群と物理学の共随伴作用運動量

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • この文章は、ローレンツ群から導かれるポアンカレ群について説明し、時空変換に関連するその4つの成分を述べている。
  • これらの成分が運動量(エネルギー、運動量、並進、回転)に与える作用について説明している。
  • 文章は空間反転と時間反転について取り上げ、また負の質量が物理学に与える意味についても論じている。

群と物理学の共随伴作用運動量

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ポアンカレ群の四つの成分。

ローレンツ群からポアンカレ群を構成できる。すでに述べた通りである:

(142)

式142

C は「時空並進」のベクトルである。

(143)

式143

このポアンカレ群もまた四つの成分を持ち、それぞれローレンツ群の対応する成分と関連している。

上記では、群がその運動空間に作用する様子を示している。しかし、興味深いのは、四つの成分が「運動量」に与える作用である。参照:Souriau, Structure des Systèmes Dynamiques, Dunod 1973(英語版はBirkhauser 1997)、第III章、197ページ、「空間および時間の反転」という項。

ポアンカレ群に付随する運動量の成分を思い出そう:

E:エネルギー
p:運動量
f:通過量
l:回転量

Souriauの表記に合わせて、次のように呼ぶ:

  • Ln:ローレンツ群の恒等成分
  • Ls:空間反転成分
  • Lt:時間反転成分
  • Lst:空間および時間の両方を反転する成分

C が時空並進であるため、ポアンカレ群の四つの成分は以下の通りである:

gp ( Ln , C):恒等成分
gp ( Ls , C):空間反転
gp ( Lt , C):時間反転
gp ( Lst , C):空間および時間の両反転

運動量の成分への影響を調べよう。群がその運動量空間に作用する公式を検討する必要がある:

(144)

式144

P は以下の四元ベクトルである:

(145)

式145

分析すべき行列を書くと:

(146)

式146

ここで l = ±1 かつ m = ±1 である。
Ln = L( l = 1 ; m = 1)
Ls = L( l = -1 ; m = 1)
Lt = L( l = 1 ; m = -1)
Lst = L( l = -1 ; m = -1)

(147)

式147

(148)

式148

次に、回転量と通過量への作用を検討する。

(149)

式149

しかし、我々の関心対象では C = 0 である。

(150)

したがって l' = l かつ f' = l m f

これより次の結果を得る:

(151)
gp ( Ln , C):E → E;ppffll
gp ( Ls , C):E → E;p → -pf → -fll
gp ( Lt , C):E → -E;ppf → -fll
gp ( Lst , C):E → -E;p → -pffll

反転操作は、常に回転量 l を変化させない。

一方、時間反転とエネルギーの反転、 E → -E は同義である。

回転量は量子化されたとき、スピンと同義となる。いずれの反転もこれを変化させない。

スピン(粒子の回転ベクトルの大きさとしての)は、単なる数値である。

静止している粒子のエネルギーは mc² である。

時間反転は質量 m の反転と同義である。

空間反転は質量を反転させない。

Souriauは、上記の二つの成分を「正時的(orthochrone)」、残りの二つを「反時的(antichrone)」と呼んでいる。

彼は、これにより負の質量の問題が生じることに注意している。物理学者たちはこの問題を好まない。なぜなら、エネルギーが +mc² と -mc² の二つの粒子が衝突した場合、何が起こるのかという疑問が生じるからである。

完全な消失が起こる。これは単なる物質と反物質の消失(光子を放出する)とは異なる。むしろ、完全に何も残らない現象である。

負質量の問題を回避するため、Souriauは二つの解決策を提示している。第一は、負質量の粒子は存在しないと単純に決めるもの。第二は、反時的変換を排除することである。

言い換えるならば:

  • 神は、その無限の知恵の中で…

我々自身の研究の出発点となる要素をさらに構築していこう。