Jump to content

Калибровочная ковариантная производная

В физике калибровочная ковариантная производная — это средство выражения того, как поля изменяются от места к месту, таким образом, чтобы учитывать, как системы координат, используемые для описания физического явления, сами могут меняться от места к месту. Калибровочная ковариантная производная используется во многих областях физики, включая квантовую теорию поля и гидродинамику , а также, в особом смысле, общую теорию относительности .

Если физическая теория не зависит от выбора локальных систем отсчета, то меняется группа локальных систем, калибровочные преобразования действуют на поля в теории, оставляя неизменным физическое содержание теории. Обычное дифференцирование компонент поля не инвариантно относительно таких калибровочных преобразований, поскольку они зависят от локальной системы отсчёта. Однако когда калибровочные преобразования действуют одновременно на поля и калибровочную ковариантную производную, они сохраняют свойства теорий, которые не зависят от выбора системы отсчета и, следовательно, являются действительными описаниями физики. Как и ковариантная производная, используемая в общей теории относительности (что является частным случаем), калибровочная ковариантная производная представляет собой выражение связи в локальных координатах после выбора системы отсчета для задействованных полей, часто в форме индексной записи.

Есть много способов понять калибровочную ковариантную производную. Подход, использованный в этой статье, основан на исторически традиционных обозначениях, используемых во многих учебниках физики. [1] [2] [3] Другой подход состоит в том, чтобы понимать калибровочную ковариантную производную как своего рода связь , а точнее, аффинную связь . [4] [5] [6] Аффинная связность интересна тем, что не требует какого-либо понятия метрического тензора определения ; кривизну напряженность аффинной связи можно понимать как поля калибровочного потенциала. Когда метрика доступна, можно пойти в другом направлении и определить соединение в пакете кадров . Этот путь ведет непосредственно к общей теории относительности; однако для этого требуется метрика, которой физики элементарных частиц в калибровочных теориях нет .

Аффинная и метрическая геометрия не являются обобщениями друг друга, а расходятся в разных направлениях: калибровочная группа ( псевдо ) римановой геометрии должна быть неопределенной ортогональной группой O(s,r) вообще или группой Лоренца O( 3,1) для пространства-времени . Это связано с тем, что слои расслоения фреймов должны обязательно, по определению, соединять касательное и кокасательное пространства пространства-времени. [7] Напротив, калибровочные группы, используемые в физике элементарных частиц, в принципе могут быть любой группой Ли , хотя на практике Стандартная модель использует только U(1) , SU(2) и SU(3) . Обратите внимание, что группы Ли не имеют метрики.

Еще более сложный, но более точный и геометрически поучительный подход состоит в том, чтобы понять, что калибровочная ковариантная производная — это (точно) то же самое, что и внешняя ковариантная производная на участке ассоциированного расслоения для главного расслоения калибровочной теории; [8] а в случае спиноров ассоциированный расслоение будет спиновым расслоением спиновой структуры . [9] Хотя концептуально этот подход один и тот же, он использует совершенно другой набор обозначений и требует гораздо более продвинутых знаний во многих областях дифференциальной геометрии .

Последним шагом в геометризации калибровочной инвариантности является признание того, что в квантовой теории нужно только сравнивать соседние слои главного расслоения и что сами слои предоставляют избыточное дополнительное описание. Это приводит к идее модификации калибровочной группы, чтобы получить калибровочный группоид как наиболее близкое описание калибровочной связи в квантовой теории поля. [6] [10]

Для обычных алгебр Ли калибровочная ковариантная производная пространственных симметрий (псевдориманова многообразия и общей теории относительности) не может быть переплетена с внутренними калибровочными симметриями; то есть метрическая геометрия и аффинная геометрия обязательно являются разными математическими предметами: это содержание теоремы Коулмана-Мандулы . Однако предпосылка этой теоремы нарушается супералгебрами Ли (которые не являются алгебрами Ли!), что дает надежду на то, что одна единая симметрия может описывать как пространственную, так и внутреннюю симметрию: это основа суперсимметрии .

Более математический подход использует обозначения без индексов, подчеркивая геометрическую и алгебраическую структуру калибровочной теории и ее связь с алгебрами Ли и римановыми многообразиями ; например, рассматривая калибровочную ковариацию как эквивалентность слоев расслоения. Индексное обозначение, используемое в физике, делает его гораздо более удобным для практических расчетов, хотя и делает общую геометрическую структуру теории более непрозрачной. [7] Физический подход также имеет педагогическое преимущество: общую структуру калибровочной теории можно раскрыть после минимального опыта многомерного исчисления , тогда как геометрический подход требует больших затрат времени на изучение общей теории дифференциальной геометрии , римановых многообразий , алгебр Ли. , представления алгебр Ли и расслоений принципов, прежде чем можно будет разработать общее понимание. В более сложных обсуждениях оба обозначения обычно смешиваются.

В этой статье делается попытка более внимательно следовать обозначениям и языку, обычно используемым в учебной программе по физике, лишь кратко затрагивая более абстрактные связи.

Мотивация ковариантной производной посредством требования калибровочной ковариации

[ редактировать ]

Рассмотрим общее (возможно, неабелевое) калибровочное преобразование, действующее на поле компонента . Основные примеры теории поля имеют компактную калибровочную группу, и мы запишем оператор симметрии как где является элементом алгебры Ли, ассоциированным с группой Ли преобразований симметрии, и может быть выражен через эрмитовые генераторы алгебры Ли (т.е. с точностью до множителя , инфинитезимальные генераторы калибровочной группы), , как .

Он действует на поле как

Теперь частная производная преобразуется, соответственно, как

.

Следовательно, кинетический член вида в лагранжиане не инвариантен относительно калибровочных преобразований.

Определение калибровочной ковариантной производной

[ редактировать ]

Основная причина некалибровочной инвариантности состоит в том, что при записи поля как вектор-строка или в индексной записи , мы неявно сделали выбор поля базового кадра , т.е. набора полей такое, что каждое поле может быть однозначно выражено как для функций (с использованием суммирования Эйнштейна ) и предположил, что поля кадра постоянны . Местный (т.е. зависимая) калибровочную инвариантность можно рассматривать как инвариантность относительно выбора системы отсчета. Однако если один базисный фрейм так же хорош, как и любой калибровочный эквивалент другого, мы не можем считать поля фрейма постоянными без нарушение локальной калибровочной симметрии.

Мы можем ввести калибровочную ковариантную производную как обобщение частной производной который действует непосредственно на поле а не его компоненты Что касается выбора кадра. Калибровочная ковариантная производная определяется как оператор, удовлетворяющий правилу произведения

для каждой гладкой функции (это определяющее свойство соединения).

Чтобы вернуться к индексной записи, мы используем правило произведения

.

Для фиксированной , является полем, поэтому его можно расширить за счет поля кадра.Следовательно, калибровочно-ковариантная производная и поле репера определяют (возможно, неабелев) калибровочный потенциал .

(фактор является традиционным для компактных калибровочных групп и интерпретируется как константа связи). И наоборот, учитывая рамку и калибровочный потенциал ,это однозначно определяет калибровочную ковариантную производную. Затем мы получаем

.

и с подавленными полями кадра это дает индексную запись

который из-за злоупотребления обозначениями часто записывается как

.

Это определение калибровочной ковариантной производной, обычно представленное в физике. [11]

Часто предполагается, что калибровочная ковариантная производная удовлетворяет дополнительным условиям, делающим дополнительную структуру «постоянной» в том смысле, что ковариантная производная обращается в нуль.Например, если у нас есть эрмитово произведение на полях (например, сопряженное скалярное произведение Дирака для спиноров), сводя калибровочную группу к унитарной группе, можно наложить дополнительное условие

делая эрмитово произведение «постоянным». Записывая это относительно местного -ортонормированное поле кадра дает

,

и используя вышеизложенное, мы видим, что должен быть эрмитовым, т.е. (мотивируя дополнительный фактор ). Эрмитовы матрицы (с точностью до множителя ) образующие унитарной группы. В более общем смысле, если калибровочная ковариантная производная сохраняет калибровочную группу представительство , калибровочную ковариантную связность можно записать как

где является представлением алгебры Ли, ассоциированным с групповым представлением (место соч.).

Обратите внимание, что включение калибровочной ковариантной производной (или ее калибровочного потенциала ) в качестве физического поля «поле с нулевой калибровочной ковариантной производной вдоль касательной кривой "

это физически значимое определение поля постоянная вдоль (гладкой) кривой.Следовательно, калибровочная ковариантная производная определяет (и определяется) параллельный транспорт .

Напряженность поля датчика

[ редактировать ]

В отличие от частных производных, калибровочные ковариантные производные не коммутируют. Однако почти так оно и есть в том смысле, что коммутатор является оператором не порядка 2, а порядка 0, т. е. линеен над функциями:

.

Линейная карта

называется калибровочной напряженностью поля (см. ссылку).В индексных обозначениях, используя калибровочный потенциал

.

Если является G-ковариантной производной, последний термин можно интерпретировать как коммутатор в алгебре Ли группы G и как оценивается алгебра Ли (loc. cit).

Инвариантность относительно калибровочных преобразований

[ редактировать ]

Калибровочная ковариантная производная ковариантно преобразуется при калибровочных преобразованиях, т.е. для всех

который в операторной форме принимает вид

или

В частности (подавление зависимости от )

.

Далее (подавив индексы и заменив их матричным умножением), если имеет форму выше, имеет форму

или используя ,

который также имеет эту форму.

В эрмитовом случае с унитарной калибровочной группой и мы нашли дифференциальный оператор первого порядка с как член первого порядка такой, что

.

Калибровочная теория

[ редактировать ]

В калибровочной теории , изучающей особый класс полей , имеющих важное значение для квантовой теории поля , в лагранжианах используются различные поля, инвариантные относительно локальных калибровочных преобразований. Кинетические члены включают производные полей, которые, согласно приведенным выше аргументам, должны включать калибровочно-ковариантные производные.

Абелева калибровочная теория

[ редактировать ]

калибровочная ковариантная производная на комплексном скалярном поле (т.е. ) бесплатно это связь. Калибровочный потенциал является матрицей (1 x 1), т.е. скаляром.

Напряженность калибровочного поля равна

Калибровочный потенциал можно интерпретировать как электромагнитный четырехпотенциал , а напряженность калибровочного поля — как тензор электромагнитного поля . Поскольку это включает в себя только заряд поля, а не более высокие мультиполи, такие как магнитный момент (и неопределенным и неуникальным образом, поскольку он заменяет к [12] ) это называется минимальной связью .

Для спинорного поля Дирака платный ковариантная производная также является связи (поскольку она должна коммутировать с гамма-матрицами) и определяется как

где снова интерпретируется как электромагнитный четырехпотенциал и как тензор электромагнитного поля. (Знак минус — это соглашение, действительное для метрической сигнатуры Минковского (−, +, +, +) , которая распространена в общей теории относительности и используется ниже. Для физики элементарных частиц соглашения (+, −, −, −) это . Заряд электрона : определяется как отрицательный , а поле Дирака определяется как положительное преобразование как )

Квантовая электродинамика

[ редактировать ]

Если калибровочное преобразование задается формулой

а для калибровочного потенциала

затем трансформируется как

,

и трансформируется как

и трансформируется как

так что

и Таким образом, в КЭД лагранжиан является калибровочно-инвариантным, и поэтому калибровочно-ковариантная производная названа удачно. [ нужна ссылка ]

С другой стороны, нековариантная производная не сохранит калибровочную симметрию лагранжиана, поскольку

.

Квантовая хромодинамика

[ редактировать ]

В квантовой хромодинамике калибровочная ковариантная производная равна [13]

где константа связи сильного взаимодействия, — глюонное калибровочное поле для восьми различных глюонов , и где — одна из восьми матриц Гелл-Манна . Матрицы Гелла-Манна дают представление группы цветовой симметрии SU (3) . Для кварков представлением является фундаментальное представление , для глюонов — присоединенное представление .

Стандартная модель

[ редактировать ]

Ковариантная производная в Стандартной модели объединяет электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Его можно выразить в следующей форме: [14]

Калибровочные поля здесь принадлежат фундаментальным представлениям электрослабой . группы Ли раз на цветовую симметрию группы Ли SU(3) . Константа связи обеспечивает связь гиперзаряда к бозон и связь через три векторных бозона к слабому изоспину, компоненты которого записаны здесь в виде матриц Паули . По механизму Хиггса эти бозонные поля объединяются в безмассовое электромагнитное поле. и поля трех массивных векторных бозонов и .

Общая теория относительности

[ редактировать ]

Ковариантная производная в общей теории относительности является частным примером калибровочной ковариантной производной. Оно соответствует связности Леви Чивиты (специальной римановой связности ) на касательном расслоении (или расслоении фреймов ), т. е. действует на касательные векторные поля или, в более общем смысле, на тензоры. Обычно его записывают как вместо . В этом частном случае выбор (локальных) координат не только дает частные производные , но они служат каркасом касательных векторов в котором векторное поле может быть однозначно выражено как (здесь используется определение векторного поля как оператора гладких функций, который удовлетворяет правилу произведения, т.е. деривации ). Следовательно, в этом случае «внутренние индексы также являются индексами пространства-времени». С точностью до несколько иной нормировки (и обозначений) калибровочный потенциал – это символ Кристоффеля , определяемый формулой

.

Это дает ковариантную производную

.

Формальное сходство с калибровочной ковариантной производной становится более очевидным, когда выбор координат отделен от выбора системы отсчета векторных полей. . Особенно когда кадр ортонормирован, такой кадр обычно называют d-Bein . Затем

где .Прямым аналогом «калибровочной свободы» калибровочной ковариантной производной является произвольность выбора ортонормированного d-Бейна в каждой точке пространства-времени : локальная лоренц-инвариантность. [ нужна ссылка ] . Однако в этом случае более общая независимость выбора координат для определения связности Леви Чивиты дает диффеоморфизм или общую координатную инвариантность.

Гидродинамика

[ редактировать ]

В гидродинамике калибровочно-ковариантная производная жидкости может быть определена как

где скорости – векторное поле жидкости. [ нужна ссылка ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Л.Д. Фаддеев, А.А. Славнов, Калибровочные поля: введение в калибровочную теорию , (1980) Бенджамин Каммингс, ISBN   0-8053-9016-2
  2. ^ Клод Ицыксон, Жан-Бернар Зубер, Квантовая теория поля (1980) McGraw-Hill ISBN   0-07-032071-3
  3. ^ Уоррен Сигел, Филдс (1999) ArXiv
  4. ^ Ричард С. Пале, Геометризация физики (1981) Конспект лекций, Институт математики, Национальный университет Цин Хуа
  5. ^ М. Е. Майер, « Обзор: Дэвид Д. Бликер, Калибровочная теория и вариационные принципы », Bull. амер. Математика. Соц. (НС) 9 (1983), вып. 1, 83--92
  6. ^ Jump up to: а б Александр Гуай, Геометрические аспекты локальной калибровочной симметрии (2004)
  7. ^ Jump up to: а б Чарльз В. Миснер, Кип С. Торн и Джон Арчибальд Уилер, Гравитация , (1973) WH Freeman and Company
  8. ^ Дэвид Бликер, « Калибровочная теория и вариационные принципы , заархивировано 9 июля 2021 г. в Wayback Machine » (1982), D. Reidel Publishing (см. главу 3 )
  9. ^ Дэвид Бликер, соч. цит. ( См. главу 6. )
  10. ^ Мейнхард Э. Майер, «Основные расслоения против группоидов Ли в калибровочной теории», (1990) в книге «Дифференциальные геометрические методы в теоретической физике» , том 245 , стр. 793-802.
  11. ^ Пескин, Майкл, Э.; Шредер, Дэниел, В. (1995). Введение в квантовую теорию поля . Эддисон Уэсли. стр. 78, 490. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ Дженкинс, Элизабет Э.; Манохар, Аниш В.; Тротт, Майкл (2013). «О калибровочной инвариантности и минимальной связи» (PDF) . Журнал физики высоких энергий . 2013 (9). Спрингер. дои : 10.1007/JHEP09(2013)063 . S2CID   256013401 .
  13. ^ «Квантовая хромодинамика (КХД)» .
  14. ^ См., например, уравнение. 3.116 в К. Талли, Физика элементарных частиц в двух словах , 2011, Princeton University Press.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2d26ba6a4edfae7cb8a783ccd0d373b4__1716336480
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2d/b4/2d26ba6a4edfae7cb8a783ccd0d373b4.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Gauge covariant derivative - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)