Генераторы алгебры Клиффорда для релятивистской квантовой механики
В математической физике гамма -матрицы , также называемые матрицами Дирака , представляют собой набор обычных матриц со специфическими антикоммутационными отношениями, которые гарантируют, что они генерируют матричное представление алгебры Клиффорда . Также возможно определить гамма-матрицы более высокой размерности . При интерпретации как матрицы действия набора ортогональных базисных векторов для контравариантных векторов в пространстве Минковского векторы-столбцы, на которые действуют матрицы, становятся пространством спиноров , на котором действует алгебра Клиффорда пространства-времени . Это, в свою очередь, позволяет представлять бесконечно малые пространственные вращения и повышения Лоренца . Спиноры облегчают пространственно-временные вычисления в целом и, в частности, являются фундаментальными для уравнения Дирака для частиц с релятивистским спином . Гамма-матрицы были представлены Полем Дираком в 1928 году.
![{\displaystyle {\tfrac {\ 1\ {2}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В представлении Дирака четыре контравариантные гамма-матрицы имеют вид
![{\displaystyle {\begin{aligned}\gamma ^{0}&={\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&-1&0\\0&0&0&-1\end{pmatrix}},&\gamma ^{1 }&={\begin{pmatrix}0&0&0&1\\0&0&1&0\\0&-1&0&0\\-1&0&0&0\end{pmatrix}},\\\\\gamma ^{2}&={\begin{pmatrix}0&0&0&-i \\0&0&i&0\\0&i&0&0\\-i&0&0&0\end{pmatrix}},&\gamma ^{3}&={\begin{pmatrix}0&0&1&0\\0&0&0&-1\\-1&0&0&0\\0&1&0&0\end{pmatrix} }~.\end{выровнено}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
— времяподобная эрмитова матрица . Остальные три являются пространственноподобными антиэрмитовыми матрицами . Более компактно, где обозначает произведение Кронекера , а ( для j = 1, 2, 3 ) обозначает матрицы Паули .![{\displaystyle \ \gamma ^{0}=\sigma ^{3}\otimes I_{2}\,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \gamma ^{j}=i\sigma ^{2}\otimes \sigma ^{j}\,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \otimes \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \sigma ^{j}\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Кроме того, при обсуждении теории групп единичная матрица ( I ) иногда включается в состав четырех гамма-матриц, а также существует вспомогательная, «пятая» бесследовая матрица, используемая совместно с обычными гамма-матрицами.
![{\displaystyle {\begin{aligned}\ I_{4}={\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&1&0\\0&0&0&1\end{pmatrix}}\ ,\qquad \gamma ^{5}\equiv i \gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}={\begin{pmatrix}0&0&1&0\\0&0&0&1\\1&0&0&0\\0&1&0&0\end{pmatrix}}~.\ конец {выровнено}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
«Пятая матрица» не является полноценным членом основного набора из четырех; он используется для разделения номинальных левых и правых киральных представлений .![{\displaystyle \ \гамма ^{5}\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Гамма-матрицы имеют групповую структуру, гамма-группу , которая является общей для всех матричных представлений группы в любом измерении и для любой сигнатуры метрики. Например, матрицы Паули 2 × 2 представляют собой набор «гамма»-матриц в трехмерном пространстве с метрикой евклидовой сигнатуры (3, 0). В пяти измерениях пространства-времени четыре гаммы, указанные выше, вместе с пятой гамма-матрицей, представленной ниже, образуют алгебру Клиффорда.
Математическая структура
Определяющим свойством гамма-матриц порождать алгебру Клиффорда является антикоммутационное соотношение
![{\displaystyle \left\{\gamma ^{\mu },\gamma ^{\nu }\right\} = \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }+\gamma ^{\nu }\ гамма ^{\mu }=2\eta ^{\mu \nu }I_{4}\ ,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где фигурные скобки обозначают антикоммутатор , — метрика Минковского с сигнатурой (+ — — —) и — единичная матрица 4 × 4 .![{\displaystyle \ \{,\}\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \eta _ {\mu \nu }\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Это определяющее свойство является более фундаментальным, чем числовые значения, используемые в конкретном представлении гамма-матриц. Ковариантные гамма-матрицы определяются формулой
![{\displaystyle \ \gamma _{\mu }=\eta _{\mu \nu }\gamma ^{\nu } =\left\{\gamma ^{0},-\gamma ^{1},-\ гамма ^{2},-\гамма ^{3}\right\}\ ,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
и принимаются обозначения Эйнштейна .
Обратите внимание, что другое соглашение о знаках метрики (− + + +) требует либо изменения определяющего уравнения:
![{\displaystyle \ \left\{\gamma ^{\mu },\gamma ^{\nu }\right\} = -2\eta ^{\mu \nu }I_ {4}\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
или умножение всех гамма-матриц на , что, конечно, меняет их свойства эрмитичности, подробно описанные ниже. В соответствии с альтернативным соглашением о знаках для метрики ковариантные гамма-матрицы затем определяются формулой![{\displaystyle я}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\ displaystyle \ \ gamma _ {\ mu } = \ eta _ {\ mu \ nu } \ gamma ^ {\ nu } = \ left \ {- \ gamma ^ {0}, + \ gamma ^ {1}, + \gamma ^{2},+\gamma ^{3}\right\}~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Физическая структура
Алгебра Клиффорда в пространстве-времени V может рассматриваться как набор действительных линейных операторов из V в себя, End( V ) или, в более общем плане, при комплексировании как набор линейных операторов из любого четырехмерного комплексного векторного пространства в себя. Проще говоря, базис для V представляет собой просто набор всех комплексных матриц 4×4 , но наделенных структурой алгебры Клиффорда. Предполагается, что пространство-время наделено метрикой Минковского η μν . В каждой точке пространства-времени также предполагается пространство биспиноров U x , наделенное биспинорным представлением группы Лоренца . Биспинорные поля Ψ уравнений Дирака, вычисляемые в любой точке x пространства-времени, являются элементами U x (см. ниже). Предполагается, что алгебра Клиффорда также действует на U x (путем умножения матриц на вектор-столбцы Ψ( x ) в U x для всех x ). Это будет основной вид элементов в этом разделе.![{\ displaystyle \ \ mathrm {Cl} _ {1,3} (\ mathbb {R}) \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\ displaystyle \ \ mathrm {Cl} _ {1,3} (\ mathbb {R}) _ {\ mathbb {C} } \,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\ displaystyle \ \ mathrm {Cl} _ {1,3} (\ mathbb {R}) _ {\ mathbb {C} } \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Для каждого линейного преобразования S группы U x существует преобразование End( U x ) , заданное SES −1 для E в. Если S принадлежит представлению группы Лоренца, то индуцированное действие E ↦ SES −1 также будет принадлежать к представлению группы Лоренца см. Теорию представлений группы Лоренца .![{\displaystyle \ \mathrm {Cl} _{1,3}(\mathbb {R})_ {\mathbb {C} }\approx \operatorname {End} (U_ {x})~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Если S(Λ) — биспинорное представление , действующее на U x произвольного преобразования Лоренца Λ в стандартном (4-векторном) представлении, действующем на V , то существует соответствующий оператор на, заданный уравнением:![{\displaystyle \ \operatorname {End} \left(U_{x}\right)=\mathrm {Cl} _{1,3}\left(\mathbb {R} \right)_{\mathbb {C} } \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \gamma ^{\mu }\ \mapsto \ S(\Lambda)\ \gamma ^{\mu }\ {S(\Lambda)}^{-1} = {\left(\Lambda ^{ -1}\right)^{\mu }}_{\nu }\ \gamma ^{\nu }={\Lambda _{\nu }}^{\mu }\ \gamma ^{\nu }\ , }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
показывающий, что величину γ µ можно рассматривать как основу пространства представления 4 -векторного представления группы Лоренца, находящегося внутри алгебры Клиффорда. Последнее тождество можно признать определяющим соотношением для матриц, принадлежащих к неопределенной ортогональной группе , записанной в индексированных обозначениях. Это означает, что величины вида![{\displaystyle \ \eta \Lambda ^{\textsf {T}} \eta =\Lambda ^{-1}\,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle a\!\!\!/\equiv a_{\mu }\gamma ^{\mu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
при манипуляциях следует рассматривать как 4 вектора. Это также означает, что индексы на γ можно повышать и понижать с помощью метрики η µν , как и в случае с любым 4-вектором. Эта запись называется косой чертой Фейнмана . Операция косой черты отображает базис e µ V или любого 4-мерного векторного пространства в базисные векторы γ µ . Правило преобразования для сокращенных величин просто
![{\displaystyle {a\!\!\!//^{\mu }\mapsto {\Lambda ^{\mu }}_ {\nu }{a\!\!\!/}^{\nu }~ .}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Следует отметить, что это отличается от правила преобразования для γ μ , которые теперь рассматриваются как (фиксированные) базисные векторы. Таким образом , обозначение кортежа 4 как вектора 4, иногда встречающееся в литературе, является небольшим неправильным употреблением. Последнее преобразование соответствует активному преобразованию компонент косой величины по базису γμ , а первое — пассивному преобразованию самого базиса γμ .![{\displaystyle \left(\gamma ^{\mu }\right)_{\mu =0}^{3} =\left(\gamma ^{0},\gamma ^{1},\gamma ^{2 },\гамма ^{3}\right)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Элементы образуют представление алгебры Ли группы Лоренца. Это спиновое представление. Когда эти матрицы и их линейные комбинации возводятся в степень, они являются биспинорными представлениями группы Лоренца, например, S (Λ) из вышеизложенного имеют такую форму. Шестимерное пространство, охватывающее σ µν , является пространством представления тензорного представления группы Лоренца. Элементы высшего порядка алгебры Клиффорда в целом и правила их преобразования см. в статье « Алгебра Дирака» . Спиновое представление группы Лоренца кодируется в спиновой группе Spin(1, 3) (для вещественных незаряженных спиноров) и в комплексифицированной спиновой группе Spin(1, 3) для заряженных (Дираковских) спиноров.
Выражение уравнения Дирака
В натуральных единицах уравнение Дирака можно записать как
![{\displaystyle \ \left (i\gamma ^{\mu }\partial _ {\mu }-m\right)\psi =0\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где спинор Дирака.![{\displaystyle \ \psi \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Переходя к обозначениям Фейнмана , уравнение Дирака имеет вид
![{\displaystyle \ (i {\partial \!\!\!/}-m)\psi =0~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Пятая «гамма»-матрица, .mw-parser-output .var-serif{font-family:"Nimbus Roman No9 L","Times New Roman",Times,serif;font-size:118%;line-height:1}γ 5
Полезно определить произведение четырех гамма-матриц как , так что![{\displaystyle \gamma ^{5}=\sigma _{1}\otimes I}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
(в базисе Дирака).
Хотя используется буква гамма, она не является одной из гамма -матриц. Индексный номер 5 является пережитком старых обозначений: раньше он назывался " ".![{\displaystyle \ \гамма ^{5}\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \mathrm {Cl} _{1,3}(\mathbb {R})~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \gamma ^{0}\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \гамма ^{4}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
имеет также альтернативную форму:
![{\displaystyle \ \gamma ^{5}={\tfrac {i}{4!}}\varepsilon ^{\mu \nu \alpha \beta }\gamma _ {\mu }\gamma _ {\nu }\ гамма _ {\ альфа } \ гамма _ {\ бета } \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
используя соглашение или![{\displaystyle \varepsilon _{0123}=1\,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \gamma ^{5}=- {\tfrac {i}{4!}}\varepsilon ^{\mu \nu \alpha \beta }\gamma _ {\mu }\gamma _ {\nu } \gamma _{\alpha }\gamma _{\beta }\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
используя соглашение
Доказательство:![{\displaystyle \varepsilon ^{0123}=1~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В этом можно убедиться, воспользовавшись тем фактом, что все четыре гамма-матрицы антикоммутируют, поэтому
![{\displaystyle \gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}=\gamma ^{[0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^ {3]}={\tfrac {1}{4!}}\delta _{\mu \nu \varrho \sigma }^{0123}\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^ {\варро }\гамма ^{\sigma }\ ,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где – обобщенная дельта Кронекера типа (4,4) в 4 измерениях, в полной антисимметризации . Если обозначает символ Леви-Чивита в n измерениях, мы можем использовать тождество . Тогда мы получаем, используя соглашение![{\displaystyle \delta _ {\mu \nu \varrho \sigma }^{\alpha \beta \gamma \delta }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \varepsilon _ {\alpha \dots \beta }\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \delta _ {\mu \nu \varrho \sigma }^{\alpha \beta \gamma \delta } = \varepsilon ^ {\alpha \beta \gamma \delta } \varepsilon _ {\mu \nu \ варро \ сигма }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \varepsilon ^{0123}=1\,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \gamma ^{5}=i\gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}={\frac {i}{4!}}\varepsilon ^{0123}\varepsilon _{\mu \nu \varrho \sigma }\,\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\varrho }\gamma ^{\sigma }={\ tfrac {i}{4!}}\varepsilon _ {\mu \nu \varrho \sigma }\,\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\varrho }\gamma ^{\ сигма }=-{\tfrac {i}{4!}}\varepsilon ^{\mu \nu \varrho \sigma }\,\gamma _{\mu }\gamma _{\nu }\gamma _{\varrho }\гамма _{\сигма }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Эта матрица полезна при обсуждении квантово-механической киральности . Например, поле Дирака можно спроецировать на его левые и правые компоненты следующим образом:
![{\ displaystyle \ \ psi _ {\ mathrm {L} } = {\ frac {\ I-\ gamma ^ {5} \ }{2}} \ \ psi, \ qquad \ psi _ {\ mathrm {R} } ={\frac {\ I+\gamma ^{5}\ }{2}}\ \psi ~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Некоторые свойства:
- Это эрмитово:
![{\displaystyle \left(\gamma ^{5}\right)^{\dagger }=\gamma ^{5}~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Его собственные значения равны ±1, потому что:
![{\displaystyle \left(\gamma ^{5}\right)^{2}=I_{4}~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Он антикоммутирует с четырьмя гамма-матрицами:
![{\displaystyle \left\{\gamma ^{5},\gamma ^{\mu }\right\}=\gamma ^{5}\gamma ^{\mu }+\gamma ^{\mu }\gamma ^ {5}=0~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Фактически и являются собственными векторами т.к. ![{\ displaystyle \ \ psi _ {\ mathrm {L} } \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\ displaystyle \ \ psi _ {\ mathrm {R} } \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \гамма ^{5}\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
и![{\displaystyle \gamma ^{5}\psi _{\mathrm {R} }={\frac {\ \gamma ^{5}+\left(\gamma ^{5}\right)^{2}\ } {2}}\psi =\psi _{\mathrm {R} }~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Пять измерений
Алгебра Клиффорда в нечетных измерениях ведет себя как две копии алгебры Клиффорда на одну размерность меньше: левая копия и правая копия. : 68 Таким образом, можно использовать небольшую хитрость, чтобы перепрофилировать i γ 5 в качестве одного из генераторов алгебры Клиффорда в пяти измерениях. В этом случае множество { γ 0 , γ 1 , γ 2 , γ 3 , i γ 5 } поэтому по двум последним свойствам (имея в виду, что i 2 ≡ −1 ) и свойствам «старых» гамм, образует основу алгебры Клиффорда в 5 измерениях пространства-времени для метрической сигнатуры (1,4) . [а] . : 97
В метрической сигнатуре (4,1) используется набор { γ 0 , γ 1 , γ 2 , γ 3 , γ 5 } , где γ µ являются подходящими для (3,1) подпись. Этот шаблон повторяется для четного измерения пространства-времени 2 n и следующего нечетного измерения 2 n + 1 для всех n ≥ 1 . : 457 Подробнее см. в разделе «Гамма-матрицы более высокой размерности ».
Личности
Следующие тождества следуют из фундаментального антикоммутационного соотношения, поэтому они выполняются в любом базисе (хотя последнее зависит от выбора знака для ).![{\displaystyle \гамма ^{5}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Разные личности
1.![{\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma _ {\mu }=4I_{4}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
2.![{\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma _ {\mu } = -2\gamma ^{\nu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
3.![{\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }\gamma _ {\mu } = 4\eta ^{\nu \rho }I_ {4}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
4.![{\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }\gamma ^{\sigma }\gamma _ {\mu }=-2\gamma ^{\sigma }\gamma ^{\rho }\gamma ^{\nu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
5.![{\displaystyle \gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }=\eta ^{\mu \nu }\gamma ^{\rho }+\eta ^{\nu \rho }\gamma ^{\mu }-\eta ^{\mu \rho }\gamma ^{\nu }-i\epsilon ^{\sigma \mu \nu \rho }\gamma _{\sigma }\gamma ^ {5}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
6. где![{\displaystyle \gamma ^{5}\sigma ^{\nu \rho } = {\tfrac {i}{2}} \epsilon ^{\sigma \mu \nu \rho }\sigma _ {\sigma \mu }\ ,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \sigma _{\mu \nu }={\tfrac {i}{2}}[\gamma _{\mu },\gamma _{\nu }]={\tfrac {i}{2 }}(\gamma _{\mu }\gamma _{\nu }-\gamma _{\nu }\gamma _{\mu })\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Отследить личности
Гамма-матрицы подчиняются следующим тождествам следов :
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\gamma ^{\mu }\right)=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- След любого произведения нечетного числа равен нулю
![{\displaystyle \gamma ^{\mu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- След раз, когда произведение нечетного числа все еще равно нулю
![{\displaystyle \гамма ^{5}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \gamma ^{\mu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\right)=4\eta ^{\mu \nu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }\gamma ^{\sigma }\right)=4\left(\eta ^ {\mu \nu }\eta ^{\rho \sigma }-\eta ^{\mu \rho }\eta ^{\nu \sigma }+\eta ^{\mu \sigma }\eta ^{\nu \rho }\right)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\gamma ^{5}\right)=\operatorname {tr} \left(\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{5}\ верно)=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\gamma ^{\mu }\gamma ^{\nu }\gamma ^{\rho }\gamma ^{\sigma }\gamma ^{5}\right)=- 4i\epsilon ^{\mu \nu \rho \sigma }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\gamma ^{\mu _{1}} \dots \gamma ^{\mu _{n}}\right)=\operatorname {tr} \left(\gamma ^ {\mu _{n}}\dots \gamma ^{\mu _{1}}\right)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Доказательство вышеизложенного предполагает использование трех основных свойств оператора трассировки :
- тр( А + B ) = тр( А ) + тр( B )
- тр( рА ) = р тр( А )
- tr( ABC ) = tr( CAB ) = tr( BCA )
Нормализация
Гамма-матрицы могут быть выбраны с дополнительными условиями эрмитичности, которые, однако, ограничены указанными выше антикоммутационными соотношениями. Мы можем навязать
, совместим с![{\displaystyle \left(\gamma ^{0}\right)^{2}=I_{4}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
а для остальных гамма-матриц (для k = 1, 2, 3 )
, совместим с![{\displaystyle \left(\gamma ^{k}\right)^{2}=-I_{4}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Сразу проверяем, что эти соотношения эрмитичности справедливы для представления Дирака.
Вышеуказанные условия можно объединить в соотношении
![{\displaystyle \left(\gamma ^{\mu }\right)^{\dagger }=\gamma ^{0}\gamma ^{\mu }\gamma ^{0}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Условия эрмитичности не инвариантны относительно действия преобразования Лоренца , поскольку оно не обязательно является унитарным преобразованием из-за некомпактности группы Лоренца. [ нужна цитата ]![{\displaystyle \gamma ^{\mu }\to S(\Lambda)\gamma ^{\mu {S(\Lambda)}^{-1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \Lambda }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle S(\Lambda)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Сопряжение зарядов
Оператор зарядового сопряжения в любом базисе можно определить как
![{\displaystyle C\gamma _{\mu }C^{-1} = - (\gamma _{\mu })^{\textsf {T}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где обозначает транспонирование матрицы . Явная форма, которая принимает это значение, зависит от конкретного представления, выбранного для гамма-матриц, вплоть до произвольного фазового коэффициента. Это потому, что, хотя зарядовое сопряжение является автоморфизмом гамма -группы , оно не является внутренним автоморфизмом (группы). Сопряжающие матрицы можно найти, но они зависят от представления.![{\displaystyle (\cdot)^{\textsf {T}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle C}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Независимые от представления тождества включают в себя:
![{\displaystyle {\begin{aligned}C\gamma _{5}C^{-1}&=+(\gamma _{5})^{\textsf {T}}\\C\sigma _{\mu \nu }C^{-1}&=-(\sigma _{\mu \nu })^{\textsf {T}}\\C\gamma _{5}\gamma _{\mu }C^{ -1}&=+(\gamma _{5}\gamma _{\mu })^{\textsf {T}}\\\end{aligned}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Оператор зарядового сопряжения также унитарен , хотя для него это справедливо и для любого представления. Учитывая представление гамма-матриц, произвольный фазовый коэффициент для оператора зарядового сопряжения также может быть выбран так, что , как и в случае четырех представлений, приведенных ниже (Дирак, Майорана и оба киральных варианта).![{\displaystyle C^{-1}=C^{\dagger }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathrm {Cl} _{1,3}(\mathbb {R})}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle C^{T}=-C}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle C^{\dagger }=-C}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Обозначение Фейнмана с косой чертой
Обозначение косой черты Фейнмана определяется формулой
![{\displaystyle {a\!\!\!/}:=\gamma ^{\mu } a_ {\mu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
для любого 4-вектора .![{\displaystyle а}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Вот несколько идентификаторов, похожих на приведенные выше, но с использованием косой черты:
![{\displaystyle {a\!\!\!/}{b\!\!\!/}=\left[a\cdot b-ia_ {\mu }\sigma ^{\mu \nu }b_ {\nu }\right]I_{4}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {a\!\!\!/}{a\!\!\!/}=\left[a^{\mu }a^{\nu }\gamma _{\mu }\gamma _{ \nu }\right]I_{4}=\left[{\tfrac {1}{2}}a^{\mu }a^{\nu }\left(\gamma _{\mu }\gamma _{ \nu }+\gamma _{\nu }\gamma _{\mu }\right)\right]I_{4}=\left[\eta _{\mu \nu }a^{\mu }a^{ \nu }\right]I_{4}=a^{2}I_{4}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left({a\!\!\!/}{b\!\!\!/}\right)=4(a\cdot b)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left({a\!\!\!/}{b\!\!\!/}{c\!\!\!/}{d\!\!\!/ }\right)=4\left[(a\cdot b)(c\cdot d)-(a\cdot c)(b\cdot d)+(a\cdot d)(b\cdot c)\right] }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\gamma _{5}{a\!\!\!/}{b\!\!\!/}\right)=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \operatorname {tr} \left(\gamma _{5}{a\!\!\!/}{b\!\!\!/}{c\!\!\!/}{d\ !\!\!/}\right)=-4i\epsilon _{\mu \nu \rho \sigma }a^{\mu }b^{\nu }c^{\rho }d^{\sigma } }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \gamma _ {\mu {a\!\!\!/}\gamma ^{\mu }=-2{a\!\!\!/}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \gamma _ {\mu }{a\!\!\!/}{b\!\!\!/}\gamma ^{\mu }=4(a\cdot b)I_{4}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \gamma _ {\mu }{a\!\!\!/}{b\!\!\!/}{c\!\!\!/}\gamma ^{\mu }=-2 {c\!\!\!/}{b\!\!\!/}{a\!\!\!/}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- где - символ Леви-Чивита , а на самом деле следы произведений нечетного числа равны нулю и, следовательно,
![{\displaystyle \epsilon _ {\mu \nu \rho \sigma}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \sigma ^{\mu \nu }={\tfrac {i}{2}}\left[\gamma ^{\mu },\gamma ^{\nu }\right]~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \гамма \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
для n нечетно.
Многие следуют непосредственно из расширения обозначения косой черты и сокращения выражений формы с соответствующей идентичностью в терминах гамма-матриц.![{\ displaystyle \ a_ {\ mu } b_ {\ nu } c_ {\ rho } \ \ ldots \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Другие представления
Матрицы также иногда записываются с использованием единичной матрицы 2×2 , и![{\displaystyle I_{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \gamma ^{k}={\begin{pmatrix}0&\sigma ^{k}\\-\sigma ^{k}&0\end{pmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где k принимает значения от 1 до 3, а σk — матрицы Паули .
Основа Дирака
Гамма-матрицы, которые мы написали до сих пор, подходят для воздействия на спиноры Дирака , записанные в базисе Дирака ; фактически базис Дирака определяется этими матрицами. Подводя итог, в базисе Дирака:
![{\displaystyle \gamma ^{0}={\begin{pmatrix}I_{2}&0\\0&-I_{2}\end{pmatrix}},\quad \gamma ^{k}={\begin{pmatrix }0&\sigma ^{k}\\-\sigma ^{k}&0\end{pmatrix}},\quad \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}0&I_{2}\\I_{2} &0\end{pmatrix}}~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В базисе Дирака оператор зарядового сопряжения веществен антисимметричен : 691–700.
![{\displaystyle C=i\gamma ^{2}\gamma ^{0}={\begin{pmatrix}0&-i\sigma ^{2}\\-i\sigma ^{2}&0\end{pmatrix} }={\begin{pmatrix}0&~~0&~~0&-1\\0&~~0&~~1&~~0\\0&-1&~~0&~~0\\1&~~0&~~0&~ ~0\end{pmatrix}}~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Базис Вейля (хиральный)
Другой распространенный выбор — это Вейля или киральный базис , в котором он остается тем же, но отличается, а значит , тоже различен и диагональен.![{\displaystyle \gamma ^{k}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \гамма ^{0}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \гамма ^{5}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \gamma ^{0}={\begin{pmatrix}0&I_{2}\\I_{2}&0\end{pmatrix}},\quad \gamma ^{k}={\begin{pmatrix}0& \sigma ^{k}\\-\sigma ^{k}&0\end{pmatrix}},\quad \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}-I_{2}&0\\0&I_{2} \end{pmatrix}},}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
или в более компактной записи:
![{\displaystyle \gamma ^{\mu }={\begin{pmatrix}0&\sigma ^{\mu }\\{\overline {\sigma }}^{\mu }&0\end{pmatrix}},\quad \sigma ^{\mu }\equiv (1,\sigma ^{i}),\quad {\overline {\sigma }}^{\mu }\equiv \left(1,-\sigma ^{i}\ верно).}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Преимущество базиса Вейля состоит в том, что его киральные проекции принимают простую форму:
![{\displaystyle \psi _{\mathrm {L} }={\tfrac {1}{2}}\left(1-\gamma ^{5}\right)\psi = {\begin{pmatrix}I_{2 }&0\\0&0\end{pmatrix}}\psi ,\quad \psi _{\mathrm {R} }={\tfrac {1}{2}}\left(1+\gamma ^{5}\right )\psi ={\begin{pmatrix}0&0\\0&I_{2}\end{pmatrix}}\psi ~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Идемпотентность киральных проекций очевидна .
Слегка злоупотребляя обозначениями и повторно используя символы, мы можем затем идентифицировать![{\displaystyle \psi _{\mathrm {L} /R}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \psi = {\begin{pmatrix}\psi _ {\mathrm {L} } \\\psi _ {\mathrm {R} }\end{pmatrix}},}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где теперь и – левые и правые двухкомпонентные спиноры Вейля.![{\displaystyle \psi _{\mathrm {L} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \psi _{\mathrm {R} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Оператор зарядового сопряжения в этом базисе вещественный антисимметричен:
![{\displaystyle C=i\gamma ^{2}\gamma ^{0}={\begin{pmatrix}i\sigma ^{2}&0\\0&-i\sigma ^{2}\end{pmatrix}} }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Базис Дирака можно получить из базиса Вейля как
![{\ displaystyle \ gamma _ {\ mathrm {W} } ^ {\ mu } = U \ gamma _ {\ mathrm {D} } ^ {\ mu } U ^ {\ dagger }, \ quad \ psi _ {\ mathrm {W} }=U\psi _{\mathrm {D} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
через унитарное преобразование
![{\displaystyle U={\tfrac {1}{{\sqrt {2\ }}\ }}\left(1+\gamma ^{5}\gamma ^{0}\right)={\tfrac {1} {{\sqrt {2\ }}\ }}{\begin{pmatrix}I_{2}&-I_{2}\\I_{2}&I_{2}\end{pmatrix}}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Базис Вейля (хиральный) (альтернативная форма)
Другой возможный выбор базиса Вейля имеет
![{\displaystyle \gamma ^{0}={\begin{pmatrix}0&-I_{2}\\-I_{2}&0\end{pmatrix}},\quad \gamma ^{k}={\begin{ pmatrix}0&\sigma ^{k}\\-\sigma ^{k}&0\end{pmatrix}},\quad \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}I_{2}&0\\0&- I_{2}\end{pmatrix}}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Киральные проекции принимают форму, немного отличную от другого выбора Вейля:
![{\displaystyle \psi _{\mathrm {R} }={\begin{pmatrix}I_{2}&0\\0&0\end{pmatrix}}\psi ,\quad \psi _{\mathrm {L} }= {\begin{pmatrix}0&0\\0&I_{2}\end{pmatrix}}\psi .}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Другими словами,
![{\displaystyle \psi = {\begin{pmatrix}\psi _ {\mathrm {R} } \\\psi _ {\mathrm {L} }\end{pmatrix}},}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где и – левые и правые двухкомпонентные спиноры Вейля, как и раньше.![{\displaystyle \psi _{\mathrm {L} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \psi _{\mathrm {R} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Оператором зарядового сопряжения в этом базисе является
![{\displaystyle C=i\gamma ^{2}\gamma ^{0}={\begin{pmatrix}-i\sigma ^{2}&0\\0&i\sigma ^{2}\end{pmatrix}}= {\begin{pmatrix}0&-1&~~0&~~0\\1&~~0&~~0&~~0\\0&~~0&~~0&~~1\\0&~~0&-1&~~0 \\\end{pmatrix}}~=-i\sigma ^{3}\otimes \sigma ^{2}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Этот базис можно получить из приведенного выше базиса Дирака с помощью унитарного преобразования![{\displaystyle \gamma _{\mathrm {W} }^{\mu }=U\gamma _{\mathrm {D} }^{\mu }U^{\dagger },~~\psi _{\mathrm {W} }=U\psi _{\mathrm {D} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle U={\tfrac {1}{{\sqrt {2\ }}\ }}\left(1-\gamma ^{5}\gamma ^{0}\right)={\tfrac {1} {{\sqrt {2\ }}\ }}{\begin{pmatrix}~~I_{2}&I_{2}\\-I_{2}&I_{2}\end{pmatrix}}~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Майорановая основа
Существует также майорановский базис, в котором все матрицы Дирака мнимые, а спиноры и уравнение Дирака вещественные. Что касается матриц Паули , то базис можно записать как
![{\displaystyle {\begin{aligned}\gamma ^{0}&={\begin{pmatrix}0&\sigma ^{2}\\\sigma ^{2}&0\end{pmatrix}}\ ,~&\ гамма ^{1}&={\begin{pmatrix}i\sigma ^{3}&0\\0&i\sigma ^{3}\end{pmatrix}}\ ,~&\gamma ^{2}&={\ начало{pmatrix}0&-\sigma ^{2}\\\sigma ^{2}&0\end{pmatrix}},\\\gamma ^{3}&={\begin{pmatrix}-i\sigma ^{ 1}&0\\0&-i\sigma ^{1}\end{pmatrix}}\ ,~&\gamma ^{5}&={\begin{pmatrix}\sigma ^{2}&0\\0&-\ сигма ^{2}\end{pmatrix}}\ ,~&C&={\begin{pmatrix}0&-i\sigma ^{2}\\-i\sigma ^{2}&0\end{pmatrix}}\ , \end{выровнено}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где – матрица зарядового сопряжения, соответствующая версии Дирака, определенной выше.![{\displaystyle C}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Причина создания всех гамма-матриц мнимыми состоит исключительно в том, чтобы получить метрику физики элементарных частиц (+, −, −, −) , в которой квадраты масс положительны. Однако представление Майораны реально. Можно исключить the, чтобы получить другое представление с четырьмя компонентами действительных спиноров и действительными гамма-матрицами. Последствием удаления является то, что единственной возможной метрикой с реальными гамма-матрицами является (−, +, +, +) .![{\ displaystyle \ я \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\ displaystyle \ я \ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Базис Майораны можно получить из базиса Дирака, описанного выше, с помощью унитарного преобразования![{\displaystyle \gamma _{\mathrm {M} }^{\mu }=U\gamma _{\mathrm {D} }^{\mu }U^{\dagger },~~\psi _{\mathrm {M} }=U\psi _{\mathrm {D} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle U=U^{\dagger }={\tfrac {1}{{\sqrt {2\ }}\ }}{\begin{pmatrix}I_{2} &\sigma ^{2}\\\ сигма ^{2}&-I_{2}\end{pmatrix}}~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Cl 1,3 (C) и Cl 1,3 (R)
Алгебру Дирака можно рассматривать как комплексификацию вещественной алгебры Cl 1,3 ( ), называемой алгеброй пространства-времени :![{\displaystyle \mathbb {R}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathrm {Cl} _{1,3}(\mathbb {C})=\mathrm {Cl} _{1,3}(\mathbb {R})\otimes \mathbb {C} }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Cl 1,3 ( ) отличается от Cl 1,3 ( ): в Cl 1,3 ( ) допускаются только вещественные линейные комбинации гамма-матриц и их произведений.![{\displaystyle \mathbb {R}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathbb {C} }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathbb {R}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Заслуживают внимания две вещи. Поскольку алгебры Клиффорда , Cl 1,3 ( ) и Cl 4 ( ) изоморфны, см. классификацию алгебр Клиффорда . Причина в том, что основная сигнатура метрики пространства-времени теряет свою сигнатуру (1,3) при переходе к комплексификации. Однако преобразование, необходимое для приведения билинейной формы к сложной канонической форме, не является преобразованием Лоренца и, следовательно, не «допустимо» (по крайней мере, непрактично), поскольку вся физика тесно связана с симметрией Лоренца, и предпочтительно сохранить ее. манифест.![{\displaystyle \mathbb {C} }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathbb {C} }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Сторонники геометрической алгебры стремятся работать с реальными алгебрами везде, где это возможно. Они утверждают, что в целом возможно (и обычно полезно) определить наличие мнимой единицы в физическом уравнении. Такие единицы возникают из одной из многих величин в реальной алгебре Клиффорда, которые квадратичны до −1, и они имеют геометрическое значение из-за свойств алгебры и взаимодействия ее различных подпространств. Некоторые из этих сторонников также задаются вопросом, необходимо ли или даже полезно ли вводить дополнительную мнимую единицу в контексте уравнения Дирака. : х–кси
В математике римановой геометрии принято определять алгебру Клиффорда Cl p,q ( ) для произвольных размерностей p,q . Спиноры Вейля преобразуются под действием спиновой группы . Комплексификация спиновой группы, называемая спин-группой , является произведением спиновой группы на окружность. Произведение — всего лишь обозначение для идентификации. Геометрическая точка этого состоит в том, что оно распутывает реальный спинор, который является ковариантным относительно преобразований Лоренца. , от составляющей, которую можно отождествить с волокном электромагнитного взаимодействия. Это запутывающая четность и сопряжение зарядов способом, подходящим для связи состояний частицы/античастицы Дирака (эквивалентно киральным состояниям в базисе Вейля). Биспинор , поскольку он имеет линейно независимые левую и правую компоненты, может взаимодействовать с электромагнитным полем . В этом отличие от спинора Майораны и спинора ELKO (Eigenspinoren des Ladungskonjugationsoperators), которые не могут ( т.е. они электрически нейтральны), поскольку они явно ограничивают спинор, чтобы не взаимодействовать с частью, возникающей в результате комплексификации. Спинор ELKO — это спинор Lounesto класса 5. : 84
![{\displaystyle \mathrm {Spin} (n)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathrm {Spin} ^{\mathbb {C} }(n)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathrm {Spin} (n)\times _ {\mathbb {Z} _{2}}S^{1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle S^{1}\cong U (1).}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \times _ {\mathbb {Z} _{2}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle (a,u)\in \mathrm {Spin} (n)\times S^{1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle (-a,-u).}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle U (1)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \mathrm {U} (1)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \times _ {\mathbb {Z} _{2}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle S^{1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Однако в современной физической практике алгебра Дирака, а не алгебра пространства-времени, продолжает оставаться стандартной средой, в которой «живут» спиноры уравнения Дирака.
Другие свойства без представления
Гамма-матрицы диагонализуемы с собственными значениями для и собственными значениями для .![{\displaystyle \pm 1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \гамма ^{0}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \pm я}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \gamma ^{i}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В частности, это означает, что одновременно эрмитово и унитарно, а одновременно антиэрмитово и унитарно.![{\displaystyle \гамма ^{0}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \gamma ^{i}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
При этом кратность каждого собственного значения равна двум.
В более общем смысле, если значение не равно нулю, имеет место аналогичный результат. Для конкретности мы ограничимся случаем положительной нормы. Отрицательный случай следует аналогично .![{\displaystyle \ \gamma ^{\mu }X_ {\mu }\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ \gamma ^{\mu }p_ {\mu }=p\!\!\!/\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \ p\cdot p=m^{2}>0~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Отсюда следует, что пространство решений (то есть ядро левой части) имеет размерность 2. Это означает, что пространство решений для плоских волновых решений уравнения Дирака имеет размерность 2.![{\displaystyle \ p\!\!\!/-m=0\ }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Этот результат по-прежнему справедлив для безмассового уравнения Дирака. Другими словами, если значение равно нулю, то оно имеет значение недействительности 2.![{\displaystyle p_ {\mu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle p\!\!\!/}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Евклидовы матрицы Дирака
В квантовой теории поля Вик может повернуть ось времени, чтобы перейти из пространства Минковского в пространство Евклида . Это особенно полезно в некоторых процедурах перенормировки , а также в калибровочной теории решетки . В евклидовом пространстве обычно используются два представления матриц Дирака:
Хиральное представление
![{\displaystyle \gamma ^{1,2,3}={\begin{pmatrix}0&i\sigma ^{1,2,3}\\-i\sigma ^{1,2,3}&0\end{pmatrix }},\quad \gamma ^{4}={\begin{pmatrix}0&I_{2}\\I_{2}&0\end{pmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Обратите внимание, что факторы были вставлены в пространственные гамма-матрицы, так что евклидова алгебра Клиффорда![{\displaystyle я}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \left\{\gamma ^{\mu },\gamma ^{\nu }\right\}=2\delta ^{\mu \nu }I_ {4}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
появится. Также стоит отметить, что существуют варианты, которые вместо этого вставляются в одну из матриц, например, в решеточных кодах КХД, которые используют киральный базис.![{\displaystyle -i}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В евклидовом пространстве
![{\displaystyle \gamma _ {\mathrm {M} }^{5}=i\left(\gamma ^{0}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}\right)_ {\mathrm {M} }={\tfrac {1}{i^{2}}}\left(\gamma ^{4}\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}\ right)_{\mathrm {E} }=\left(\gamma ^{1}\gamma ^{2}\gamma ^{3}\gamma ^{4}\right)_{\mathrm {E} }= \gamma _{\mathrm {E} }^{5}~.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Используя антикоммутатор и отмечая, что в евклидовом пространстве , можно показать, что![{\displaystyle \left(\gamma ^{\mu }\right)^{\dagger } =\gamma ^{\mu }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \left(\gamma ^{5}\right)^{\dagger }=\gamma ^{5}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В киральном базисе в евклидовом пространстве
![{\displaystyle \gamma ^{5}={\begin{pmatrix}-I_{2}&0\\0&I_{2}\end{pmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
который не отличается от версии Минковского.
Нерелятивистское представление
![{\displaystyle \gamma ^{1,2,3}={\begin{pmatrix}0&-i\sigma ^{1,2,3}\\i\sigma ^{1,2,3}&0\end{ pmatrix}}\ ,\quad \gamma ^{4}={\begin{pmatrix}I_{2}&0\\0&-I_{2}\end{pmatrix}},\quad \gamma ^{5}={ \begin{pmatrix}0&-I_{2}\\-I_{2}&0\end{pmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Сноски
- ^
Набор матриц (Γ a ) = ( γ μ , i γ 5 ) с a = (0, 1, 2, 3, 4) удовлетворяет пятимерной алгебре Клиффорда {Γ a , Γ b } = 2 η ab
Смотрите также
Цитаты
Рекомендации
- де Вит, Б.; Смит, Дж. (2 декабря 2012 г.). Теория поля в физике элементарных частиц, Том 1. Elsevier. ISBN 978-0-444-59622-2.[1]
- Хальцен, Фрэнсис; Мартин, Алан Д. (17 мая 2008 г.). Кварк и лептоны: вводный курс в современную физику элементарных частиц. Wiley India Pvt. Ограниченное. ISBN 978-81-265-1656-8.
- Хестенес, Дэвид (2015). Пространственно-временная алгебра. Международное издательство Спрингер. ISBN 978-3-319-18412-8.
- Ицыксон, Клод; Зубер, Жан-Бернар (20 сентября 2012 г.). Квантовая теория поля. Курьерская корпорация. Приложение А. ISBN 978-0-486-13469-7.
- Йост, Юрген (2002). Риманова геометрия и геометрический анализ. Спрингер. п. 68, следствие 1.8.1. ISBN 978-3-540-42627-1.
- Каку, Мичио (1993). Квантовая теория поля: современное введение. Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-509158-8.
- Каплуновский, Вадим (2008). «Трасология» (PDF) . Квантовая теория поля (домашнее задание по курсу/конспекты занятий). Физический факультет. Техасский университет в Остине . Архивировано из оригинала (PDF) 13 ноября 2019 г.
- Кукин, В.Д. (2016). «Матрицы Дирака - Математическая энциклопедия». энциклопедияofmath.org . Проверено 2 ноября 2023 г.
- Лонигро, Давиде (2023). «Размерная редукция уравнения Дирака в произвольных пространственных измерениях». Европейский физический журнал Плюс . 138 (4): 324. arXiv : 2212.11965 . Бибкод : 2023EPJP..138..324L. дои : 10.1140/epjp/s13360-023-03919-0.
- Паули, В. (1936). «Математические вклады в теорию матриц Дирака». Анналы Института Анри Пуанкаре . 6 :109.
- Пескин, М.; Шредер, Д. (1995). Введение в квантовую теорию поля. Вествью Пресс. глава 3.2. ISBN 0-201-50397-2.
- Родригес, Валдир А.; Оливейра, Эдмундо К. де (2007). Многоликие уравнения Максвелла, Дирака и Эйнштейна: подход расслоения Клиффорда. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-71292-3.
- Тонг, Дэвид (2007). Лекции по квантовой теории поля (конспект лекций курса). Дэвид Тонг из Кембриджского университета . п. 93 . Проверено 7 марта 2015 г.
- Зи, А. (2003). Квантовая теория поля в двух словах. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. глава II.1. ISBN 0-691-01019-6.
Внешние ссылки
- Матрицы Дирака в математическом мире, включая их групповые свойства
- Матрицы Дирака как абстрактная группа в GroupNames
- «Матрицы Дирака», Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]