群与物理学的伴随作用动量

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

  • 该文本讨论了具有非零质量自旋的粒子及其与能量和动量的关系。
  • 它解释了粒子的电荷以及C对称性,即电荷和磁矩的反转。
  • 描述了洛伦兹群的四个组成部分及其在时空变换中的作用。

自旋非零质量粒子

能量与动量之间不再像光子和中微子(零质量粒子)那样存在直接联系。

(131)


其中 m 为静止质量,即与巴格曼群中出现的质量相同,我们有:

(132a)

(132b)

我们仅限于考虑:

质子
电子
中子
以及它们的反粒子。

这些粒子具有不同的电荷、属性,这些也并非来自庞加莱群:

  • 电荷 e = ±1
  • 重子数 cB = ±1
  • 轻子数 cL = ±1
  • μ子数 cm = ±1
  • τ子数 ct = ±1
  • 旋磁比系数 v

所有这些量的反号对应于 C 对称性。因此,我们可以将它们归纳为下表:

(133)

方程133

其方向可以是任意的,如同自旋一样。

磁矩等于旋磁比系数 v 乘以自旋 s

(134)

方程134

此处我们用粗体 s 表示自旋,意味着粒子自旋的方向可以是任意的。但其模长是粒子的一个基本特征,且具有根本不变性(粒子自旋运动的几何量子化)。

C 对称性,即电荷共轭,反转旋磁比系数 v,因而也反转磁矩。

永久磁体

若将一块软铁置于足够强的磁场中,然后逐渐减弱该磁场,金属将保留永久磁化。发生了什么?

磁场使电子的自旋对齐,这些电子如同微型磁体,形成小的磁偶极子。

但为何它们会保持所施加的方向?这是由于“模仿效应”:每个电子都顺着邻近电子产生的磁场方向排列。当所有电子都如此做时,这些磁矩便保持平行。这就像“空间中的潘居尔”。除非加热金属块或对其敲击,否则这种电子有序结构将保持稳定。

反物质的磁矩

电荷共轭(与狄拉克意义下的物质-反物质转换相关,稍后将详细说明)导致磁矩反向,这是由于旋磁比系数的反向,而自旋保持不变。

显然,这种 C 对称性既不改变粒子的能量,也不改变其动量。

洛伦兹群的四个组成部分

如前所述,洛伦兹群 L 的元素 L 是通过公理定义的,必须满足:

(135)

方程135

(136)

方程136

任何满足此定义的矩阵 L 都属于洛伦兹群。这是一个 4×4 的矩阵,例如可作用于:

(137)

方程137

即作用于时空。于是我们自然会问:这些矩阵是否可能在该空间中实现对称性操作?例如,能否将 x 变为 -x?这些矩阵是否可以划分为不同子集:一些实现该操作,另一些则不能?

很久以前(英文:many beautiful candles ago),人们已深入研究过这一问题,并证明洛伦兹群实际上由四类矩阵构成。

Ln —— 既不反转空间也不反转时间的矩阵
Ls —— 反转空间的矩阵
Lt —— 反转时间的矩阵
Lst —— 同时反转空间和时间的矩阵

我们将这些集合称为群的“组成部分”。因此,洛伦兹群是一个包含四个组成部分的群。

我们可以立即构造出四个矩阵,每类分别属于上述子集:

(138)

方程138

An = 1(单位元),属于 Ln:既不反转空间也不反转时间
As 属于 Ls:反转空间
At 属于 Lt:反转时间
Ast 属于 Lst:同时反转空间和时间

要构成一个群(此处为洛伦兹群的子群),矩阵集合必须包含所考虑的 (n,n) 格式下的单位元,即此处的 (4,4) 格式。只有 Ln 中的矩阵满足此条件。它们构成洛伦兹群的一个子群。由于该集合包含群的单位元,也称为群的单位组成部分。其余矩阵集合无法构成子群(因为不包含单位元)。

注释

(139) At = - As Ast = - An

因此,我们可以考虑集合 Lo = Ln » Ls,它是洛伦兹群的一个子群,称为正时序[1]。矩阵集合 Lac = Lt » Lst 本身不构成群,但构成与时间反转相关的组成部分,称为反时序[12]。完整的洛伦兹群为:

(140) L = Lo » Lac

但也可以注意到,元素:

(141) m Lo,其中 m = ±1

覆盖了整个群