群与物理学的伴随作用动量

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一个(n,n)阶方阵作用于一个(n,0)阶列向量。我们已经看到,二维欧几里得群作用于(x,y)空间时,并不涉及对列向量的作用:

(51)

方程51

而是作用于列向量:

(52)

方程52

这代表了群在空间X上作用的一个例子,其中x ∈ X。可能存在无穷多种作用方式,仅以群在自身上的作用为例。作用由公理定义:

(53)

方程53

考虑列向量:

(54)

方程54

其中x可表示例如向量:

(55)

方程55

(56)

方程56

这些满足群作用的公理。于是我们可以尝试将表示群元素的方阵左乘一个行向量y,来检验这是否也是一种作用:

(57)

A g(y) = y x g

答案是否定的。这不是一个群作用:它不满足上述公理。这正是我所称的“反作用”,遵循以下“反公理”:

(58)

方程58

数学家会说,根本无需引入这种“反作用”,因为只需一套公理即可。确实如此。同样,被视为反作用的情形:

(59)

AAg(m) = g⁻¹ x m x g

其中m为给定向量,“群G中元素g对矩阵m的反作用”,g⁻¹表示矩阵的逆,可以视为元素g⁻¹的作用。

同理,一个“反作用”不过是某个作用的对偶。我认为引入这一概念在教学上较为方便。

从一个依赖n个参数pi的方阵群出发,可以通过对所有参数微分得到dpᵢ,从而构造出矩阵。这些矩阵由元素dpᵢ构成,不构成群,而被称为“群的切向量”:

dg

(其“李代数”,顺便说一句,严格来说也不是真正的代数,但暂且不论)。

因此,群可以在群的单位元e邻域内的“切向量”dg上通过“反作用”实现作用:

(60)

AAg(m) = g⁻¹ x dg x g (当g=e时)

于是得到如下图示:

(61)

但反作用正是作用的对偶。而当存在对偶关系时,标量积S保持不变。

因此,苏里欧试图构造群的第二种作用——即群在其“动量空间”上的作用。但这种被称为“伴随作用”或“本质作用”的作用无法直接出现。他必须经过一个中间步骤,即我所称的“群在自身切向量上的反作用”。

因此,所寻求的作用作为群在切向量上反作用的对偶而出现。而反作用的对偶,正是一个作用,可表示为:

(62)

Ag(J)

其中J即为“动量”:一组属于“质点”的属性的集合,该作用(称为“伴随作用”)描述了这些属性在运动过程中的变化方式。

存在一个群,将在后文给出,它是伽利略群的扩展,同样将在后文介绍,称为巴格曼群(1960年)。通过将此方法应用于该群,可以构建其动量JB以及群如何作用于该动量。

苏里欧常言道:

动量如影随形,紧随运动。

这是一幅优美的图景,取自他的著作《自然的语法》。质点确实在时空(x,y,z,t)中运动,其属性随之演化,这一过程由群在其动量空间上的伴随作用所描述。

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