called a 

convolution integral

.  (See 

http://www-structmed.cimr.cam.ac.uk/Course/Convolution/convolution.html

.) 

In mathematical circles (search “Borel’s Theorem”), it is well known that the Fourier (and 

also, the  Laplace) transform of such an integral  equals the product of the Fourier (or  Laplace) 
transforms of the two functions.  That is, for   representing Fourier transform, 

 

{

}

{ }

{ }

2

1

1

1

(

) ( )

f x

x f x dx

f

f

β

α

β

α

=

(51) 

Note that although 

f

α

 is a function of 

x

1

-

x

i

 , we can write 

f

α

(

x

1

) because 

x

i

 is fixed. 

Each factor in the last row of (50), as one moves leftward, plays the part of 

f

β

 in the theorem 

above for the next convolution integral, where the prior convolution integral plays the role of 

f

α

.  

We get, in essence, a series of nested convolution integrals.  Using (51), you should be able to 

prove  to  yourself  that  the  transform  of  (50)  equals  the  product  of  the  transforms  of  the 

exponential factors in (50).  If you can’t, or don’t want to bother, proving it, then just accept that 

a corollary to (51) is 

 

{

}

{ } { } { }

{ }

3

2

2

1

1

1

2

....

(

).... (

) (

) ( )

...

...

.

f

n

a

n

a

f x

x

f x

x f x

x f x dx dx dx

f

f

f

f

ζ

γ

β

ζ

γ

β

=

 

(52) 

9.2.2  Evaluating the Amplitude 

So,  to  evaluate  (50),  using  (52),  we  i)  transform  each  exponential  factor 

f

µ

  ,  ii)  multiply 

those transforms together, and iii) take the inverse transform of the result to get 

U

 (actually 

U/C

 

background image

 

19 

of (50)).  This is made simpler, because each 

f

µ

 has the same form, so each transform is the same, 

i.e., 

 

{ }

{ }

{ }

.....

f

f

f

α

β

ζ

=

=

=

 . 

(53) 

The Fourier transform of a function 

f

α

 is 

 

{

}

1

1

1

1

1

( )

( )

( )

2

i

px

f x

f p

f x e

dx

α

α

α

π

−∞

=

=

(54) 

For the 

f

α

 of (50), and for convenience, taking the coordinate 

x

i

 = 0, this is 

 

2

1

1

2( )

1

1

( )

2

i

i m

x

px

t

f p

e

e

dx

α

π

−∞

=

(55) 

where here and throughout this section, 

p

 is merely a dummy variable allowing us to carry out 

the math.  Using (46), we find (55) becomes 

 

2

2

( )

( )

i t

p

m

i t

f p

e

m

α

=

(56) 

and thus, from (50), (52), and (53), 

 

2

/ 2

2

( )

( )

( )..... ( ) ( )

N

i T

p

m

i t

U p

C f p

f p f p

C

e

m

ζ

β

α

=

(57) 

The inverse Fourier transform of (57), is 

 

2

(

)

/ 2

(

)

2

1

( , ; )

( )

2

1

( )

.

2

f

i

f

i

i

i

p x

x

i

f

N

i T

p

p x

x

m

U x x T

U p e

dp

i t

C

e

e

dp

m

π

π

−∞

−∞

=

 

(58) 

In (58), we could have simply used 

x

f

 in the exponent, as we have been taking 

x

i

 = 0, and our 

result would have been in terms of 

x

f

.  In that case, 

x

f

 would have been the distance between 

x

i

 

and 

x

f

 , i.e., 

x

f

 – 

x

i

.  In order to frame our final result in the most general terms, we re-introduced 

x

i

 as having any coordinate value in (58). 

With (46) again, (58) becomes 

 

2

/ 2

(

)

2

( )

( , ; )

.

f

i

N

i m

x

x

T

i

f

i t

m

U x x T

C

e

m

iT

 

(59) 

By  comparison  with  (47),  we  see  the  phase  and  dependence  on 

T

  is  the  same  as  in  the  wave 

mechanics approach.  Using that comparison, we can see that the constant of proportionality is 

 

/ 2

1

( )

2

N

m

C

i t

π

=

(60) 

And thus, the probability density at the final event 

f

 is the same as (48), i.e.,  

background image

 

20 

 

2

( , ; )

2

f

i

m

U x x T

T

π

=

(61) 

where the equal sign is appropriate for 

N

    . 

Note that for 

v = 

(

x

f

 – 

x

i

)/

T

, the amplitude can be expressed in terms of the classical action as 

 

2

2

( , ; )

2

2

2

i

i

i

T

LT

S

mv

f

i

m

m

m

U x x T

e

e

e

i

T

i

T

i

T

π

π

π

=

=

=

(62) 

which agrees with (22) if 

A

(

t

) there equals the root quantity.  In the Appendix, we show it does. 

9.3  The Message 

It has probably not escaped the reader that the evaluation of a free particle using Feynman’s 

many  paths  approach  is  considerably  more  complicated  and  lengthy  than  the  Schroedinger 

approach.  This is true for most, if not all, problems in QM. 

The disadvantages of the many paths approach in QM are these. 

1.

 

It  is  generally  more  mathematically  cumbersome  and  time  consuming  than  the  wave 

mechanics approach. 

2.

 

The  quantity  calculated  is  only  proportional  to  the  amplitude,  and  further  analysis  is 

required to determine the precise amplitude. 
3.

 

The approach is suitable primarily for position eigenstates and is not readily amenable to 

more general states, so it is generally not as all encompassing in nature. 

The advantages of the many paths approach are these. 

1.

 

The approach also applies to quantum field theory (QFT).  In a number of instances therein, 

development of the theory is more direct, and calculation of amplitudes is easier, than with the 

alternative approach (canonical quantization). 

2.

 

Philosophically, we see that there is more than one way to skin a cat.  We learn anew that 

the physical world can be modeled in different, equivalent ways.  We learn caution with regard 

to interpreting a given model as an actual picture of reality. 

10 Quantum Field Theory via Path Integrals 

So far, we have dealt primarily with non-relativistic quantum mechanics (QM), but the many 

paths approach is also applicable to relativistic quantum mechanics (RQM), and as noted above, 

to quantum field theory  (QFT).  (RQM is often  confused with QFT.  For a comparison of the 

similarities  and  differences  between  the  two,  see 

Quantum  Field  Theory:  A  Pedagogic  Intro

.  

Further similarities and differences are illustrated in Unifying Chart 2, below.) 

We  will  not  go  deeply  into  QFT,  and  only  outline,  in  a  broad  overview,  how  the  theory 

presented herein is applicable therein.  This should help those students who continue on to the 

standard texts for the many paths approach keep the forest in view while examining the trees. 

10.1  Particle Theory (QM) vs Field Theory (QFT) 

For the many paths approach, we  want to make  the jump from QM, which is a quantized 

version of particle theory, to QFT, which is a quantized version of field theory.  Unifying Chart 2 

background image

 

21 

below  can  help  us  do  that.    In  it,  the  2

nd

  and  3

rd

  columns  compare  particle  theory 

entities/concepts to corresponding field theory entities/concepts.  The upper half of the chart, as 

indicated, summarizes classical theory (non quantum, and implicitly including special relativity).   

The lower half summarizes quantum theory 

via approaches other than many paths

.  The chart 

should be relatively self explanatory, so we will not comment much on it. 

We compare the quantum approaches of Unifying Chart 2 to the many paths approach in the 

next section. 

Unifying Chart 2.  Comparing Particle Theory to Field Theory: 

               Classical and Quantum 

 

Particle Theory 

Field Theory 

 

Classical Theory 

Indep variables       1D                              3D 

       t                                 t 

3D 

x,y,z,t

 

Depend 

variables 

     x

(

t

)                    

x

(

t

),

 y

(

t

),

 z

(

t

                 position 

φ

 

(

x,y,z,t

field 

Dynamic 

variables 

   (functionals) 

Particle total value: 

p

E

L

 

functions of  , ,

(or , , )

x x t

t

r r

 

 

 

Density values (per unit vol): 

, ,  

functions of  , , , , ,

x y z t

φ φ

 

3

, etc.

E

d x

=

 

Equations of 

motion 

F

 

=

 

m

a

 

 

or equivalently, Euler-Lagrange 

formulation, 

 

0

d

L

L

dt

x

x

=

 

f

  

=

ρ

 

 (force/vol) for media;  

Maxwell’s eqs for e/m, 

or equivalently,  

for   of either, 

0

d

dt

φ

φ

=

 

Variable 

correspondences 

particle   field 

       t     x,y,z,t 

      x     

φ        

    total values     density values    

 

Quantum Theories 

 

QM and RQM via 

Wave Mechanics 

QFT via Wave Mechanics = 

Canonical Quantization 

Quantum 

character 

change 

x

 and all dynamic variables 

   operators 

φ

 and all dynamic variables 

   operators 

New quantum 

entity 

state 

ψ

 = 

wave function 

ψ

 

state 

φ

 different from  

(operator) field 

φ

 

Note 

 

Fields create & destroy states.  States 

can be multiparticle (

1

2,

, ...

φ φ

background image

 

22 

Operators 

functions of  , ,

x x t

 

functions of  , ,

t

φ φ

 

Expectation 

values of 

operators 

E

H

ψ

ψ

=

 

etc. for other opers 

 

E

H

φ

φ

=

 

or for multiparticle state 

1

2

1

2

, ...

, ...

E

H

φ φ

φ φ

=

 

Equations of 

motion 

For wave function 

ψ

 

QM: Schroedinger eq 

RQM:

 

Klein-Gordon,

 

Dirac,

 

Proça eq

s

 

or equivalently, 

Euler-Lagrange formulations 

For quantum field 

φ

 

 

QFT: Klein-Gordon, Dirac, Proça eqs 

or equivalently, 

Euler-Lagrange formulations 

Macro 

equations of 

motion 

Deduced from above and expectation 

values of force, acceleration 

Deduced from above and expectation 

values of relevant quantities 

Transition 

amplitude 

( , ; )

iHT

i

i

f

f

U x x T

x e

x

=

 

i

 & 

f

 are eigen states of position 

( , ; )

iHT

i

f

f

i

U

T

e

φ φ

φ

φ

=

 

i

 & 

f

 states can be multiparticle 

|

U

|

2

 = 

probability density 

probability 

 

10.2  “Derivation” of Many Paths Approach for QFT 

From  the  last  row  of  Unifying  Chart  2,  we  see  that  the  transition  amplitude  for  the  QFT 

canonical  approach,  which  is  essentially  a  wave  mechanics  approach  for  relativistic  fields,  is 

similar  in  form  to  that  of  the  QM  wave  mechanics  approach,  given  that  we  note  the 
correspondence 

x  

φ

 between QM and QFT.  An additional fundamental difference between the 

two is the form of the Hamiltonian 

H

.  In QM, 

H

 is a non-relativistic function of 

x, dx/dt,

 and 

(rarely) 

t

.  In QFT, it is a relativistic function of 

φ

d

φ

/

dt

, and (rarely) 

t

Since  the  canonical  (wave  mechanics)  QFT  approach  mirrors  the  wave  mechanics  QM 

approach, one could postulate (and Feynman probably did) that the many paths approach in QFT 

would  mirror  the  many  paths  approach  in  QM.    (See  Unifying  Chart  1  in  Section  7.2  for  the 

corresponding  QM  transition  amplitudes  using  each  approach.)    Simply  using  the  same 
correspondences 

x  

φ

  and 

H

nonrel

   

H

rel

  (and thus, 

L

nonrel

   

L

rel

)  for the many paths approach 

yields Unifying Chart 3. 

background image

 

23 

Unifying Chart 3.  Comparing QM to QFT for the Many Paths Approach 

 

Quantum Theories 

 

QM and RQM via 

Many Paths 

QFT via 

Many Paths 

Transition 

amplitude 

0

/

1

( , ; )

lim

( )

j

T

N

iS

i

f

j

L

x f

xi

i

dt

N

U x x T

e

e

x t

=

→∞

=

 

4

0

/

1

( , ; )

lim

( )

j

T

N

iS

j

f

i

i

d x

i

f

N

U

T

e

e

x

µ

φ

φ

φ φ

φ

=

→∞

=

 

Note 

Above is from Unifying Chart 1 in 

Section 7.2 

Above is a simplified example for a 

single scalar field. 

 
In the RH column above, all paths, comprising all configurations of the entire field 

φ

 over all 

space between its initial and final configurations, are added (integrated).  

S

 here is the action for 

the entire field.    is the (relativistic) Lagrangian 

density

 for the field, which, integrated as it is 

above over all space 

d

3

x

, yields 

L

Of course, the many paths transition amplitude of Unifying Chart 3 is, at this point, only a 

guess.  However, decades of research, first by Feynman and then by many others, has proven that 

it is completely valid. 

To summarize, briefly 

Unifying Chart 4.  Super Simple Summary 

Correspondences 

x

   

φ

 

          H

nonrel

   

H

rel

 

 

Wave mechanics amplitude 

QM   QFT 

canonical quantization QFT 

Many paths amplitude 

QM   QFT 

functional quantization QFT 

 

10.3  Time Slicing in QFT 

Using the same correspondences as in Unifying Chart 4, and the time slicing approximation 

for QM of (38), we find, for QFT, 

 

(

)

4

1

2

, ;

....

...

QFT Approximation for Transition Amplitude

f

i

t

i

d x

t

f

i

n

U i f T t

t

C

e

d d

d

φ φ

φ

= −

 , 

(63) 

where  the  subscripts  refer  to  different  time  slices,  not  to  different  fields.    This  example  is  for 

only a single field. 

The exact form of the transition amplitude, obtained from (39), is given in Unifying Chart 3, 

and is repeated here, 

background image

 

24 

 

 

4

0

( , ; )

( )

QFT Exact Expression for Transition Amplitude

T

f

i

i

d x

U i f T

C

e

x

µ

φ

φ

φ

=

 . 

(64) 

10.4  More Ahead in Path Integral QFT 

Of course, we have only scratched the surface of the many paths approach to QFT.  There is 

a great deal more, including some fairly fundamental concepts.  However, hopefully, all of the 

above will provide a solid foundation for that, by explaining more simply, more completely, and 

in smaller steps of development what traditional introductions to the subject often treat rapidly 

and in somewhat less than transparent fashion. 
–––––––– 
If  you  find  errors  (typographical  or  otherwise),  or  have  suggestions  on  how  to  make  anything 

herein easier to understand, please help those who come after you by letting me know, so I can 

make appropriate corrections/modifications.  I can be reached via the email address in the home 

page, 

Pedagogic  Aides  to  Quantum  Field  Theory

6

,  for  which  this  material  is  a  sub-section.  

Thank you. 
Distribution of this material to others is encouraged though subject to (fairly liberal) copyright 

restrictions.  These can be found at the above link as well. 
 

 

 

 

 

 

 

 

Robert D. Klauber 

 

 

 

 

 

 

 

 

April 30, 2009 

Appendix 

From (20), with 

x=x

peak

 

(

)

(

)

2

2

( )

1

(

, )

( )

2

peak

i t

i

p p

Et px

m

A t

x

t

e

g p e

dp

ψ

π

+∞

−∞

=

(65) 

We note that (20), and thus (65), are derived from the general wave packet relation (see ref 2) 

 

(

)

1

( , )

( )

2

i Et px

x t

g p e

dp

ψ

π

+∞

−∞

=

(66) 

At our initial event, take 

t=t

i

 = 0, so the above becomes 

 

1

( ,

0)

( )

2

i

i

px

x t

g p e

dp

ψ

π

+∞

−∞

= =

(67) 

If (67) is a delta function centered at 

x

i

 = 0, then, from the definition of the delta function, 

 

1

( ,

0)

( )

2

i

i px

x t

x

e

dp

ψ

δ

π

+∞

−∞

= =

=

(68) 

Comparing (68) to (67), we see that for an initial delta function measured at 

x

i

 

 

( ) 1

g p

=

(69) 

background image

 

25 

Using (69) in (65), we obtain 

 

(

)

2

2

1

( )

2

i t p p

m

A t

e

dp

π

+∞

−∞

=

 . 

(70) 

With the integral formula 

 

2

ax

e

dx

a

π

+∞ −

−∞

=

(71) 

we find 

 

( )

2

m

A t

i

t

π

=

(72) 

                                                 

1

 http://www.quantumfieldtheory.info/Introduction-Background.htm 

2

 Merzbacher, E., 

Quantum Mechanics

.  2

nd

 ed. John Wiley & Sons (1970).  See Chap 2, Sec 3. 

3

 Much of the material in this section parallels “Action on Stage: Historical Introduction”, Ogborn, J., Hanc, J. and 

Taylor, E.F.,  and “A First Introduction to Quantum Behavior”, Ogborn, J., both from The Girep Conference 2006, 

Modeling Physics and Physics Eduction, Universiteit van Amsterdam. 

4

 Feynman, R., 

QED: The strange theory of light and matter

.  Penguin Books, London (1985). 

5

 http://www.quantumfieldtheory.info/manypathsgraphicelectronreflection.xls 

6

 http://www.quantumfieldtheory.info