Jump to content

Спиновое представление

(Перенаправлено из представления Spinor )

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 ( ) 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,

[1]

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 2 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 ∧ 2V ), 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.

  1. 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 .
  2. 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 .
  3. 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 ( , 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 ]
  1. ^ Фултон и Харрис, 1991, глава 20, стр.303. Множитель 2 не важен, он согласуется с конструкцией алгебры Клиффорда.
  2. ^ поскольку если является покрытием, то , так и поскольку является скаляром, мы получаем
  3. ^ 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.
  • 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: adc35b3348dbdb27a1741a0836b94375__1714729320
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ad/75/adc35b3348dbdb27a1741a0836b94375.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Spin representation - 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.)