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:
- скаляр , ;
- псевдоскаляр , ;
- вектор , ;
- псевдовектор , ;
- 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.
Пример
[ редактировать ]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 ]- ^ Ханс К. Оганян (1986) «Что такое вращение?», Американский физический журнал . 54 , страница 500. doi: 10.1119/1.14580
- ^ Кабан и Рембилински 2005 , с. 2
- ^ Дэвид Тонг, Лекции по квантовой теории поля (2012), Лекция 4
- ^ Вайнберг 2002 , уравнение 5.4.5.
- ^ Вайнберг 2002 , уравнение 5.4.6.
- ^ Вайнберг 2002 , уравнение 5.4.7.
- ^ Вайнберг 2002 , Уравнения (5.4.17)
- ^ Вайнберг 2002 , уравнения (5.4.19) и (5.4.20).
- ^ Вайнберг 2002 , Уравнение (5.4.13)
Ссылки
[ редактировать ]- 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 .