群と物理学の共随伴作用運動量

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並進群:

…2次元空間(x, y)を考える。この空間において、並進はスカラーの組(Δx, Δy)に対応し、通常次のように表す:

x' = x + Δx
y' = y + Δy

このとき、加法を用いる。では、並進を…乗法で表現することは可能だろうか?

行列を検討する:

そして群作用を定義する:

ここで、単なる行列乗法 g × r ではなく、群作用:

を用いていることに注意する。

同時に、3次元、4次元、さらにはそれ以上の次元における並進も検討できる:

対応する群作用は次のようになる:

…補足として、並進群は可換であり、単位元は「ゼロ並進」である。3次元では群の次元は3、4次元では4である。

行列群の利点。例:オイラー群。

…行列群の利点は、これまで異なる本質に思われていた複数の操作(たとえば回転と並進)を同時に扱える点にある。そのために、次のような行列を考える:

そして、群の要素となる行列を列ベクトルに作用させると、これは角度αの回転とベクトル(Δx, Δy)方向の並進の組み合わせに等しいことがわかる。

…ご覧の通り、行列gは2次元空間の点(x, y)に「直接」作用するのではなく、ある「群作用」と呼ばれる仕組みを通じて作用している。これは特定の公理に従う。

…したがって、群は「作用」し、「移動」する。ここでは点が移動される。これはオイラー群である。2次元空間(x, y)に関連するこの群は3つのパラメータで定義され、その次元は3である。特に:

g(α, Δx, Δy):群の次元は3。

特に:

g(0, Δx, Δy):並進の部分群を表す。

g(α, 0, 0):原点周りの回転の部分群を表す。

g(0, Δx, 0):x軸に平行な並進の部分群を表す。

…オイラー群は、それ自体に属性を持たない点を移動させる。一方、力学の群は単なる「質点」に質量、エネルギー、運動量、スピンといった「属性」を与える。

…オイラー群では、点の集合を扱う必要がある。まるで化学で、原子同士が区別できないように、分子の集合の幾何学的配置だけが情報を持つように。

…幾何学的図形、たとえば三角形(3点、または3線分の集合として考える)、四角形(4点、または4線分の集合として考える)は、この群によって移動できる。ここで重要な概念が登場する:種(species)。2つの「物体」が、群の要素によって一方を他方と重ね合わせられるならば、それらは同じ種に属するという。

オイラー群に関して、同じ辺長aの正方形は同じ種を形成する:

同じ種の正方形。

…辺長aとbが異なる場合、これらの物体は同じ種ではない。群の要素によって一方から他方への移行は不可能である。

オイラー群に関して、これらの正方形は同じ種ではない。

オイラー群では相似変換(ホモテティ)は許されない。これを扱うためには、デカルトの群に移行する必要がある:

4パラメータの群:

g(λ, α, Δx, Δy)

ここでλは相似変換の係数である。したがって、この群の次元は4である。

ここから、3次元空間におけるオイラー群が作用する物体についても想像できる。

…群論の完全な講義に飛び込む必要はないが、いくつかのアイデアを理解することが目的である。動物の分類学とは何か?動物を研究し、分類する科学である。形に限定すれば、オイラー群は成獣のウサギを分類できる。しかし、異なるサイズのウサギを同じ種に分類するには、オイラー群(3次元)では不可能である。そのためには、デカルトの群が必要となる。

…笑っているだろうか?間違っている。おそらく、自宅やアパートで、何か小さな子供が学習中で、隅で遊んでいるのではないだろうか。彼は古典的なおもちゃを与えられ、形の入る箱に円柱、立方体、三角柱を押し込もうとしている。

…彼は何をしているのか?3次元のオイラー群に慣れようとしている。彼は物体を「種」で分類し、将来の「形状認識」の基礎を築いているのである。

…色が異なっていても、赤ちゃんは、円柱Aと円柱Bが、3次元空間における群作用(物体の移動)によって、箱の「空洞の形」を用いて一致させられることを確認している。つまり、分類箱の入口に通るための「形のスクリーン」を使うのである。こうして、円柱AとBが、形(オイラー群)という基準では同じ種に属することを学ぶ。

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