Спиновое представление
В математике — представления спина это конкретные проективные представления ортогональных специальных или ортогональных групп в произвольной размерности и сигнатуре (т. е. включая неопределенные ортогональные группы ). Точнее, это два эквивалентных представления спиновых групп , которые являются двойными накрытиями специальных ортогональных групп. Обычно они изучаются на основе действительных или комплексных чисел , но их можно определить и на других полях .
Элементы спинового представления называются спинорами . Они играют важную роль в физическом описании фермионов, таких как электрон .
Представления спина могут быть построены несколькими способами, но обычно построение включает (возможно, только неявно) выбор максимального изотропного подпространства в векторном представлении группы. Что касается действительных чисел, это обычно требует использования комплексификации векторного представления. По этой причине удобно сначала определить представления спина для комплексных чисел и получить действительные представления, введя действительные структуры .
Свойства представлений спина тонким образом зависят от размерности и сигнатуры ортогональной группы. В частности, спиновые представления часто допускают инвариантные билинейные формы , которые можно использовать для встраивания спиновых групп в классические группы Ли . В малых размерностях эти вложения сюръективны и определяют специальные изоморфизмы между спиновыми группами и более знакомыми группами Ли; это объясняет свойства спиноров в этих измерениях.
Настраивать
[ редактировать ]Пусть V — конечномерное вещественное или комплексное векторное пространство с невырожденной формой Q. квадратичной (Вещественные или комплексные) линейные отображения , сохраняющие Q, образуют ортогональную группу O( V , Q ) . Единичный компонент группы называется специальной ортогональной группой SO( V , Q ) . (Для V вещественного с неопределенной квадратичной формой эта терминология не является стандартной: в этом случае специальная ортогональная группа обычно определяется как подгруппа с двумя компонентами.) С точностью до группового изоморфизма SO ( V , Q ) имеет единственную связную группу . двойное покрытие , спиновая группа Spin( V , Q ) . Таким образом, существует групповой гомоморфизм h : Spin( V , Q ) → SO( V , Q ), которого ядро имеет два элемента, обозначаемые {1, −1} , где 1 — единичный элемент . Таким образом, групповые элементы g и −g группы Spin( V , Q ) эквивалентны после гомоморфизма SO( V , Q ) ; то есть час ( г ) = час ( -г ) для любого г в Spin( V , Q ) .
Группы O( V , Q ), SO( V , Q ) и Spin( V , Q ) являются группами Ли , и при фиксированном ( V , Q ) они имеют одну и ту же алгебру Ли , поэтому ( V , Q ) . Если V вещественно, то V векторным подпространством его комплексификации VC , и = V ⊗ RC естественным образом продолжается до квадратичная форма Q квадратичной формы Q C на VC является вещественным . Это встраивает SO( V , Q ) как подгруппу SO ( VC следовательно , , Q C ) мы можем реализовать Spin( V , Q ) как подгруппу Spin( VC , , и , Q C ) . того, so ( VC является , QC Более ) комплексификацией so ( V , Q ) .
однозначно с точностью до изоморфизма размерностью n V В комплексном случае квадратичные формы определяются . Конкретно можно считать V = C н и
Соответствующие группы Ли обозначаются O( n , C ), SO( n , C ), Spin( n , C ) , а их алгебра Ли — так ( n , C ) .
В реальном случае квадратичные формы определяются с точностью до изоморфизма парой неотрицательных целых чисел ( p , q ) , где n = p + q — размерность V , а p — q — сигнатура . Конкретно можно считать V = R н и
Соответствующие группы Ли и алгебра Ли обозначаются O( p , q ), SO( p , q ), Spin( p , q ) и , следовательно, ( p , q ) . Мы пишем Р. п , д вместо Р н сделать подпись явной.
Представления спина в некотором смысле являются простейшими представлениями Spin ( n , C ) и Spin( p , q ) , которые не происходят из представлений SO( n , C ) и SO( p , q ) . Таким образом, спиновое представление представляет собой вещественное или комплексное векторное пространство S вместе с групповым гомоморфизмом ρ из Spin( n , C ) или Spin( p , q ) в общую линейную группу GL( S ) таким, что элемент −1 равен не в ядре ρ .
Если S является таким представлением, то в соответствии с соотношением между группами Ли и алгебрами Ли оно индуцирует представление алгебры Ли , т. е. гомоморфизм алгебры Ли из so ( n , C ) или so ( p , q ) в алгебру Ли. gl ( S ) эндоморфизмов S со коммутатором скобкой - .
Спиновые представления можно анализировать в соответствии со следующей стратегией: если S — вещественное спиновое представление Spin( p , q ) , то его комплексификация — это комплексное спиновое представление Spin( p , q ) ; как представление so ( p , q ) , оно поэтому расширяется до комплексного представления so ( n , C ) . Поэтому, действуя в обратном порядке, мы сначала строим комплексные спиновые представления Spin( n , C ) и so ( n , C ) , затем ограничиваем их комплексными спиновыми представлениями so ( p , q ) и Spin( p , q ) , а затем, наконец, проанализировать возможные приведения к представлениям реального спина.
Комплексные спиновые представления
[ редактировать ]Let V = C н со стандартной квадратичной формой Q так, что
Симметричная билинейная форма на V , связанная с Q поляризацией , обозначается ⟨.,.⟩ .
Изотропные подпространства и корневые системы
[ редактировать ]Стандартное построение спиновых представлений so ( n , C ) начинается с выбора пары ( W , W ∗ ) максимальных вполне изотропных подпространств (относительно Q ) пространства V таких, что W ∩ W ∗ = 0 . Давайте сделаем такой выбор. Если n = 2 m или n = 2 m + 1 , то W и W ∗ оба имеют размерность m . Если n = 2 m , то V = W ⊕ W ∗ , тогда как если n = 2 m + 1 , то V = W ⊕ U ⊕ W ∗ , где U — одномерное ортогональное дополнение к W ⊕ W ∗ . Билинейная форма ⟨.,.⟩, связанная с Q, индуцирует спаривание между W и W ∗ , который должен быть невырожденным, поскольку W и W ∗ являются вполне изотропными подпространствами и Q невырождено. Следовательно, W и W ∗ являются двойственными векторными пространствами .
Более конкретно, пусть a 1 , ... будет am базой для W . Тогда существует единственный базис α 1 , ... α m группы W ∗ такой, что
Если A — матрица размера m × m , то A индуцирует эндоморфизм W относительно этого базиса и транспонирования A Т индуцирует преобразование W ∗ с
для всех w в W и w ∗ в Вт ∗ . Отсюда следует, что эндоморфизм ρ A группы V , равный A на W , − A Т на Вт ∗ и ноль на U (если n нечетно), является перекосом,
для всех u , v в V и, следовательно, (см. классическую группу ) элемент so ( n , C ) ⊂ End( V ) .
Использование диагональных матриц в этой конструкции определяет подалгебру h в so ( n , C ) : ранг so n ( n , C ) равен m , а диагональные матрицы n × картановскую определяют m -мерную абелеву подалгебру.
Пусть ε 1 , ... ε m — базис h ∗ для диагональной матрицы A такая, что ε k ( ρ A ) является k -м диагональным элементом A . Очевидно, что это основа для h ∗ . Поскольку билинейная форма отождествляет so ( n , C ) с , явно,
теперь легко построить корневую систему, связанную с h . Корневые пространства (одновременные собственные пространства для действия h ) охватываются следующими элементами:
- с корнем (одновременное собственное значение)
- (который находится в h, если i = j ) с корнем
- с корнем
и, если n нечетно, а u — ненулевой элемент U ,
- с корнем
- с корнем
Таким образом, относительно базиса ε 1 , ... ε m корнями являются векторы из h ∗ это перестановки
вместе с перестановками
если n = 2 m + 1 нечетно.
Система положительных корней задается формулами ε i + ε j ( i ≠ j ), ε i − ε j ( i < j ) и (при n нечетном) ε i . Соответствующие простые корни :
Положительные корни представляют собой неотрицательные целочисленные линейные комбинации простых корней.
Спиновые представления и их веса
[ редактировать ]Одна конструкция спиновых представлений so ( n , C ) использует внешнюю алгебру (s)
- и/или
Существует действие V на S такое, что для любого элемента v = w + w ∗ в W ⊕ W ∗ и для любого ψ в S действие задается формулой:
где второй член — это сокращение ( внутреннее умножение ), определенное с использованием билинейной формы, которая объединяет W и W ∗ . Это действие соблюдает соотношения Клиффорда v 2 = Q ( v ) 1 и, таким образом, индуцирует гомоморфизм алгебры Клиффорда Cl n C группы V в End( S ) . Аналогичное действие можно определить на S ' , так что и S , и S ' являются модулями Клиффорда .
Алгебра Ли so ( n , C ) изоморфна комплексифицированной алгебре Ли spin n С в Cl n C посредством отображения, индуцированного накрытием Spin( n ) → SO( n ) [2]
Отсюда следует, что и S , и S ′ являются представлениями so ( n , C ) . На самом деле это эквивалентные мы сосредоточимся на S. представления, поэтому
Явное описание показывает, что элементы α i ∧ a i подалгебры Картана h действуют на S следующим образом:
Базис для S задают элементы вида
для 0 ≤ k ≤ m и я 1 < ... < i k . Они явно охватывают весовые пространства для действия h : α i ∧ a i имеет собственное значение -1/2 на данном базисном векторе, если i = i j для некоторого j , и имеет собственное значение 1/2 в противном случае.
Отсюда следует, что веса S представляют собой все возможные комбинации
и каждое весовое пространство одномерно. Элементы S называются спинорами Дирака .
Когда n четно, S не является неприводимым представлением : и являются инвариантными подпространствами. Веса делятся на веса с четным числом знаков минус и веса с нечетным количеством знаков минус. И S +, и S − являются неприводимыми представлениями размерности 2. м −1 элементы которого называются спинорами Вейля . Они также известны как киральные спиновые представления или полуспиновые представления. Что касается системы положительных корней, описанной выше, веса S старшие + и S − равны
- и
соответственно. Действие Клиффорда отождествляет Cl n C с End( S ), а четная подалгебра отождествляется с эндоморфизмами, сохраняющими S + и S − . Другой модуль Клиффорда S ′ изоморфен S. случае в этом
Когда n нечетно, S является неприводимым представлением so ( n , C ) размерности 2. м : действие Клиффорда единичного вектора u ∈ U определяется выражением
и поэтому элементы so ( n , C ) вида u ∧ w или u ∧ w ∗ не сохраняют четную и нечетную части внешней алгебры W . Наибольший вес S равен
Действие Клиффорда не является точным на S : Cl n C можно отождествить с End( S ) ⊕ End( S ′), где u действует с противоположным знаком на S ′. Точнее, два представления связаны четности инволюцией α Cl n C (также известной как главный автоморфизм), которая является тождеством четной подалгебры и минус тождество нечетной части Cl n C . Другими словами, существует линейный изоморфизм от S к S ', который отождествляет действие A в Cl n C на S с действием α ( A ) на S '.
Билинейные формы
[ редактировать ]если λ является весом S , то же самое относится и к − λ . Отсюда следует, что S изоморфно двойственному представлению S ∗ .
Когда n = 2 m + 1 нечетно, изоморфизм B : S → S ∗ уникальна в масштабе по лемме Шура , поскольку S неприводима, и определяет невырожденную инвариантную билинейную форму β на S через
Здесь инвариантность означает, что
для всех ξ в so ( n , C ) и φ , ψ в S — другими словами, действие ξ косо относительно β . На самом деле правда больше: S ∗ является представлением противоположной алгебры Клиффорда, и, следовательно, поскольку Cl n C имеет только два нетривиальных простых модуля S и S ′, связанных инволюцией четности α , существует антиавтоморфизм τ τ группы Cl n C такой, что
для любого A из Cl n C . Фактически τ — это реверсия (антиавтоморфизм, индуцированный тождеством на V ) для четного m , и сопряжение (антиавтоморфизм, индуцированный вычетом тождества на V ) для m нечетного . Эти два антиавтоморфизма связаны инволюцией четности α , которая является автоморфизмом, индуцированным минус-тождеством на V . Оба удовлетворяют τ ( ξ ) = − ξ для ξ в so ( n , C ).
Когда n = 2 m , ситуация более чувствительно зависит от четности m . При четном m вес λ имеет четное количество знаков минус тогда и только тогда, когда — λ имеет; отсюда следует, что существуют отдельные изоморфизмы B ± : S ± → S ± ∗ каждого представления полуспина с его двойником, каждое из которых определяется однозначно в пределах масштаба. Их можно объединить в изоморфизм B : S → S. ∗ . Для m нечетного λ является весом S + тогда и только тогда, когда − λ является весом S − ; таким образом, существует изоморфизм от S + до S − ∗ , снова уникальный в пределах масштаба, и его транспонирование обеспечивает изоморфизм от S − до S + ∗ . Их снова можно объединить в изоморфизм B : S → S. ∗ .
Как для четного , так и для нечетного m свобода выбора B может быть ограничена общим масштабом, настаивая на том, что билинейная форма β, соответствующая B , удовлетворяет (1), где τ — фиксированный антиавтоморфизм (либо реверсия, либо сопряжение).
Симметрия и тензорный квадрат
[ редактировать ]Свойства симметрии β : S ⊗ S → C можно определить с помощью алгебр Клиффорда или теории представлений. На самом деле можно сказать гораздо больше: тензорный квадрат S ⊗ S должен разложиться в прямую сумму k -форм на V для различных k , поскольку все его веса являются элементами из h ∗ компоненты которого принадлежат {−1,0,1}. Теперь эквивариантные линейные отображения S ⊗ S → ∧ к V ∗ биективно соответствуют инвариантным отображениям ∧ к V ⊗ S ⊗ S → C и ненулевые такие отображения могут быть построены включением ∧ к V в алгебру Клиффорда. Более того, если β ( φ , ψ ) = β ( ψ , φ ) и τ имеет знак ∧ τ к Ви тогда
для A в ∧ к V .
Если n = 2 m +1 нечетно, то из леммы Шура следует, что
(обе стороны имеют размерность 2 22м и представления справа неэквивалентны). Поскольку симметрии управляются инволюцией τ , которая является либо сопряжением, либо реверсией, симметрия ∧ 2дж V ∗ компонент чередуется с j . Элементарная комбинаторика дает
а знак определяет, какие представления встречаются в S 2 S и которые встречаются в ∧ 2 С. [3] В частности
- и
для v ∈ V (изоморфного ∧ 22м V ), подтверждающее, что τ является реверсией для четного m и сопряжением для m нечетного .
Если n = 2 m четное, анализ становится более сложным, но в результате получается более точное разложение: S 2 S ± , ∧ 2 S ± и S + ⊗ S − каждая может быть разложена в прямую сумму k -форм (где при k = m происходит дальнейшее разложение на самодуальные и антиавтодуальные m -формы).
Основным результатом является реализация so ( n , C ) как подалгебры классической алгебры Ли на S , зависящей от n по модулю 8, согласно следующей таблице:
п против 8 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Спинорная алгебра |
При n ≤ 6 эти вложения являются изоморфизмами (на sl, а не на gl для n = 6):
Реальные представления
[ редактировать ]Представления комплексного спина so ( n , C ) дают вещественные представления S so ) , ( p , q ограничивая действие вещественными подалгебрами. Однако существуют дополнительные структуры «реальности», инвариантные относительно действия вещественных алгебр Ли. Они бывают трех типов.
- Существует инвариантное комплексное антилинейное отображение r : S → S такое, что r 2 = S. идентификатор Тогда множество неподвижных точек r является вещественным векторным подпространством S R в S с таким, что S R ⊗ C = S . Это называется реальной структурой .
- Существует инвариантное комплексное антилинейное отображение j : S → S с j 2 -id S. = что тройка i , j и k := ij превращает S в кватернионное векторное пространство SH . Отсюда следует , Это называется кватернионной структурой .
- Существует инвариантное комплексное антилинейное отображение b : S → S. ∗ это обратимо. Это определяет псевдоэрмитову билинейную форму на S и называется эрмитовой структурой .
Тип структуры, инвариантной относительно so ( p , q ), зависит только от сигнатуры p − q по модулю 8 и определяется следующей таблицей.
п - q мод 8 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Структура | Р + Р | Р | С | ЧАС | Ч + Ч | ЧАС | С | Р |
Здесь R , C и H обозначают вещественную, эрмитову и кватернионную структуру соответственно, а R + R и H + H указывают, что оба представления полуспиновой структуры допускают вещественную или кватернионную структуру соответственно.
Описание и таблицы
[ редактировать ]Для завершения описания реального представления необходимо описать, как эти структуры взаимодействуют с инвариантными билинейными формами. Поскольку n = p + q ≅ p − q mod 2, есть два случая: размерность и подпись четные, а размерность и подпись нечетные.
Нечетный случай проще: существует только одно комплексное спиновое представление S и эрмитовы структуры не возникают. За исключением тривиального случая n = 1, S всегда четномерен, скажем, dim S = 2 N . Действительными формами so (2 N , C ) являются so ( K , L ) с K + L = 2 N и поэтому ∗ ( N , H ), в то время как реальные формы sp (2 N , C ) — это sp (2 N , R ) и sp ( K , L ) с K + L = N . Наличие действия Клиффорда V на S приводит к тому, что K = L в обоих случаях, если только pq = 0, в этом случае KL =0, что обозначается просто so (2 N ) или sp ( N ). Следовательно, представления нечетных спинов можно свести в следующую таблицу.
п против 8 | 1, 7 | 3, 5 | |
---|---|---|---|
п - q мод 8 | итак (2 Н , С ) | сп (2 Н , С ) | |
1, 7 | Р | так ( N , N ) или так ( 2 N ) | сп (2 Н , Р ) |
3, 5 | ЧАС | так ∗ ( Н , Ч ) | сп ( Н /2, Н /2) † или сп ( Н ) |
(†) N четно для n > 3 , а для n = 3 это sp (1) .
Четномерный случай аналогичен. При n > 2 комплексные представления полуспина четномерны. Нам приходится дополнительно иметь дело с эрмитовыми структурами и вещественными формами sl (2 N , C ) , которыми являются sl (2 N , R ) , su ( K , L ) с K + L = 2 N и sl ( N , Х ) . Полученные представления о четных спинах суммируются следующим образом.
п против 8 | 0 | 2, 6 | 4 | |
---|---|---|---|---|
п - q мод 8 | итак (2 N , C )+ итак (2 N , C ) | сл (2 Н , С ) | сп (2 Н , С )+ сп (2 Н , С ) | |
0 | Р + Р | итак ( N , N )+ так ( N , N ) ∗ | сл ( 2Н , Р ) | сп (2 Н , Р )+ сп (2 Н , Р ) |
2, 6 | С | итак (2 Н , С ) | су ( Н , Н ) | сп (2 Н , С ) |
4 | Ч + Ч | так ∗ ( N , H )+ поэтому ∗ ( Н , Ч ) | сл ( Н , Ч ) | сп ( N /2, N /2)+ сп ( N /2, N /2) † |
(*) Для pq = 0 вместо этого имеем so (2 N ) + so (2 N )
(†) N четно для n > 4 и для pq = 0 (включая n = 4 с N = 1 ), вместо этого мы имеем sp ( N ) + sp ( N )
Маломерные изоморфизмы в комплексном случае имеют следующие вещественные формы.
Евклидова подпись | подпись Минковского | Другие подписи | |
Единственные специальные изоморфизмы вещественных алгебр Ли, отсутствующие в этой таблице, — это и
Примечания
[ редактировать ]- ^ Фултон и Харрис, 1991, глава 20, стр.303. Множитель 2 не важен, он согласуется с конструкцией алгебры Клиффорда.
- ^ поскольку если является покрытием, то , так и поскольку является скаляром, мы получаем
- ^ Этот знак также можно определить из наблюдения, что если φ является вектором старшего веса для S , то φ ⊗ φ является вектором старшего веса для ∧ м V ≅ ∧ м +1 V , поэтому это слагаемое должно встречаться в S 2 С.
Ссылки
[ редактировать ]- Брауэр, Ричард ; Вейль, Герман (1935), «Спиноры в n измерениях», Американский журнал математики , 57 (2), Американский журнал математики, Том. 57, № 2: 425–449, номер документа : 10.2307/2371218 , JSTOR 2371218 .
- Картан, Эли (1966), Теория спиноров , Париж, Герман (переиздано в 1981 году, Dover Publications), ISBN 978-0-486-64070-9 .
- Шевалле, Клод (1954), Алгебраическая теория спиноров и алгебр Клиффорда , издательство Колумбийского университета (перепечатано в 1996 году, Springer), ISBN 978-3-540-57063-9 .
- Делинь, Пьер (1999), «Заметки о спинорах», П. Делинь; П. Этингоф; Д.С. Фрид; LC Джеффри; Д. Каждан; Дж. В. Морган; Д.Р. Моррисон; Э. Виттен (ред.), Квантовые поля и струны: курс для математиков , Провиденс: Американское математическое общество, стр. 99–135 . См. также веб-сайт программы для предварительной версии.
- Фултон, Уильям ; Харрис, Джо (1991), Теория представлений. Первый курс , Тексты для аспирантов по математике , Чтения по математике, вып. 129, Нью-Йорк: Springer-Verlag , ISBN. 0-387-97495-4 , МР 1153249 .
- Харви, Ф. Риз (1990), Спиноры и калибровки , Academic Press, ISBN 978-0-12-329650-4 .
- Лоусон, Х. Блейн ; Майкельсон, Мария-Луиза (1989), Спиновая геометрия , Princeton University Press, ISBN 0-691-08542-0 .
- Вейль, Герман (1946), Классические группы: их инварианты и представления (2-е изд.), Princeton University Press (перепечатано в 1997 г.), ISBN 978-0-691-05756-9 .