Jump to content

Биспинор

В физике и особенно в квантовой теории поля , биспинор — это математическая конструкция, которая используется для описания некоторых фундаментальных частиц природы , , включая кварки и электроны . Это конкретный вариант спинора , специально сконструированный так, чтобы он соответствовал требованиям специальной теории относительности . Биспиноры преобразуются определенным «спинориальным» образом под действием группы Лоренца , которая описывает симметрии пространства-времени Минковского . Они происходят в релятивистской спин- 1/2 решения функции волновой уравнения Дирака .

Биспиноры называются так потому, что они состоят из двух более простых компонентных спиноров, спиноров Вейля . со спином 1/2 Каждый из двух компонентных спиноров преобразуется по-разному под действием двух различных комплексно-сопряженных представлений группы Лоренца . Это спаривание имеет фундаментальное значение, поскольку оно позволяет изображенной частице иметь массу , нести заряд и представлять поток заряда как ток и, что, возможно, наиболее важно, переносить угловой момент . Точнее, масса является инвариантом Казимира группы Лоренца (собственное состояние энергии), тогда как комбинация векторов несет импульс и ток, будучи ковариантной под действием группы Лоренца. Угловой момент переносится вектором Пойнтинга , соответствующим образом построенным для спинового поля. [1]

Биспинор — это более или менее «то же самое», что и спинор Дирака . Используемое здесь соглашение заключается в том, что в статье о спиноре Дирака представлены плоские волновые решения уравнения Дирака с использованием соглашения Дирака для гамма-матриц . То есть спинор Дирака является биспинором в соглашении Дирака. Напротив, статья ниже концентрируется в первую очередь на Вейле, или киральном представлении, менее сосредоточена на уравнении Дирака и больше сосредоточена на геометрической структуре, включая геометрию группы Лоренца . Таким образом, многое из сказанного ниже можно применить к уравнению Майораны .

Определение

[ редактировать ]

Биспиноры — это элементы 4-мерного комплексного векторного пространства ( 1 / 2 , 0) ⊕ (0, 1/2 ) представление группы Лоренца . [2]

В базисе Вейля биспинор

состоит из двух (двухкомпонентных) спиноров Вейля и которые преобразуются соответственно под действием ( 1/2 , , 0) и (0 1 / 2 ) представления группа (группа Лоренца без преобразований четности ). При преобразовании четности спиноры Вейля переходят друг в друга.

Биспинор Дирака соединяется с биспинором Вейля унитарным преобразованием в базис Дирака :

Базис Дирака является наиболее широко используемым в литературе.

Выражения для преобразований Лоренца биспиноров

[ редактировать ]

Биспинорное поле преобразуется по правилу

где является преобразованием Лоренца . Здесь координаты физических точек преобразуются по закону , пока , матрица, является элементом спинорного представления (для спина 1/2 ) группы Лоренца.

В базисе Вейля явные матрицы преобразования для повышения и для ротации следующие: [3]

Здесь - параметр повышения, и представляет собой вращение вокруг ось. матрицы Паули . Экспонента — это экспоненциальная карта , в данном случае матричная экспонента, определенная путем помещения матрицы в обычный степенной ряд для экспоненциальной функции.

Характеристики

[ редактировать ]

Билинейную форму биспиноров можно свести к пяти неприводимым (по группе Лоренца) объектам:

  1. скаляр , ;
  2. псевдоскаляр , ;
  3. вектор , ;
  4. псевдовектор , ;
  5. антисимметричный тензор , ,

где и являются гамма-матрицами . Эти пять величин связаны между собой тождествами Фирца . Их значения используются в классификации спинорных полей Лунесто для различных типов спиноров, из которых биспинор является лишь одним из них; остальные — это флагшток которого является спинор Майорана ( частным случаем ), флаг-диполь и спинор Вейля . Флагшток, флаг-диполь и спиноры Вейля имеют нулевую массу и псевдоскалярные поля; флагшток дополнительно имеет нулевое псевдовекторное поле, тогда как спиноры Вейля имеют нулевой антисимметричный тензор (нулевое «поле углового момента»).

Подходящий лагранжиан для релятивистского спина Поле ⁠ 1 / 2 может быть построено из них и задается как

Уравнение Дирака можно вывести из этого лагранжиана с помощью уравнения Эйлера-Лагранжа .

Вывод биспинорного представления

[ редактировать ]

Введение

[ редактировать ]

В этом плане описывается один тип биспиноров как элементы определенного пространства представления ( 1 / 2 , 0) ⊕ (0, 1/2 представление ) группы Лоренца. Это пространство представления связано, но не идентично ( 1 / 2 , 0) ⊕ (0, 1/2 пространство представления , как ) содержащееся в алгебре Клиффорда над пространством-временем Минковского, описано в статье Спиноры . Язык и терминология используются как в теории представлений группы Лоренца . Единственное свойство алгебр Клиффорда, существенное для изложения, — это определяющее свойство, приведенное ниже в D1 . Базисные элементы формулы ( 3,1) обозначены M примечание .

Представление алгебры Ли так (3,1) группы Лоренца O(3,1) возникнет среди матриц, которые будут выбраны в качестве базиса (в качестве векторного пространства) комплексной алгебры Клиффорда в пространстве-времени. Эти матрицы 4×4 затем возводятся в степень, давая представление SO(3,1) + . Это представление, которое оказывается ( 1 / 2 , 0) ⊕ (0, 1/2 представление, будет действовать как ) на произвольном 4-мерном комплексном векторном пространстве, которое будет просто взято C 4 , а его элементы будут биспинорами.

Для справки: коммутационные соотношения вид (3,1) имеют

( М1 )

с метрикой пространства-времени η = Diag(−1, 1, 1, 1) .

Гамма-матрицы

[ редактировать ]

Пусть γ м обозначают набор из четырех 4-мерных гамма-матриц, называемых здесь матрицами Дирака . Матрицы Дирака удовлетворяют

[4] ( Д1 )

где { , } антикоммутатор , I 4 единичная матрица 4×4 , а η примечание — метрика пространства-времени с сигнатурой (+,−,−,−). Это определяющее условие для порождающего множества алгебры Клиффорда . Дополнительные базисные элементы σ примечание алгебры Клиффорда имеют вид

[5] ( С1 )

Только шесть матриц σ примечание линейно независимы. Это следует непосредственно из их определения, поскольку σ примечание = − п н.м. . Они действуют на подпространстве V γ γ , м промежуток в пассивном смысле , согласно

[6] ( С2 )

В (C2) второе равенство следует из свойства (D1) алгебры Клиффорда.

Вложение алгебры Ли so(3,1) в Cl 4 (C)

[ редактировать ]

Теперь определим действие so (3,1) на σ примечание , а линейное подпространство V σ ⊂ Cl 4 ( C ) они охватывают в Cl 4 ( C ) ≈ M н C , заданный

( С4 )

Последнее равенство в (C4) , следующее из (C2) и свойства (D1) гамма-матриц, показывает, что σ примечание представляют собой представление so (3,1), поскольку коммутационные соотношения в (C4) в точности такие же, как и so (3,1) . Действие π(M примечание ) можно рассматривать как шестимерные матрицы Σ примечание умножая базисные векторы σ примечание , поскольку пространство в M n ( C ), натянутое на σ примечание является шестимерным, или его можно рассматривать как действие коммутацией на σ рупий . Далее π ( M примечание ) = п примечание

γ м и σ примечание оба (непересекающиеся) подмножества базисных элементов Cl 4 ( C ), порожденные четырехмерными матрицами Дирака γ м в четырех измерениях пространства-времени. Таким образом, алгебра Ли so (3,1) вложена в Cl 4 ( C ) посредством π как вещественное подпространство Cl 4 ( C ), натянутое на σ примечание . Для полного описания остальных базисных элементов, кроме γ м и σ примечание алгебры Клиффорда см. в статье « Алгебра Дирака» .

Биспиноры представлены

[ редактировать ]

Теперь введем любое четырехмерное комплексное векторное пространство U, в котором γ м действовать путем умножения матриц. Здесь U = C 4 прекрасно справится. Пусть Λ = e О, дорогой М примечание — преобразование Лоренца и определим действие группы Лоренца на U как

Поскольку σ примечание согласно (C4) представляют собой представление so (3,1) , индуцированное отображение

( С5 )

согласно общей теории либо является представлением, либо проективным представлением SO (3,1) + . Это окажется проективное представление. Элементы U , наделенные правилом преобразования, заданным S , называются биспинорами или просто спинорами .

Выбор матриц Дирака

[ редактировать ]

Осталось выбрать набор матриц Дирака γ м чтобы получить представление спина S . Одним из таких вариантов, подходящим для ультрарелятивистского предела , является

[7] ( Е1 )

где σi матрицы Паули . В этом представлении генераторов алгебры Клиффорда σ примечание становиться

[8] ( Е23 )

Это представление явно не является неприводимым, поскольку все матрицы блочно-диагональные . Но из-за неприводимости матриц Паули представление не может быть сокращено дальше. Поскольку это 4-мерный объект, единственная возможность состоит в том, что это ( 1 / 2 ,0)⊕(0, 1/2 представление, т . е . ) биспинорное представление. Теперь, используя рецепт возведения в степень представления алгебры Ли, получим представление SO(3,1) + ,

( Е3 )

получено проективное двузначное представление. Здесь φ — вектор параметров вращения с 0 ≤ φ я ≤ 2 π , а χ — вектор параметров повышения . С учетом использованных здесь соглашений можно написать

( Е4 )

для биспинорного поля. Здесь верхняя компонента соответствует правому спинору Вейля . Чтобы включить инверсию пространственной четности в этот формализм, нужно установить

[9] ( Е5 )

как представитель P = Diag(1, −1, −1, −1) . Видно, что представление неприводимо, если включить инверсию пространственной четности.

Пусть X = 2 πM 12 так что X генерирует поворот вокруг оси z на угол 2 π . Тогда Λ = e IX = I ∈ SO(3,1) + но е яπ ( Икс ) знак равно - я ∈ GL( U ) . Здесь I обозначает идентификационный элемент. Если X = 0 вместо этого выбрано , то все равно Λ = e IX = I ∈ SO(3,1) + , но теперь е яπ ( Икс ) знак равно я ∈ GL( U ) .

Это иллюстрирует двузначную природу спинового представления. Тождество в SO(3,1) + отображается либо в I ∈ GL( U ), либо в I ∈ GL( U ) в зависимости от выбора элемента алгебры Ли для его представления. В первом случае можно предположить, что поворот на угол 2 π отрицает биспинор и что 4 π для поворота биспинора обратно в себя требуется поворот на . На самом деле происходит то, что тождество в SO(3,1) + отображается в I в GL( U ) с неудачным выбором X .

Невозможно непрерывно выбирать X для всех g ∈ SO(3,1) + так что S — непрерывное представление. Предположим, что S определен вдоль петли в SO(3,1) такой, что X ( t ) = 2 πtM 12 , 0 ≤ т ≤ 1 . Это замкнутый цикл в SO(3,1) , т.е. повороты в диапазоне от 0 до 2 π вокруг оси z при экспоненциальном отображении, но это только «половина» цикла в GL( U ) , заканчивающийся на I . Кроме того, значение I ∈ SO(3,1) неоднозначно, поскольку t = 0 и t = 2 π дают разные значения для I ∈ SO(3,1) .

Алгебра Дирака

[ редактировать ]

Представление S на биспинорах индуцирует представление SO(3,1) + на End( U ) набор линейных операторов на U . Это пространство соответствует самой алгебре Клиффорда, так что все линейные операторы на U являются элементами последней. Это представление и то, как оно разлагается в прямую сумму неприводимых SO(3,1) + представления, описано в статье об алгебре Дирака . Одним из следствий является разложение билинейных форм на U × U . Это разложение подсказывает, как соединить любое биспинорное поле с другими полями в лагранжиане, чтобы получить скаляры Лоренца .

Биспиноры и алгебра Дирака

[ редактировать ]

Матрицы Дирака представляют собой набор из четырех матриц 4×4, образующих алгебру Дирака , и используются для переплетения направления вращения с локальной системой отсчета (локальной системой координат пространства-времени), а также для определения заряда ( C-симметрия ). , четности и обращения времени операторы .

Конвенции

[ редактировать ]

Существует несколько вариантов подписи и представления , которые широко используются в физической литературе. Матрицы Дирака обычно записываются как где работает от 0 до 3. В этих обозначениях 0 соответствует времени, а от 1 до 3 соответствуют x , y и z .

Сигнатуру + - - - иногда называют метрикой западного побережья , а - + + + - метрикой восточного побережья . В настоящее время + - - - более широко используется подпись , и в нашем примере будет использоваться именно эта подпись. Чтобы перейти от одного примера к другому, умножьте все к .

После выбора подписи существует множество способов построения представления в матрицах 4×4, и многие из них широко используются. Чтобы сделать этот пример максимально общим, мы не будем указывать представление до последнего шага. Тогда мы заменим в «киральном» представлении или представлении Вейля .

Построение спинора Дирака с заданным направлением спина и зарядом.

[ редактировать ]

Сначала мы выбираем направление вращения нашего электрона или позитрона. Как и в примере с алгеброй Паули, рассмотренном выше, направление вращения определяется единичным вектором в трех измерениях (a, b, c). Следуя соглашению Пескина и Шредера, оператор спина для вращения в направлении (a, b, c) определяется как скалярное произведение (a, b, c) с вектором

Обратите внимание, что приведенное выше является корнем из единицы , то есть оно приводит в квадрат к 1. Следовательно, мы можем сделать из него оператор проектирования , который проецирует подалгебру алгебры Дирака, спин которой ориентирован в (a, b, в) направление:

Теперь нам нужно выбрать заряд: +1 (позитрон) или -1 (электрон). Согласно соглашениям Пескина и Шредера, оператором взимания платы является , то есть электронные состояния будут принимать собственное значение -1 по отношению к этому оператору, а состояния позитрона будут принимать собственное значение +1.

Обратите внимание, что также является квадратным корнем из единицы. Более того, ездит с . Они образуют полный набор коммутирующих операторов алгебры Дирака . Продолжая наш пример, мы ищем изображение электрона со спином в направлении ( a , b , c ) . Поворот в оператор проектирования для заряда = −1, имеем

Таким образом, оператор проекции искомого нами спинора является произведением двух найденных нами операторов проекции:

Приведенный выше оператор проекции, примененный к любому спинору, даст ту часть спинора, которая соответствует искомому электронному состоянию. Таким образом, мы можем применить его к спинору со значением 1 в одной из его компонент и 0 в остальных, что дает столбец матрицы. Продолжая пример, положим ( a , b , c ) = (0, 0, 1) и имеем

и поэтому наш желаемый оператор проекции:

Гамма-матрицы 4×4, используемые в представлении Вейля, имеют вид

для k = 1, 2, 3 и где — обычные матрицы Паули размера 2×2 . Замена их на P дает

Наш ответ — любой ненулевой столбец приведенной выше матрицы. Деление на два — это просто нормализация. Первый и третий столбцы дают одинаковый результат:

В более общем смысле, для электронов и позитронов со спином, ориентированным в направлении ( a , b , c ), оператор проекции равен

где верхние знаки относятся к электрону, а нижние знаки относятся к позитрону. Соответствующим спинором можно считать любой ненулевой столбец. С разные столбцы кратны одному и тому же спинору. Представление полученного спинора в базисе Дирака можно получить, воспользовавшись правилом, приведенным в статье о биспиноре.

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Ханс К. Оганян (1986) «Что такое вращение?», Американский физический журнал . 54 , страница 500. doi: 10.1119/1.14580
  2. ^ Кабан и Рембилински 2005 , с. 2
  3. ^ Дэвид Тонг, Лекции по квантовой теории поля (2012), Лекция 4
  4. ^ Вайнберг 2002 , уравнение 5.4.5.
  5. ^ Вайнберг 2002 , уравнение 5.4.6.
  6. ^ Вайнберг 2002 , уравнение 5.4.7.
  7. ^ Вайнберг 2002 , Уравнения (5.4.17)
  8. ^ Вайнберг 2002 , уравнения (5.4.19) и (5.4.20).
  9. ^ Вайнберг 2002 , Уравнение (5.4.13)
  • Кабан, Павел; Рембилински, Якуб (5 июля 2005 г.). «Лоренц-ковариантная приведенная матрица спиновой плотности и корреляции Эйнштейна-Подольского-Розена-Бома». Физический обзор А. 72 (1): 012103. arXiv : quant-ph/0507056v1 . Бибкод : 2005PhRvA..72a2103C . дои : 10.1103/physreva.72.012103 . S2CID   119105796 .
  • Вайнберг, С. (2002), Квантовая теория полей, том I , ISBN  0-521-55001-7 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 41de3fdaa9ccf708408cf1bdcd00223e__1686776760
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/41/3e/41de3fdaa9ccf708408cf1bdcd00223e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Bispinor - 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.)