อ่าน 30 นาที
เมทริกซ์แกมมา
ในฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์เมทริกซ์แกมมาหรือที่เรียกว่าเมทริกซ์ดิแรกคือชุดของเมทริกซ์แบบดั้งเดิมที่มี ความสัมพันธ์ การสลับตำแหน่ง เฉพาะ
เมทริกซ์แกมมา
ในฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์เมทริกซ์แกมมาหรือที่เรียกว่าเมทริกซ์ดิแรกคือชุดของเมทริกซ์แบบดั้งเดิมที่มี ความสัมพันธ์ การสลับตำแหน่ง เฉพาะ ที่รับประกันว่าจะสร้างการแสดงเมทริกซ์ของพีชคณิตคลิฟฟอร์ดนอกจากนี้ยังสามารถกำหนดเมทริกซ์แกมมาที่มีมิติสูงกว่าได้เมื่อตีความว่าเป็นเมทริกซ์ของการกระทำของชุดเวกเตอร์ฐานตั้งฉากสำหรับ เวกเตอร์ คอนทราแวเรียนต์ในปริภูมิมิงโกวสกี เวกเตอร์คอลัมน์ที่เมทริกซ์กระทำจะกลายเป็นปริภูมิของสปินเนอร์ซึ่งพีชคณิตคลิฟฟอร์ดของปริภูมิเวลาจะกระทำ สิ่งนี้ทำให้สามารถแสดงการหมุนเชิงพื้นที่ แบบอนันต์ และการเพิ่มความเร็วลอเรนซ์ได้สปินเนอร์ช่วยอำนวยความสะดวกในการคำนวณปริภูมิเวลาโดยทั่วไป และโดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นพื้นฐานสำหรับสมการดิแรกสำหรับ อนุภาค สปินสั มพัทธภาพ เมทริกซ์แกมมาได้รับการแนะนำโดยพอล ดิแรกในปี 1928 [ 1 ] [ 2 ]
ในการแสดงแทนแบบ Dirac เมทริกซ์แกมมา แบบคอนทราเว เรียนต์ ทั้งสี่คือ
คือเมทริกซ์เฮอร์มิเชียนแบบไทม์ไลค์ส่วนอีกสามเมทริกซ์เป็น เมทริก ซ์แอนติเฮอร์มิเชียนแบบสเป ซไลค์ กล่าวโดยย่อคือและโดยที่แทนผลคูณโครเนกเกอร์และ(สำหรับj = 1, 2, 3 ) แทนเมทริกซ์เปาลี
นอกจากนี้ ในการอภิปรายเกี่ยวกับทฤษฎีกลุ่ม บางครั้ง เมทริกซ์เอกลักษณ์ ( I ) จะถูกรวมเข้ากับเมทริกซ์แกมมาทั้งสี่ และยังมีเมทริกซ์เสริม "ตัวที่ห้า" ที่ไม่มีร่องรอยซึ่งใช้ร่วมกับเมทริกซ์แกมมาปกติด้วย
"เมทริกซ์ที่ห้า" ไม่ใช่สมาชิกที่แท้จริงของชุดเมทริกซ์หลักทั้งสี่ แต่ใช้สำหรับแยกการแสดงแทนไครัล ซ้ายและขวาตาม นาม
เมทริกซ์แกมมามีโครงสร้างกลุ่มที่เรียกว่ากลุ่มแกมมาซึ่งเป็นโครงสร้างร่วมกันของเมทริกซ์แทนกลุ่มทั้งหมดในมิติใดๆ สำหรับเมตริกแบบใดๆตัวอย่างเช่นเมทริกซ์ Pauli ขนาด 2×2 เป็นเซตของเมทริกซ์ "แกมมา" ในปริภูมิสามมิติที่มีเมตริกแบบยุคลิด (3, 0) ในห้ามิติของปริภูมิเวลาเมทริกซ์แกมมาทั้งสี่ข้างต้น รวมกับเมทริกซ์แกมมาที่ห้าที่จะกล่าวถึงต่อไป จะสร้างพีชคณิตคลิฟฟอร์ดขึ้นมา
โครงสร้างทางคณิตศาสตร์
คุณสมบัติสำคัญที่ทำให้เมทริกซ์แกมมาสามารถสร้างพีชคณิตคลิฟฟอร์ด ได้ คือความสัมพันธ์การสลับตำแหน่งแบบผกผัน
โดยที่วงเล็บปีกกาแทนแอนติคอมมิวเทเตอร์คือเมตริกมินคอ ฟสกี ที่มีสัญลักษณ์(+ − − −)และคือเมทริกซ์เอกลักษณ์ขนาด 4 × 4
คุณสมบัติที่กำหนดนี้มีความสำคัญยิ่งกว่าค่าตัวเลขที่ใช้ในการแสดงเมทริกซ์แกมมาโดยเฉพาะ เมทริกซ์แกมมา แบบโคแวเรียนต์ถูกกำหนดโดย
และถือว่าใช้ สัญกรณ์ของไอน์สไตน์
โปรดทราบว่า ข้อกำหนดเครื่องหมายอื่นสำหรับเมตริก(− + + +)จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงในสมการกำหนด:
หรือการคูณเมทริกซ์แกมมาทั้งหมดด้วยซึ่งแน่นอนว่าจะเปลี่ยนคุณสมบัติความเป็นเฮอร์มิเชียนของเมทริกซ์เหล่านั้นตามรายละเอียดด้านล่าง ภายใต้ข้อกำหนดเครื่องหมายทางเลือกสำหรับเมตริก เมทริกซ์แกมมาโคแวเรียนต์จะถูกกำหนดโดย
โครงสร้างทางกายภาพ
พีชคณิตคลิฟฟอร์ดเหนือปริภูมิเวลาVสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นเซตของตัวดำเนินการเชิงเส้นจริงจากVไปยังตัวมันเองEnd( V )หรือโดยทั่วไปแล้ว เมื่อทำให้เป็นเชิงซ้อนจะเป็นเซตของตัวดำเนินการเชิงเส้นจากปริภูมิเวกเตอร์เชิงซ้อนสี่มิติใดๆ ไปยังตัวมันเอง กล่าวอย่างง่ายๆ คือ เมื่อกำหนดฐานสำหรับVแล้วก็คือเซตของ เมทริกซ์เชิงซ้อน 4×4 ทั้งหมด แต่มีโครงสร้างพีชคณิตคลิฟฟอร์ด ปริภูมิเวลาถือว่ามีเมตริกมินคอฟสกีημνนอกจาก นี้ยังถือว่ามี ปริภูมิของสปินเนอร์ดิแรกUxที่ทุกจุดในปริภูมิเวลา ซึ่งมีตัวแทนสปินเนอร์ดิแรกของกลุ่มลอเรนซ์ ฟิลด์สปินเนอร์ดิแรกΨของสมการดิแรก ซึ่งประเมินค่าที่จุด x ใดๆในปริภูมิเวลา จะเป็นองค์ประกอบของUx (ดูด้านล่าง) พีชคณิตคลิฟฟอร์ดถือว่ากระทำต่อUx ด้วยเช่นกัน (โดยการคูณเมทริกซ์ กับเวกเตอร์คอลัมน์Ψ( x )ในUxสำหรับทุกx ) นี่จะเป็นมุมมองหลักขององค์ประกอบต่างๆในส่วนนี้
สำหรับแต่ละการแปลงเชิงเส้นSของU xจะมีการแปลงEnd( U x )ที่กำหนดโดยSES −1สำหรับEในถ้าSเป็นส่วนหนึ่งของการแสดงแทนของกลุ่มลอเรนซ์ การกระทำที่เหนี่ยวนำE ↦ SES −1ก็จะเป็นส่วนหนึ่งของการแสดงแทนของกลุ่มลอเรนซ์เช่นกัน ดูทฤษฎีการแสดงแทนของกลุ่มลอเรนซ์
ถ้าS(Λ)คือการแสดงแทนสปินเนอร์ของ Dirac ที่กระทำบนU xของการแปลง Lorentz Λ ใดๆ ในการแสดงแทนมาตรฐาน (เวกเตอร์ 4 ตัว) ที่กระทำบนVแล้วจะมีตัวดำเนินการที่สอดคล้องกันบนที่กำหนดโดยสมการ:
แสดงให้เห็นว่าปริมาณของγ μสามารถมองได้ว่าเป็นฐานของปริภูมิการแสดงแทนของเวกเตอร์ 4 ตัวของกลุ่มลอเรนซ์ที่อยู่ในพีชคณิตคลิฟฟอร์ด เอกลักษณ์สุดท้ายสามารถรับรู้ได้ว่าเป็นความสัมพันธ์ที่กำหนดสำหรับเมทริกซ์ที่อยู่ในกลุ่มออร์โธโกนอลไม่จำกัดซึ่งเขียนในสัญกรณ์ดัชนี นั่นหมายความว่าปริมาณในรูปแบบ
ควรพิจารณา γ เป็นเวกเตอร์ 4 มิติในการดำเนินการต่างๆ นอกจากนี้ยังหมายความว่าดัชนีสามารถยกขึ้นและลงบนγ ได้ โดยใช้เมตริกη μνเช่นเดียวกับเวกเตอร์ 4 มิติใดๆ สัญลักษณ์นี้เรียกว่าสัญลักษณ์สแลชของไฟน์แมน (Feynman slash notation ) การดำเนินการสแลชจะแปลงฐานe μของVหรือปริภูมิเวกเตอร์ 4 มิติใดๆ ไปเป็นเวกเตอร์ฐานγ μกฎการแปลงสำหรับปริมาณที่มีเครื่องหมายสแลชนั้นง่ายๆ คือ
สิ่งนี้แตกต่างจากกฎการแปลงสำหรับγ μซึ่งในที่นี้ถือว่าเป็นเวกเตอร์ฐาน (คงที่) ดังนั้น การกำหนดให้ทูเปิล 4 ตัวเป็นเวกเตอร์ 4 ตัว ซึ่งบางครั้งพบได้ในเอกสารทางวิชาการ จึงเป็นการเรียกชื่อที่ไม่ถูกต้องเล็กน้อย การแปลงแบบหลังสอดคล้องกับการแปลงเชิงรุกของส่วนประกอบของปริมาณที่ถูกขีดฆ่าในแง่ของฐานγ μและแบบแรกสอดคล้องกับการแปลงเชิงรับของฐานγ μเอง
องค์ประกอบเหล่านี้ประกอบกันเป็นตัวแทนของพีชคณิตลีของกลุ่มลอเรนซ์ นี่คือการแทนแบบสปินเมื่อเมทริกซ์เหล่านี้และผลรวมเชิงเส้นของพวกมันถูกยกกำลัง พวกมันจะเป็นการแทนแบบสปินเนอร์ของดิแรกของกลุ่มลอเรนซ์ เช่นS(Λ)ข้างต้นมีรูปแบบนี้ พื้นที่ 6 มิติที่แผ่ขยายโดยσ μνคือพื้นที่แทนของการแทนแบบเทนเซอร์ของกลุ่มลอเรนซ์ สำหรับองค์ประกอบลำดับสูงของพีชคณิตคลิฟฟอร์ดโดยทั่วไปและกฎการแปลงของพวกมัน โปรดดูบทความพีชคณิตดิแรกการแทนแบบสปินของกลุ่มลอเรนซ์ถูกเข้ารหัสในกลุ่มสปินSpin(1, 3) (สำหรับสปินเนอร์จริงที่ไม่มีประจุ) และในกลุ่มสปินที่ซับซ้อนSpin(1, 3)สำหรับสปินเนอร์ที่มีประจุ (ดิแรก)
การแสดงสมการของ Dirac
ในหน่วยธรรมชาติสมการของ Dirac สามารถเขียนได้ดังนี้
สปินเนอร์ของ Dirac อยู่ ที่ไหน
เมื่อเปลี่ยนมาใช้สัญลักษณ์ของเฟย์นแมนสมการของดิแรกจะเป็นดังนี้
เมทริกซ์ "แกมมา" ตัวที่ห้าγ 5
การกำหนดผลคูณของเมทริกซ์แกมมาทั้งสี่เป็น นั้นมีประโยชน์ ดังนั้น
- (ในฐานดิแรก)
แม้ว่าจะใช้ตัวอักษรแกมมา แต่ก็ไม่ใช่หนึ่งในเมทริกซ์แกมมาเลขดัชนี 5 เป็นสิ่งตกค้างจากสัญลักษณ์เก่า: เคยเรียกว่า " "
นอกจากนี้ยังมีรูปแบบอื่นอีกด้วย:
โดยใช้ธรรมเนียมหรือ
โดยใช้แบบแผนพิสูจน์ :
สิ่งนี้สามารถเห็นได้จากการใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าเมทริกซ์แกมมาทั้งสี่ตัวนั้นมีคุณสมบัติสลับที่ได้ ดังนั้น
โดยที่เดลต้าโครเนกเกอร์แบบทั่วไปชนิด (4,4) ใน 4 มิติ ในการต่อต้านสมมาตร อย่างสมบูรณ์ ถ้าแทนสัญลักษณ์ Levi-Civitaในnมิติ เราสามารถใช้เอกลักษณ์จากนั้นเราจะได้ โดยใช้แบบแผน
เมทริกซ์นี้มีประโยชน์ในการอภิปรายเกี่ยวกับไครัลลิตี ในกลศาสตร์ควอนตัม ตัวอย่างเช่น สนามดิแรกสามารถฉายไปยังส่วนประกอบมือซ้ายและมือขวาได้โดย:
คุณสมบัติบางประการได้แก่:
- มันเป็นแบบเฮอร์มิเชียน:
- ค่าไอเกนของมันคือ ±1 เพราะว่า:
- มันมีคุณสมบัติการสลับตำแหน่งแบบผกผันกับเมทริกซ์แกมมาทั้งสี่:
ในความเป็นจริงและเป็นเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะของเนื่องจาก
- และ
ห้ามิติ
พีชคณิตคลิฟฟอร์ดในมิติคี่มีพฤติกรรมเหมือนพีชคณิตคลิฟฟอร์ดสอง ชุดที่มีมิติน้อยกว่าหนึ่งชุด คือชุดซ้ายและชุดขวา [ 3 ] : 68 ดังนั้น เราสามารถใช้กลอุบายเล็กน้อยเพื่อนำ i γ 5 มาใช้ใหม่ เป็นหนึ่งในตัวสร้างของพีชคณิตคลิฟฟอร์ดในห้ามิติ ในกรณีนี้ เซต{ γ 0 , γ 1 , γ 2 , γ 3 , i γ 5 }จึงเป็นไปตามคุณสมบัติสองข้อสุดท้าย (โดยคำนึงถึงว่าi 2 ≡ −1 ) และคุณสมบัติของแกมมา 'เก่า' ก่อให้เกิดฐานของพีชคณิตคลิฟฟอร์ดใน มิติปริภูมิ เวลา5 มิติสำหรับลายเซ็นเมตริก(1,4 ) [ a ] [ 4 ] : 97 ในลายเซ็นเมตริก(4,1)จะใช้เซต{ γ 0 , γ 1 , γ 2 , γ 3 , γ 5 } โดยที่ γ μเป็นค่าที่เหมาะสมสำหรับลายเซ็น(3,1) [ 5 ]รูปแบบนี้จะถูกทำซ้ำสำหรับมิติของปริภูมิเวลา2 nคู่ และมิติคี่ถัดไป2 n + 1สำหรับทุกn ≥ 1 [ 6 ] : 457 สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดู เมทริกซ์ แกมมา มิติสูง
อัตลักษณ์
เอกลักษณ์ต่อไปนี้เป็นผลมาจากความสัมพันธ์การสลับตำแหน่งแบบผกผันพื้นฐาน ดังนั้นจึงใช้ได้ในทุกฐาน (แม้ว่าเอกลักษณ์สุดท้ายจะขึ้นอยู่กับการเลือกเครื่องหมายสำหรับ)
อัตลักษณ์เบ็ดเตล็ด
1.
| การพิสูจน์ | ||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
พิจารณาความสัมพันธ์การสลับตำแหน่งแบบมาตรฐาน: เราสามารถทำให้สถานการณ์นี้ดูคล้ายกันได้โดยใช้ตัวชี้วัดดังนี้:
|
2.
| การพิสูจน์ |
|---|
เช่นเดียวกับการพิสูจน์ข้อ 1 โดยเริ่มต้นจากความสัมพันธ์การสลับตำแหน่งแบบมาตรฐานอีกครั้ง: |
3.
| การพิสูจน์ | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
เพื่อแสดง ใช้ตัวสลับทิศทางเพื่อเลื่อนไปทางขวา โดยใช้ความสัมพันธ์นี้เราสามารถยุบแกมมาสองตัวสุดท้าย และได้ สุดท้ายนี้ เมื่อใช้เอกลักษณ์แอนติคอมมิวเทเตอร์ เราจะได้ |
4.
| การพิสูจน์ | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
5.
| การพิสูจน์ |
|---|
ถ้าเช่นนั้นการตรวจสอบตัวตนก็ทำได้ง่าย กรณีนี้ก็เช่นเดียวกัน เมื่อหรือ ในทางกลับกัน ถ้าดัชนีทั้งสามแตกต่างกันและและทั้งสองข้างสมมาตรอย่างสมบูรณ์ ด้านซ้ายสมมาตรเนื่องจากคุณสมบัติการสลับที่กันของเมทริกซ์ และด้านขวาสมมาตรเนื่องจากคุณสมบัติสมมาตรของดังนั้น จึงเพียงพอที่จะตรวจสอบเอกลักษณ์สำหรับกรณีของ, , และ |
6. ที่ไหน
| การพิสูจน์ | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
เนื่องจากทั้งสองข้างหายไป มิฉะนั้น การคูณเอกลักษณ์ 5 ด้วยจากทางขวาจะให้ว่า
เนื่องจาก. ด้านซ้ายของสมการนี้ก็หายไปเช่นกัน เนื่องจากคุณสมบัติข้อที่ 3 การจัดเรียงใหม่จะได้ว่า
โปรดทราบว่าสำหรับ(สำหรับหายไป) โดยความสัมพันธ์การสลับตำแหน่งแบบมาตรฐาน ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า การคูณจากด้านซ้ายแล้วนำไปใช้จะได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ |
ตรวจสอบตัวตน
เมทริกซ์แกมมาเป็นไปตามเอกลักษณ์ร่องรอย ต่อไปนี้ :
- ร่องรอยของผลคูณใดๆ ของจำนวนคี่จะเป็นศูนย์
- ร่องรอยของการคูณผลคูณของจำนวนคี่ยังคงเป็นศูนย์
การพิสูจน์ข้อความข้างต้นเกี่ยวข้องกับการใช้คุณสมบัติหลักสามประการของ ตัวดำเนินการ ร่องรอย :
| หลักฐาน 1 | ||||
|---|---|---|---|---|
จากนิยามของเมทริกซ์แกมมา เราได้รับ หรือเทียบเท่า โดยที่เป็นตัวเลข และเป็นเมทริกซ์
นี่หมายความว่า |
| หลักฐานของ 2 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
เพื่อแสดง ขั้นแรก โปรดสังเกตว่า เราจะใช้ข้อเท็จจริงสองประการเกี่ยวกับเมทริกซ์แกมมาที่ห้าซึ่งกล่าวว่า: ดังนั้น เรามาใช้ข้อเท็จจริงสองข้อนี้เพื่อพิสูจน์เอกลักษณ์นี้สำหรับกรณีที่ไม่ธรรมดากรณีแรก: ผลรวมของเมทริกซ์แกมมาสามเมทริกซ์ ขั้นตอนแรกคือการใส่คู่หนึ่งไว้ข้างหน้าสามเมทริกซ์เดิม และขั้นตอนที่สองคือการสลับเมทริกซ์กลับไปยังตำแหน่งเดิม หลังจากใช้ประโยชน์จากความเป็นวัฏจักรของผลรวมของเมทริกซ์
สิ่งนี้จะสำเร็จได้ก็ต่อเมื่อ การขยายไปสู่เมทริกซ์แกมมา 2n + 1 (n จำนวนเต็ม) นั้นหาได้จากการวางแกมมา-5 สองตัวไว้หลัง (เช่น) เมทริกซ์แกมมาตัวที่ 2n ในร่องรอย โดยสลับตัวหนึ่งไปทางขวา (ให้เครื่องหมายลบ) และสลับแกมมา-5 อีกตัวไปทางซ้าย 2n ขั้น [โดยเปลี่ยนเครื่องหมายเป็น (-1)^2n = 1] จากนั้นเราใช้เอกลักษณ์วัฏจักรเพื่อรวมแกมมา-5 ทั้งสองเข้าด้วยกัน และเมื่อยกกำลังสองจะได้เอกลักษณ์ ทำให้ร่องรอยเท่ากับลบตัวเอง นั่นคือ 0 |
| หลักฐาน 3 |
|---|
ถ้าเมทริกซ์แกมมาจำนวนคี่ปรากฏในร่องรอย (trace) ตามด้วยเครื่องหมายลบเป้าหมายของเราคือการย้ายจากด้านขวาไปด้านซ้าย ซึ่งจะทำให้ร่องรอยไม่เปลี่ยนแปลงตามคุณสมบัติวัฏจักร ในการย้ายนี้ เราต้องทำการสลับตำแหน่ง (anticommut) กับเมทริกซ์แกมมาอื่นๆ ทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าเราต้องทำการสลับตำแหน่งเป็นจำนวนคี่ครั้งและรับเครื่องหมายลบ ร่องรอยที่เท่ากับค่าลบของตัวมันเองจะต้องเป็นศูนย์ |
| หลักฐานของ 4 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
เพื่อแสดง เริ่มต้นด้วย |
| หลักฐาน 5 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
สำหรับคำทางด้านขวา เราจะใช้รูปแบบการสลับกับคำข้างเคียงทางด้านซ้ายต่อไป อีกครั้ง สำหรับคำทางด้านขวา ให้สลับตำแหน่งกับคำที่อยู่ติดกันทางด้านซ้าย สมการ (3) คือพจน์ทางด้านขวาของสมการ (2) และสมการ (2) คือพจน์ทางด้านขวาของสมการ (1) เราจะใช้เลขเอกลักษณ์ 3 เพื่อลดรูปพจน์ดังนี้: ดังนั้น ในที่สุด สมการ (1) เมื่อคุณใส่ข้อมูลทั้งหมดนี้เข้าไปจะได้ เงื่อนไขภายในร่องรอยสามารถวนซ้ำได้ ดังนั้น ดังนั้นจริงๆแล้ว (4) คือ หรือ |
| หลักฐาน 6 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
เพื่อแสดง
เริ่มต้นด้วย
เพิ่มเข้าไปทั้งสองด้านของด้านบนเพื่อดูผลลัพธ์
นอกจากนี้ รูปแบบนี้ยังสามารถใช้เพื่อแสดงได้อีกด้วย
เพียงแค่บวกตัวประกอบสองตัวของ โดย ที่และแตกต่างกันทำการสลับตำแหน่งแบบย้อนกลับสามครั้งแทนที่จะเป็นครั้งเดียว โดยเลือกเครื่องหมายลบสามตัว แล้ววนรอบโดยใช้คุณสมบัติแบบวนรอบของร่องรอย ดังนั้น,
|
| หลักฐานของ 7 |
|---|
สำหรับการพิสูจน์เอกลักษณ์ 7 เทคนิคเดียวกันนี้ยังคงใช้ได้ เว้นแต่จะเป็นการเรียงสับเปลี่ยนของ (0123) เพื่อให้แกมมาทั้ง 4 ตัวปรากฏขึ้น กฎการสลับตำแหน่งบ่งชี้ว่าการสลับดัชนีสองตัวจะเปลี่ยนเครื่องหมายของร่องรอย ดังนั้นต้องเป็นสัดส่วนกับค่าคงที่สัดส่วนคือซึ่งสามารถตรวจสอบได้โดยการแทนค่าเขียนออกมาและจำไว้ว่าร่องรอยของเอกลักษณ์คือ 4 |
| หลักฐานของ 8 | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ให้ แทนผลคูณของเมทริกซ์แกมมาด้วยพิจารณาเมทริกซ์เฮอร์มิเชียนคอนจูเกตของ:
เมื่อผันคำกริยาอีกครั้งเพื่อกำจัดตัวs สองตัวที่มีอยู่ เราจะเห็นว่านี่คือสิ่งที่ตรงกันข้ามกับทีนี้
|
การทำให้เป็นมาตรฐาน
สามารถเลือกเมทริกซ์แกมมาโดยมีเงื่อนไขความเป็นเฮอร์มิเชียนเพิ่มเติม ซึ่งถูกจำกัดโดยความสัมพันธ์การสลับตำแหน่งแบบแอนติคอมมิวเทชันข้างต้นได้ อย่างไรก็ตาม เราสามารถกำหนดเงื่อนไขเพิ่มเติมได้
- เข้ากันได้กับ
และสำหรับเมทริกซ์แกมมาอื่นๆ (สำหรับk = 1, 2, 3 )
- เข้ากันได้กับ
เราตรวจสอบได้ทันทีว่าความสัมพันธ์ของความเป็นเอกเทศเหล่านี้ใช้ได้กับการแสดงแทนของ Dirac หรือไม่
เงื่อนไขข้างต้นสามารถนำมารวมกันได้ในความสัมพันธ์
เงื่อนไขความเป็นเฮอร์มิเชียนไม่คงที่ภายใต้การกระทำของการแปลงลอเรนซ์เนื่องจากไม่ใช่การแปลงเอกภาพเสมอไป อันเนื่องมาจากกลุ่มลอเรนซ์ไม่เป็นคอมแพ็กต์
การผันประจุ
ตัว ดำเนินการ คอนจูเกชันประจุในฐานใดๆ สามารถนิยามได้ดังนี้
โดยที่หมายถึงเมทริกซ์ทรานสโพสรูปแบบที่ชัดเจนของ ขึ้นอยู่กับการเลือกใช้การแสดงแทนเฉพาะสำหรับเมทริกซ์แกมมา โดยมีค่าตัวประกอบเฟสที่กำหนดขึ้นเองได้ เนื่องจากถึงแม้ว่าการผันกลับประจุจะเป็นออโตมอร์ฟิซึมของกลุ่มแกมมาแต่ก็ไม่ใช่ออโตมอร์ฟิซึมภายใน (ของกลุ่ม) สามารถหาเมทริกซ์ผันกลับได้ แต่ขึ้นอยู่กับการแสดงแทน
อัตลักษณ์ที่ไม่ขึ้นกับการนำเสนอ ได้แก่:
ตัวดำเนินการการผันประจุยังเป็นตัวดำเนินการเอกภาพ (unitary operator) ในขณะเดียวกันก็เป็นจริงสำหรับรูปแบบการแสดงแทนใดๆ ด้วย เมื่อกำหนดรูปแบบการแสดงแทนของเมทริกซ์แกมมาแล้ว ปัจจัยเฟสที่กำหนดโดยพลการสำหรับตัวดำเนินการการผันประจุนั้นไม่สามารถเลือกได้เสมอไปให้เป็นไปตามเงื่อนไข เช่นเดียวกับกรณีของรูปแบบการแสดงแทนทั่วไปทั้งสี่แบบที่กล่าวถึงด้านล่าง ซึ่งรู้จักกันในชื่อรูปแบบการแสดงแทนแบบ Dirac, chiral และ Majorana
สัญกรณ์สแลชของเฟย์นแมน
สัญกรณ์สแลชของเฟย์นแมนถูกกำหนดโดย
สำหรับเวกเตอร์ 4 มิติใดๆ
ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างเอกลักษณ์ที่คล้ายคลึงกับตัวอย่างข้างต้น แต่ใช้สัญลักษณ์สแลชแทน:
- [ 7 ]
- [ 7 ]
- [ 7 ]
- สัญลักษณ์ Levi-Civitaอยู่ที่ไหนและที่จริงแล้วร่องรอยของผลคูณของจำนวนคี่คือศูนย์ ดังนั้น
- สำหรับnที่เป็นเลขคี่[ 8 ]
หลายอย่างเป็นผลโดยตรงจากการขยายสัญกรณ์สแลชและการย่อรูปนิพจน์ในรูปแบบที่มีเอกลักษณ์ที่เหมาะสมในรูปของเมทริกซ์แกมมา
การนำเสนอแบบอื่น
บางครั้งเมทริกซ์ก็ถูกเขียนโดยใช้เมทริกซ์เอกลักษณ์ 2×2 , , และ
โดยที่kมีค่าตั้งแต่ 1 ถึง 3 และ σ kคือ เมทริก ซ์ Pauli
ฐานดิแรก
เมทริกซ์แกมมาที่เราเขียนมาจนถึงตอนนี้เหมาะสมสำหรับการกระทำกับสปินเนอร์ของ Diracที่เขียนในฐาน Dirac ; อันที่จริง ฐาน Dirac ถูกกำหนดโดยเมทริกซ์เหล่านี้ สรุปได้ว่า ในฐาน Dirac:
หรือใช้ผลิตภัณฑ์ Kronecker :
ในฐาน Dirac ตัวดำเนินการผันประจุเป็นปฏิสมมาตรจริง[ 9 ] : 691–700
ฐานเวล์ (ไครัล)
อีกทางเลือกหนึ่งที่นิยมใช้คือ ฐาน Weylหรือฐานไครัลซึ่งยังคงเหมือนเดิมแต่แตกต่างกัน และดังนั้นจึงแตกต่างกันด้วย และเป็นแนวทแยง
หรือเขียนในรูปแบบที่กระชับกว่า:
ฐานWeylมีข้อดีตรงที่การฉายภาพไครัลมีรูปแบบที่เรียบง่าย
คุณสมบัติเอกเทศของการฉายภาพไครัลนั้นปรากฏชัดเจน
โดยการใช้สัญลักษณ์อย่างไม่ถูกต้อง เล็กน้อย และนำสัญลักษณ์เหล่านั้นกลับมาใช้ใหม่เราก็สามารถระบุได้
โดยที่ตอนนี้และตัวหมุนเวล์แบบสององค์ประกอบสำหรับคนถนัดซ้ายและถนัดขวา
ตัวดำเนินการผันประจุในฐานนี้เป็นตัวดำเนินการปฏิสมมาตรจริง
ฐาน Weyl สามารถหาได้จากฐาน Dirac ดังนี้
ผ่านการแปลงเอกภาพ
ฐานเวล์ (ไครัล) (รูปแบบอื่น)
ทางเลือกที่เป็นไปได้อีกทางหนึ่ง[ 10 ]ของฐาน Weyl คือ
การฉายภาพไครัลมีรูปแบบที่แตกต่างออกไปเล็กน้อยจากตัวเลือก Weyl อื่นๆ
กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ
โดยที่และคือสปินเนอร์สององค์ประกอบ Weyl แบบมือซ้ายและมือขวา ตามลำดับ
ตัวดำเนินการคอนจูเกชันประจุในฐานนี้คือ
ฐานนี้สามารถได้มาจากฐาน Dirac ข้างต้นโดยใช้การแปลงเอกภาพ
ฐานมาโจรานา
นอกจากนี้ยังมี ฐาน มาโจรานาซึ่งเมทริกซ์ดิแรกทั้งหมดเป็นจำนวนจินตนาการ ในขณะที่สปินเนอร์และสมการดิแรกเป็นจำนวนจริง เมื่อใช้เมทริกซ์เปาลีฐานนี้สามารถเขียนได้ดังนี้
เมทริกซ์การผันประจุอยู่ ที่ไหนซึ่งตรงกับเวอร์ชันของ Dirac ที่กำหนดไว้ข้างต้น
เหตุผลที่ทำให้เมทริกซ์แกมมาทั้งหมดเป็นจำนวนจินตนาการก็เพื่อให้ได้เมตริกฟิสิกส์อนุภาค(+, −, −, −)ซึ่งมวลยกกำลังสองเป็นค่าบวก อย่างไรก็ตาม การแสดงผลแบบมาโจรานาเป็นจำนวนจริง เราสามารถแยกตัวประกอบ ออกมาเพื่อให้ได้การแสดงผลที่แตกต่างออกไป โดยมีสปินเนอร์จริงสี่องค์ประกอบและเมทริกซ์แกมมาจริง ผลที่ตามมาจากการกำจัดคือเมตริกเดียวที่เป็นไปได้ที่มีเมทริกซ์แกมมาจริงคือ( −, +, +, +)
ฐานมาโจรานาสามารถหาได้จากฐานดิแรกข้างต้นโดยใช้การแปลงเอกภาพ
Cl 1,3 (C) และ Cl 1,3 (R)
พีชคณิตของ Dirac สามารถถือได้ว่าเป็นการทำให้ซับซ้อนขึ้นของพีชคณิตจริง Cl 1,3 ( ) ซึ่งเรียกว่าพีชคณิตปริภูมิเวลา :
Cl 1,3 ( ) แตกต่างจาก Cl 1,3 ( ): ใน Cl 1,3 ( ) อนุญาตเฉพาะการรวมเชิงเส้น จริง ของเมทริกซ์แกมมาและผลคูณของเมทริกซ์เหล่านั้นเท่านั้น
มีสองสิ่งที่ควรชี้แจง เนื่องจากพีชคณิตคลิฟฟอร์ด Cl 1,3 ( ) และ Cl 4 ( ) เป็นไอโซมอร์ฟิก ดูการจำแนกประเภทของพีชคณิตคลิฟฟอร์ดเหตุผลก็คือลายเซ็นพื้นฐานของเมตริกกาลอวกาศสูญเสียลายเซ็น (1,3) เมื่อเปลี่ยนไปสู่การทำให้เป็นเชิงซ้อน อย่างไรก็ตาม การแปลงที่จำเป็นในการนำรูปแบบทวิเชิงเส้นไปสู่รูปแบบแคนอนิกเชิงซ้อนไม่ใช่การแปลงลอเรนซ์ ดังนั้นจึงไม่ "อนุญาต" (อย่างน้อยที่สุดก็ทำได้ยาก) เนื่องจากฟิสิกส์ทั้งหมดเชื่อมโยงอย่างแน่นหนากับสมมาตรลอเรนซ์ และควรคงไว้ให้ปรากฏ
ผู้สนับสนุนพีชคณิตเชิงเรขาคณิตพยายามที่จะทำงานกับพีชคณิตจริงทุกครั้งที่เป็นไปได้ พวกเขาโต้แย้งว่าโดยทั่วไปแล้วเป็นไปได้ (และมักจะให้ความกระจ่าง) ที่จะระบุการมีอยู่ของหน่วยจินตนาการในสมการทางกายภาพ หน่วยดังกล่าวเกิดขึ้นจากปริมาณหนึ่งในหลายๆ ปริมาณในพีชคณิตคลิฟฟอร์ดจริงที่ยกกำลังสองได้ −1 และสิ่งเหล่านี้มีความสำคัญทางเรขาคณิตเนื่องจากคุณสมบัติของพีชคณิตและการปฏิสัมพันธ์ของปริภูมิย่อยต่างๆ ผู้สนับสนุนบางคนยังตั้งคำถามว่าจำเป็นหรือมีประโยชน์หรือไม่ที่จะแนะนำหน่วยจินตนาการเพิ่มเติมในบริบทของสมการดิแรก[ 11 ] : x–xi
ในคณิตศาสตร์ของเรขาคณิตแบบรีมันน์ เป็นเรื่องปกติที่จะกำหนดพีชคณิตคลิฟฟอร์ด Cl p,q ( ) สำหรับมิติp,q ใดๆ สปินเนอร์ของเวล์จะแปลงรูปภายใต้การกระทำของกลุ่มสปิน การทำให้กลุ่มสปินเป็นจำนวนเชิงซ้อน เรียกว่ากลุ่มสปินซีเป็นผลคูณของกลุ่มสปินกับวงกลมผลคูณเป็นเพียงสัญลักษณ์เพื่อระบุกับจุดสำคัญทางเรขาคณิตของเรื่องนี้คือ มันแยกสปินเนอร์จริง ซึ่งแปรผันร่วมภายใต้การแปลงลอเรนซ์ ออกจากส่วนประกอบ ซึ่งสามารถระบุได้กับเส้นใยของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าคือการพันกันของพาริตีและการผันประจุในลักษณะที่เหมาะสมสำหรับการเชื่อมโยงสถานะอนุภาค/ปฏิอนุภาคของดิแรก (เทียบเท่ากับสถานะไครัลในฐานเวล์) สปินเนอร์ของดิแรกตราบใดที่มันมีส่วนประกอบซ้ายและขวาที่เป็นอิสระเชิงเส้น ก็สามารถมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้ สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับสปินเนอร์ Majoranaและสปินเนอร์ ELKO (Eigenspinoren des Ladungskonjugationsoperators) ซึ่งไม่สามารถ ( กล่าวคือเป็นกลางทางไฟฟ้า) เนื่องจากมีการจำกัดสปินเนอร์อย่างชัดเจนเพื่อไม่ให้มีปฏิสัมพันธ์กับส่วนที่มาจากการทำให้ซับซ้อน สปินเนอร์ ELKO เป็นสปินเนอร์คลาส 5 ของ Lounesto [ 12 ] : 84
อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติร่วมสมัยในวิชาฟิสิกส์ พีชคณิตของ Dirac ยังคงเป็นสภาพแวดล้อมมาตรฐานที่ สปินเนอร์ของสมการ Dirac "ดำรงอยู่" มากกว่าพีชคณิตของปริภูมิเวลา
คุณสมบัติอื่นๆ ที่ไม่ต้องมีการแสดง
เมทริกซ์แกมมาสามารถทำให้เป็นเมทริกซ์ทแยงมุมได้ โดยมีค่าไอเกนสำหรับและค่าไอเกน สำหรับ
| การพิสูจน์ |
|---|
สิ่งนี้สามารถแสดงให้เห็นได้สำหรับและเป็นไปตามหลักการเดียวกันสำหรับเราสามารถเขียนใหม่ได้ เช่น จากผลลัพธ์ที่เป็นที่รู้จักกันดีในพีชคณิตเชิงเส้นหมายความว่ามีฐานซึ่งเป็นเมทริกซ์ทแยงมุมที่มีค่าลักษณะเฉพาะ |
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สิ่งนี้หมายความว่าเป็นทั้งเฮอร์มิเชียนและยูนิแทรีในเวลาเดียวกัน ในขณะที่เป็นทั้งแอนติเฮอร์มิเชียนและยูนิแทรีในเวลาเดียวกัน
นอกจากนี้ ค่าไอเกนแต่ละค่ามีจำนวนซ้ำกันสองค่า
| การพิสูจน์ |
|---|
ถ้าเป็นเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะของแล้วก็เป็นเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะที่มีค่าลักษณะเฉพาะตรงข้ามกัน ดังนั้น เวกเตอร์ลักษณะเฉพาะสามารถจับคู่กันได้หากมีความสัมพันธ์กันโดยการคูณด้วยผลลัพธ์ที่ได้ก็คล้ายคลึงกันสำหรับ |
โดยทั่วไปแล้ว หากไม่ใช่ค่าว่าง ผลลัพธ์ที่คล้ายกันก็ยังคงใช้ได้ เพื่อความชัดเจน เราจะจำกัดเฉพาะกรณีบรรทัดฐานที่เป็นบวกโดยที่กรณีที่เป็นลบก็จะได้ในทำนองเดียวกัน
| การพิสูจน์ |
|---|
สามารถแสดงให้เห็นได้ ดังนั้นด้วยเหตุผลเดียวกันกับผลลัพธ์แรกเมทริกซ์จึงสามารถทำให้เป็นเมทริกซ์ทแยงมุมได้ด้วยค่าลักษณะเฉพาะ เราสามารถปรับเหตุผลสำหรับผลลัพธ์ที่สองได้เล็กน้อย เราเลือกเวกเตอร์ที่ไม่เป็นศูนย์ซึ่งตั้งฉากกับ จากนั้นเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะสามารถจับคู่กันได้ในทำนองเดียวกันหากมีความสัมพันธ์กันโดยการคูณด้วย |
ดังนั้น พื้นที่คำตอบของสมการ(นั่นคือ แกนหลักของด้านซ้ายมือ) จึงมีมิติเท่ากับ 2 ซึ่งหมายความว่า พื้นที่คำตอบสำหรับคำตอบคลื่นระนาบของสมการของดิแรกมีมิติเท่ากับ 2
ผลลัพธ์นี้ยังคงใช้ได้กับสมการ Dirac ที่ไม่มีมวล กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ถ้าnull แล้วnullity จะเป็น 2
| การพิสูจน์ |
|---|
ถ้าเป็นศูนย์ โดยการแยกส่วนค่าลักษณะเฉพาะแบบทั่วไป สามารถเขียนลงในฐานบางอย่างได้เป็นแนวทแยงในบล็อกจอร์แดนที่มีค่าลักษณะเฉพาะเป็น 0 โดยมีบล็อก 0, 1 หรือ 2 บล็อก และค่าในแนวทแยงอื่นๆ เป็นศูนย์ ปรากฏว่าเป็นกรณีที่มี 2 บล็อก กรณีศูนย์เป็นไปไม่ได้ เพราะถ้าเป็นไปตามความเป็นอิสระเชิงเส้นเราต้องมีแต่เวกเตอร์ศูนย์นั้นโดยนิยามแล้วไม่ใช่ศูนย์ พิจารณาและเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะศูนย์ของสังเกตว่า ก็เป็นศูนย์เช่นกันและเป็นไปตามเงื่อนไข ถ้าเช่นนั้นมันจะไม่สามารถเป็นเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะศูนย์ของพร้อมกันได้โดย (*) เมื่อพิจารณาถ้าเราใช้แล้วเราจะได้ ดังนั้นหลังจากปรับขนาดแล้วและให้บล็อกจอร์แดน สิ่งนี้ให้การจับคู่ จะต้องมีเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะศูนย์อีกตัวหนึ่งของ
นอกจากนี้คู่เหล่านี้ยังมีโครงสร้างที่น่าสนใจอีกด้วย หากลูกศรซ้ายสอดคล้องกับการประยุกต์ใช้และลูกศรขวาสอดคล้องกับการประยุกต์ใช้และ เป็นเวกเตอร์ลักษณะเฉพาะศูนย์ของโดยไม่รวมปัจจัยสเกลาร์ เราจะได้ว่า
|
เมทริกซ์ Dirac แบบยุคลิด
ในทฤษฎีสนามควอนตัมเราสามารถ หมุน แกนเวลาแบบวิก (Wick rotate) เพื่อเปลี่ยนจากปริภูมิ มีนคอฟสกี (Minkowski space)ไปสู่ปริภูมิยูคลิด (Euclidean space ) ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งใน กระบวนการ ปรับค่ามาตรฐาน บางอย่าง รวมถึงทฤษฎีเกจแบบแลตติส (Lattice gauge theory ) ในปริภูมิยูคลิด มีการแสดงเมทริกซ์ดิแรก (Dirac matrices) สองแบบที่ใช้กันทั่วไป:
การแสดงผลแบบไครัล
โปรดสังเกตว่าปัจจัยต่างๆได้ถูกแทรกเข้าไปในเมทริกซ์แกมมาเชิงพื้นที่แล้ว เพื่อให้พีชคณิตคลิฟฟอร์ดแบบยุคลิด
จะปรากฏขึ้น นอกจากนี้ยังควรสังเกตว่ามีรูปแบบอื่น ๆ ที่แทรกเข้าไปในเมทริกซ์ตัวใดตัวหนึ่งแทน เช่น ในโค้ด QCD แบบแลตติสที่ใช้ฐานไครัล
ในปริภูมิยูคลิด
โดยใช้ตัวผกผันการสลับตำแหน่งและสังเกตว่าในปริภูมิยูคลิดจะแสดงให้เห็นว่า
ในฐานไครัลในปริภูมิยูคลิด
ซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงจากเวอร์ชันของมินคอฟสกี
การนำเสนอแบบไม่สัมพัทธภาพ
เชิงอรรถ
- ↑ เซตของเมทริกซ์ (Γ a ) = ( γ μ , i γ 5 )โดยมี a = (0, 1, 2, 3, 4)เป็นไปตามพีชคณิตห้ามิติของคลิฟฟอร์ด {Γ a , Γ b } = 2 η ab
ดูเพิ่มเติม
การอ้างอิง
- ^คูกิน 2016
- ^โลนิโกร 2023
- ^ โยส ต์ 2002
- ^ Tong 2007บันทึกย่อทฤษฎีสนามควอนตัมเบื้องต้นเหล่านี้จัดทำขึ้นสำหรับนักศึกษาระดับปริญญาโท (Part III)
- ^ไวน์เบิร์ก 2002 , § 5.5.
- ^ de Wit & Smith 2012
- ^ a b c Feynman, Richard P. (1949). "แนวทางอวกาศ-เวลาสู่ควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์" . Physical Review . 76 (6): 769– 789. Bibcode : 1949PhRv...76..769F . doi : 10.1103/PhysRev.76.769 – via APS.
- ^ คาปลู นอฟสกี 2008
- ^ Itzykson & Zuber 2012
- ^คาคุ 1993
- ^เฮสเตเนส 2015
- ^โรดริเกสและโอลิเวียรา 2007
ลิงก์ภายนอก
- เมทริกซ์ Diracบน Mathworld รวมถึงคุณสมบัติของกลุ่มเมทริกซ์เหล่านั้น
- เมทริกซ์ Dirac ในฐานะกลุ่มนามธรรมบน GroupNames
- "เมทริกซ์ของ Dirac" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press , 2001 [1994]
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ เมทริกซ์แกมมา
ในฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์เมทริกซ์แกมมาหรือที่เรียกว่าเมทริกซ์ดิแรกคือชุดของเมทริกซ์แบบดั้งเดิมที่มี ความสัมพันธ์ การสลับตำแหน่ง เฉพาะ
โครงสร้างทางคณิตศาสตร์
คุณสมบัติสำคัญที่ทำให้เมทริกซ์แกมมาสามารถสร้าง พีชคณิตคลิฟฟอร์ด ได้ คือความสัมพันธ์การสลับตำแหน่งแบบผกผัน
โครงสร้างทางกายภาพ
พีชคณิตคลิฟฟอร์ดเหนือปริภูมิเวลา V สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นเซตของตัวดำเนินการเชิงเส้นจริงจาก V ไปยังตัวมันเอง End( V ) หรือโดยทั่วไปแล้ว เมื่อ ทำให้เป็นเชิงซ้อน จะเป็นเซตของตัวดำเนินการเชิงเส้นจากปริภูมิเวกเตอร์เชิงซ้อนสี่มิติใดๆ ไปยังตัวมันเอง กล่าวอย่างง่ายๆ...
การแสดงสมการของ Dirac
ใน หน่วยธรรมชาติ สมการของ Dirac สามารถเขียนได้ดังนี้