Jump to content

Уравнение Вейля

В физике , особенно в квантовой теории поля , уравнение Вейля представляет собой релятивистское волновое уравнение , описывающее безмассовые частицы со спином 1/2, называемые фермионами Вейля . Уравнение названо в честь Германа Вейля . Фермионы Вейля — один из трех возможных типов элементарных фермионов, два других — Дирака и фермионы Майорана .

Ни одна из элементарных частиц Стандартной модели не является фермионом Вейля. До подтверждения осцилляций нейтрино считалось возможным, что нейтрино может быть фермионом Вейля (теперь ожидается, что это фермион Дирака или Майорана). В физике конденсированного состояния некоторые материалы могут отображать квазичастицы , которые ведут себя как фермионы Вейля, что приводит к понятию полуметаллов Вейля .

Математически любой фермион Дирака можно разложить на два фермиона Вейля противоположной киральности, связанные массовым членом. [1]

История [ править ]

Уравнение Дирака было опубликовано в 1928 году Полем Дираком и впервые использовалось для моделирования частиц со спином 1/2 в рамках релятивистской квантовой механики . [2] Герман Вейль опубликовал свое уравнение в 1929 году как упрощенную версию уравнения Дирака. [2] [3] Вольфганг Паули в 1933 году выступил против уравнения Вейля, поскольку оно нарушало четность . [4] Однако за три года до этого Паули предсказал существование нового элементарного фермиона , нейтрино , чтобы объяснить бета-распад , который в конечном итоге был описан с помощью уравнения Вейля.

В 1937 году Коньерс Херринг предположил, что фермионы Вейля могут существовать в виде квазичастиц в конденсированном состоянии. [5]

Нейтрино были экспериментально обнаружены в 1956 году как частицы с чрезвычайно малой массой (и исторически иногда даже считались безмассовыми). [4] В том же году эксперимент Ву показал, что паритет может быть нарушен из-за слабого взаимодействия , что противоречило критике Паули. [6] нейтрино За этим последовало измерение спиральности в 1958 году. [4] Поскольку эксперименты не показали никаких признаков массы нейтрино, интерес к уравнению Вейля возобновился. Таким образом, Стандартная модель была построена в предположении, что нейтрино являются фермионами Вейля. [4]

Хотя итальянский физик Бруно Понтекорво в 1957 году предположил возможность существования нейтринных масс и нейтринных осцилляций , [4] только в 1998 году Супер-Камиоканде наконец подтвердил существование нейтринных осцилляций и их ненулевую массу. [4] Это открытие подтвердило, что уравнение Вейля не может полностью описать распространение нейтрино, поскольку уравнения могут описывать только безмассовые частицы. [2]

В 2015 году первый полуметалл Вейля был экспериментально продемонстрирован в кристаллическом арсениде тантала (TaAs) в сотрудничестве команд М. З. Хасана ( Принстонский университет ) и Х. Дина ( Китайская академия наук ). [5] Независимо, в том же году команда М. Солячича ( Массачусетский технологический институт ) также наблюдала вейлевские возбуждения в фотонных кристаллах . [5]

Уравнение [ править ]

Уравнение Вейля имеет две формы. Правую форму можно записать так: [7] [8] [9]

Разложив это уравнение и подставив для скорости света это становится

где

- вектор 2 × 2. , компоненты которого представляют собой единичную матрицу для и матрицы Паули для и волновая функция Вейля – один из спиноров . Левая форма уравнения Вейля обычно записывается как:

где

Решения правых и левых уравнений Вейля различны: они имеют правую и левую спиральность и, следовательно, киральность соответственно. Удобно указать это явно следующим образом: и

Решения для плоских волн [ править ]

Плосковолновые . решения уравнения Вейля называются левым и правым спинорами Вейля, каждый из которых состоит из двух компонент Оба имеют форму

,

где

представляет собой зависящий от импульса двухкомпонентный спинор, который удовлетворяет условию

или

.

Путем прямых манипуляций получается, что

,

частице и приходит к выводу, что уравнения соответствуют безмассовой . В результате величина импульса относится непосредственно к волновому вектору по соотношениям де Бройля как:

Уравнение можно записать в терминах левых и правых спиноров как:

Спиральность [ править ]

Левая и правая компоненты соответствуют спиральности частиц, проекция оператора углового момента на линейный импульс :

Здесь

Лоренц-инвариантность [ править ]

Оба уравнения лоренц-инвариантны относительно преобразования Лоренца. где Точнее, уравнения преобразуются как

где является эрмитовым транспонированием при условии, что правое поле преобразуется как

Матрица связано с преобразованием Лоренца посредством двойного покрытия группы Лоренца специальной линейной группой данный

Таким образом, если непреобразованный дифференциал обращается в нуль в одной системе Лоренца, то он исчезает и в другой. Сходным образом

при условии, что левое поле преобразуется как

Доказательство: ни одно из этих свойств преобразования никоим образом не является «очевидным» и поэтому заслуживает тщательного вывода. Начните с формы

для какого-то неизвестного предстоит определить. Преобразование Лоренца в координатах имеет вид

или, что то же самое,

Это приводит к

Чтобы воспользоваться картой Вейля

несколько индексов необходимо поднять и понизить. Это легче сказать, чем сделать, поскольку это вызывает тождество

где плоского пространства — метрика Минковского . Приведенное выше тождество часто используется для определения элементов Делается транспонирование:

писать

Таким образом, человек восстанавливает первоначальную форму, если то есть, Проделав те же манипуляции с левым уравнением, приходим к выводу, что

с [а]

с Майораной Отношения

Уравнение Вейля традиционно интерпретируется как описание безмассовой частицы. Однако с небольшой переделкой можно получить двухкомпонентную версию уравнения Майораны . [10] Это происходит потому, что специальная линейная группа изоморфна симплектической группе Симплектическая группа определяется как набор всех комплексных матриц размера 2 × 2, удовлетворяющих условиям

где

Определяющее соотношение можно переписать как где является комплексно-сопряженным . Правое поле, как отмечалось ранее, преобразуется как

и поэтому комплексно-сопряженное поле преобразуется как

Применяя определяющее соотношение, можно сделать вывод, что

что является точно тем же свойством ковариации Лоренца, отмеченным ранее. Таким образом, линейная комбинация с использованием произвольного комплексного фазового коэффициента

преобразуется ковариантным образом; установка этого значения в ноль дает сложное двухкомпонентное уравнение Майораны . Уравнение Майораны традиционно записывается как четырехкомпонентное вещественное уравнение, а не как двухкомпонентное комплексное уравнение; вышеизложенное можно привести к четырехкомпонентной форме (подробности см. в этой статье). Аналогично, левокиральное уравнение Майораны (включая произвольный фазовый множитель ) является

Как отмечалось ранее, левая и правая киральные версии связаны преобразованием четности. Косой комплексный конъюгат можно признать зарядово-сопряженной формой Таким образом, уравнение Майораны можно прочитать как уравнение, связывающее спинор с его зарядово-сопряженной формой. Две различные фазы массового члена связаны с двумя различными собственными значениями оператора зарядового сопряжения; см . в зарядовом сопряжении Подробности и уравнении Майораны.

Определим пару операторов, операторов Майораны,

где является кратким напоминанием о необходимости использования комплексного сопряжения. При преобразованиях Лоренца они преобразуются как

тогда как спиноры Вейля преобразуются как

так же, как указано выше. Таким образом, их согласованные комбинации являются лоренц-ковариантными, и можно принять

как пара комплексных 2-спинорных уравнений Майораны.

Продукты и оба лоренц-ковариантны. Продукт явно

Для проверки этого необходимо иметь в виду, что и это RHS сводится к оператору Клейна – Гордона при условии, что , то есть Таким образом, эти два оператора Майораны являются «квадратными корнями» оператора Клейна – Гордона.

плотности Лагранжевы

Уравнения получены из лагранжевых плотностей

Рассматривая спинор и его конъюгат (обозначаемый ) в качестве независимых переменных получается соответствующее уравнение Вейля.

Спиноры Вейля [ править ]

Термин спинор Вейля также часто используется в более общем контексте как элемент модуля Клиффорда . Это тесно связано с решениями, приведенными выше, и дает естественную геометрическую интерпретацию спиноров как геометрических объектов, живущих на многообразии . Эта общая установка имеет множество сильных сторон: она проясняет их интерпретацию как фермионов в физике и показывает, как точно определить спин в общей теории относительности или, более того, для любого риманова многообразия или псевдориманова многообразия . Неформально это обрисовывается следующим образом.

Уравнение Вейля инвариантно относительно действия группы Лоренца. Это означает, что при применении ускорений и вращений форма самого уравнения не меняется. Однако форма спинора сам меняется. Если полностью игнорировать пространство-время , алгебра спиноров описывается (комплексифицированной) алгеброй Клиффорда . Спиноры трансформируются под действием спиновой группы . Это полностью аналогично тому, как можно говорить о векторе и как он преобразуется под действием группы вращения , за исключением того, что теперь это было адаптировано к случаю спиноров.

Учитывая произвольное псевдориманово многообразие размера , можно рассмотреть его касательное расслоение . В любой заданный момент касательное пространство это размерное векторное пространство . По этому векторному пространству можно построить алгебру Клиффорда на этом. Если являются базисом векторного пространства на , можно построить пару спиноров Вейля как [11]

и

При правильном рассмотрении в свете алгебры Клиффорда они, естественно, являются антикоммутирующими , то есть имеем следующее: Это можно с радостью интерпретировать как математическую реализацию принципа исключения Паули , что позволяет интерпретировать эти абстрактно определенные формальные структуры как фермионы. Для В многомерном пространстве-времени Минковского возможны только два таких спинора, условно обозначенных как «левый» и «правый», как описано выше. Более формальное, общее представление о спинорах Вейля можно найти в статье о спиновой группе .

Абстрактную общерелятивистскую форму уравнения Вейля можно понять следующим образом: дано псевдориманово многообразие над ним строится расслоение со спиновой группой в качестве слоя. Спиновая группа является двойным накрытием специальной ортогональной группы , и поэтому можно послойно отождествить спиновую группу с расслоением реперов над Когда это будет сделано, полученная структура будет называться спиновой структурой .

Выбор одной точки на волокне соответствует выбору локальной системы координат для пространства-времени; две разные точки на волокне связаны (лоренцевым) толчком/вращением, то есть локальным изменением координат. Естественными обитателями спиновой структуры являются спиноры Вейля, поскольку спиновая структура полностью описывает, как спиноры ведут себя при (Лоренцовых) повышениях/вращениях.

Для спинового многообразия аналогом метрической связности является спиновая связность ; по сути, это «то же самое», что и обычное соединение, только с последовательно прикрепленными к нему индексами вращения. Ковариантная производная может быть определена через связь совершенно обычным способом. Он естественным образом действует на расслоении Клиффорда ; расслоение Клиффорда — это пространство, в котором живут спиноры. Общее исследование таких структур и их взаимосвязей называется спиновой геометрией .

Математическое определение [ править ]

Для даже , четная подалгебра комплексной алгебры Клиффорда изоморфен , где . Левый (соответственно правый) комплексный спинор Вейля в Двухмерное пространство – это элемент (соответственно, ).

Особые случаи [ править ]

Из спиноров Вейля можно построить три важных частных случая. Одним из них является спинор Дирака , который можно рассматривать как пару спиноров Вейля, один левый и один правый. Они связаны друг с другом таким образом, что представляют собой электрически заряженное фермионное поле. Электрический заряд возникает вследствие трансформации поля Дирака под действием комплексифицированной спиновой группы Эта группа имеет структуру

где представляет собой круг, и его можно отождествить с электромагнетизма . Продукт это просто причудливое обозначение, обозначающее продукт с противоположными точками идентифицированные (двойное покрытие).

Спинор Майорана снова представляет собой пару спиноров Вейля, но на этот раз устроенных так, что левый спинор является зарядовым сопряжением правого спинора. В результате получается поле с двумя степенями свободы меньше, чем у спинора Дирака. Он не способен взаимодействовать с электромагнитным полем, так как под действием группа. То есть он преобразуется как спинор, но трансверсально, так что он инвариантен относительно действие спиновой группы.

Третий особый случай — спинор ELKO , построенный во многом аналогично спинору Майораны, за исключением дополнительного знака минус между парой сопряженных зарядов. Это снова делает его электрически нейтральным, но привносит ряд других весьма удивительных свойств.

Примечания [ править ]

  1. ^ Представленные здесь результаты идентичны результатам Асте (2010). [10] уравнения 52 и 57, хотя вывод, проведенный здесь, совершенно другой. Используемое здесь двойное накрытие также идентично уравнению Асте 48 и текущей версии (декабрь 2020 г.) статьи Википедии о группе Лоренца .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Шифман, Михаил (1999). Лекции ИТЭФ по физике элементарных частиц и теории поля . Том. 1. п. 292. ИСБН  9789810239480 .
  2. Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Пал, Палаш Б. (2011). «Фермионы Дирака, Майорана и Вейля» . Американский журнал физики . 79 (5): 485–498. arXiv : 1006.1718 . Бибкод : 2011AmJPh..79..485P . дои : 10.1119/1.3549729 . ISSN   0002-9505 . S2CID   118685467 .
  3. ^ Вейль, Герман (15 апреля 1929). «Гравитация и электрон» . Труды Национальной академии наук . 15 (4): 323–334. Бибкод : 1929PNAS...15..323W . дои : 10.1073/pnas.15.4.323 . ISSN   0027-8424 . ПМЦ   522457 . ПМИД   16587474 .
  4. Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж Биленький, С.М. (2005). «История нейтринных осцилляций» . Физика Скрипта . Т121 : 17–22. arXiv : hep-ph/0410090 . Бибкод : 2005PhST..121...17B . дои : 10.1088/0031-8949/2005/T121/001 . ISSN   0031-8949 . S2CID   119341278 .
  5. Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Вишванат, Ашвин (8 сентября 2015 г.). «Где вещи Вейля» . АПС Физика . Том. 8.
  6. ^ Ву, CS; Эмблер, Э.; Хейворд, RW; Хоппс, Д.Д.; Хадсон, Р.П. (1957). «Экспериментальная проверка сохранения четности при бета-распаде» . Физический обзор . 105 (4): 1413–1415. Бибкод : 1957PhRv..105.1413W . дои : 10.1103/PhysRev.105.1413 .
  7. ^ Пирсон, Э. Аберс, изд. (2004). Квантовая механика . Prentice Hall Inc. Аддисон Уэсли, ISBN  978-0-13-146100-0 .
  8. ^ Воан, Г., изд. (2010). Кембриджский справочник физических формул . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-57507-2 .
  9. ^ Пескин, Мэн; Шредер, Д.В. (1995). Введение в квантовую теорию поля . Аддисон-Уэсли. ISBN  0-201-50397-2 – через Google Книги.
  10. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Асте, Андреас (2010). «Прямая дорога к полям Майораны». Симметрия . Том. 2010, нет. 2. стр. 1776–1809. дои : 10.3390/sym2041776 . ISSN   2073-8994 .
  11. ^ Йост, Юрген (2002). Риманова геометрия и геометрический анализ (3-е изд.). Университетский текст Спрингера.

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 98c8cd0ca1b9d8764ee079f8f0137ed5__1718906100
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/98/d5/98c8cd0ca1b9d8764ee079f8f0137ed5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Weyl equation - 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.)