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4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」ベクトルである。

(143)

式143

このポアンカレ群もまた4つの成分を持ち、それぞれローレンツ群の対応する成分に由来する。

上図は、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、4つの成分が運動量に与える作用である。参照:Souriau, 『構造の動的系』、Dunod 1973(英語版はBirkhauser 1997)、第III章、197ページ、「空間と時間の反転」という項。

ポアンカレ群に対応する運動量の成分を再確認する:

E :エネルギー
p :運動量
f :通過量
l :回転量

Souriauの表記に近づけるため、次のように呼ぶ:

  • Lₙ :ローレンツ群の中立成分
  • Lₛ :空間反転成分
  • Lₜ :時間反転成分
  • Lₛₜ :空間・時間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4つの成分は以下の通りである:

gₚ(Lₙ, C) :中立成分
gₚ(Lₛ, C) :空間反転
gₚ(Lₜ, C) :時間反転
gₚ(Lₛₜ, C) :空間・時間両方反転

運動量の成分への影響を調べる。群が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4次元ベクトルである:

(145)

式145

分析すべき行列を書くと:

(146)

式146

ただし、l = ±1 および m = ±1。

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、我々の関心にかかわる点では、C = 0 である。

(150)

よって、l' = l かつ f' = l m f

したがって、以下の結果が得られる:

(151)

gₚ(Lₙ, C) :
E → E;p → p;f → f;l → l

gₚ(Lₛ, C) :
E → E;p → -p;f → -f;l → l

gₚ(Lₜ, C) :
E → -E;p → p;f → -f;l → l

gₚ(Lₛₜ, C) :
E → -E;p → -p;f → f;l → l

反転操作は、回転量 l を決して変化させない。

一方、時間反転とエネルギーの反転 E → -E は同義である。

回転量が量子化されたとき、回転量はスピンと同義となる。いずれの反転もスピンには影響しない。

スピン(粒子の回転量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。

群の最初の2つの成分はSouriauによって「正時的」と呼ばれ、残りの2つは「逆時的」と呼ばれる。

彼は、こうした議論が負の質量の問題を提起することに注意している。物理学者はこの問題を好まない。なぜなら、エネルギーが +mc² と -mc² を持つ2つの粒子が衝突した場合、完全な消失が生じるからである。これは単なる物質と反物質の消失(これにより光子が生成される)とは異なる。むしろ、完全に「何もなし」が生成される現象である。

負の質量の問題を回避するため、Souriauは2つの解決策を提示する。1つは、負の質量を持つ粒子は存在しないと単純に決める方法。もう1つは、逆時的変換を除外する方法である。

言い換えるならば:

  • 神は、彼の無限の知恵の中で……

続いて、自らの研究の出発点となる要素を構築し続ける。

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