stringtranslate.com

Гамма-матрицы

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. [1] [2]

В представлении Дирака четыре контравариантные гамма-матрицы имеют вид

— времяподобная эрмитова матрица . Остальные три являются пространственноподобными антиэрмитовыми матрицами . Более компактно, где обозначает произведение Кронекера , а ( для j = 1, 2, 3 ) обозначает матрицы Паули .

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.

«Пятая матрица» не является полноценным членом основного набора из четырех; он используется для разделения номинальных левых и правых киральных представлений .

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

где фигурные скобки обозначают антикоммутатор , — метрика Минковского с сигнатурой (+ — — —) и — единичная матрица 4 × 4 .

Это определяющее свойство является более фундаментальным, чем числовые значения, используемые в конкретном представлении гамма-матриц. Ковариантные гамма-матрицы определяются формулой

и принимаются обозначения Эйнштейна .

Обратите внимание, что другое соглашение о знаках метрики (− + + +) требует либо изменения определяющего уравнения:

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

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.

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 ESES −1 также будет принадлежать к представлению группы Лоренца см. Теорию представлений группы Лоренца .

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:

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

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

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 .

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

где спинор Дирака.

Переходя к обозначениям Фейнмана , уравнение Дирака имеет вид

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

(в базисе Дирака).

Хотя используется буква гамма, она не является одной из гамма -матриц. Индексный номер 5 является пережитком старых обозначений: раньше он назывался " ".

имеет также альтернативную форму:

используя соглашение или

используя соглашение Доказательство:

В этом можно убедиться, воспользовавшись тем фактом, что все четыре гамма-матрицы антикоммутируют, поэтому

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

Эта матрица полезна при обсуждении квантово-механической киральности . Например, поле Дирака можно спроецировать на его левые и правые компоненты следующим образом:

Некоторые свойства:

Фактически и являются собственными векторами т.к.

и

Пять измерений

Алгебра Клиффорда в нечетных измерениях ведет себя как две копии алгебры Клиффорда на одну размерность меньше: левая копия и правая копия. [3] : 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]  . [4] : 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. [5] Этот шаблон повторяется для четного измерения пространства-времени 2 n и следующего нечетного измерения 2 n + 1 для всех n ≥ 1 . [6] : 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 ).

Разные личности

1.

2.

3.

4.

5.

6. где

Отследить личности

Гамма-матрицы подчиняются следующим тождествам следов :

  1. След любого произведения нечетного числа равен нулю
  2. След раз, когда произведение нечетного числа все еще равно нулю

Доказательство вышеизложенного предполагает использование трех основных свойств оператора трассировки :

Нормализация

Гамма-матрицы могут быть выбраны с дополнительными условиями эрмитичности, которые, однако, ограничены указанными выше антикоммутационными соотношениями. Мы можем навязать

, совместим с

а для остальных гамма-матриц (для k = 1, 2, 3 )

, совместим с

Сразу проверяем, что эти соотношения эрмитичности справедливы для представления Дирака.

Вышеуказанные условия можно объединить в соотношении

Условия эрмитичности не инвариантны относительно действия преобразования Лоренца , поскольку оно не обязательно является унитарным преобразованием из-за некомпактности группы Лоренца. [ нужна цитата ]

Сопряжение зарядов

Оператор зарядового сопряжения в любом базисе можно определить как

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.

Независимые от представления тождества включают в себя:

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).

Обозначение Фейнмана с косой чертой

Обозначение косой черты Фейнмана определяется формулой

для любого 4-вектора .

Вот несколько идентификаторов, похожих на приведенные выше, но с использованием косой черты:

Многие следуют непосредственно из расширения обозначения косой черты и сокращения выражений формы с соответствующей идентичностью в терминах гамма-матриц.

Другие представления

Матрицы также иногда записываются с использованием единичной матрицы 2×2 , и

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:

В базисе Дирака оператор зарядового сопряжения веществен антисимметричен [8] : 691–700. 

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.

или в более компактной записи:

Преимущество базиса Вейля состоит в том, что его киральные проекции принимают простую форму:

Идемпотентность киральных проекций очевидна .

Слегка злоупотребляя обозначениями и повторно используя символы, мы можем затем идентифицировать

где теперь и – левые и правые двухкомпонентные спиноры Вейля.

Оператор зарядового сопряжения в этом базисе вещественный антисимметричен:

Базис Дирака можно получить из базиса Вейля как

через унитарное преобразование

Базис Вейля (хиральный) (альтернативная форма)

Другой возможный выбор [9] базиса Вейля имеет

Киральные проекции принимают форму, немного отличную от другого выбора Вейля:

Другими словами,

где и – левые и правые двухкомпонентные спиноры Вейля, как и раньше.

Оператором зарядового сопряжения в этом базисе является

Этот базис можно получить из приведенного выше базиса Дирака с помощью унитарного преобразования

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

где – матрица зарядового сопряжения, соответствующая версии Дирака, определенной выше.

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 (−, +, +, +) .

Базис Майораны можно получить из базиса Дирака, описанного выше, с помощью унитарного преобразования

Cl 1,3 (C) и Cl 1,3 (R)

Алгебру Дирака можно рассматривать как комплексификацию вещественной алгебры Cl 1,3 ( ), называемой алгеброй пространства-времени :

Cl 1,3 ( ) отличается от Cl 1,3 ( ): в Cl 1,3 ( ) допускаются только вещественные линейные комбинации гамма-матриц и их произведений.

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.

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. [10] : 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. [11] : 84 

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 .

В частности, это означает, что одновременно эрмитово и унитарно, а одновременно антиэрмитово и унитарно.

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 .

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.

Этот результат по-прежнему справедлив для безмассового уравнения Дирака. Другими словами, если значение равно нулю, то оно имеет значение недействительности 2.

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

Обратите внимание, что факторы были вставлены в пространственные гамма-матрицы, так что евклидова алгебра Клиффорда

появится. Также стоит отметить, что существуют варианты, которые вместо этого вставляются в одну из матриц, например, в решеточных кодах КХД, которые используют киральный базис.

В евклидовом пространстве

Используя антикоммутатор и отмечая, что в евклидовом пространстве , можно показать, что

В киральном базисе в евклидовом пространстве

который не отличается от версии Минковского.

Нерелятивистское представление

Сноски

  1. ^ Набор матриц a ) = ( γ μ , i γ  5 ) с a = (0, 1, 2, 3, 4) удовлетворяет пятимерной алгебре Клиффорда a , Γ b } = 2  η ab

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ Кукин 2016.
  2. ^ Лонигро 2023.
  3. ^ Йост 2002.
  4. ^ Тонг 2007, Эти вводные заметки по квантовой теории поля предназначены для студентов части III (уровень магистратуры).
  5. ^ Вайнберг 2002, § 5.5.
  6. ^ де Вит и Смит 2012.
  7. ^ Каплуновский 2008.
  8. ^ Ицыксон и Зубер 2012.
  9. ^ Каку 1993.
  10. ^ Хестенес 2015.
  11. ^ Родригес и Оливейра 2007.

Рекомендации

Внешние ссылки