群与物理学的伴随作用动量

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庞加莱群的四个组成部分。

从洛伦兹群可以构造出已提及的庞加莱群:

(142)

方程 142

C 是“时空平移”矢量。

(143)

方程 143

庞加莱群也将有四个组成部分,每个部分对应于洛伦兹群的相应组成部分。

上图展示了群在其运动空间上的作用。但更有趣的是,这四个组成部分对动量的作用。参见:Souriau,《动力系统结构》,Dunod 1973(英文版由 Birkhauser 1997 出版),第三章,第 197 页,标题为:

空间与时间的反演。

回顾与庞加莱群相关的动量的四个组成部分:

E:能量
p:动量
f:通过量
l:自转量

为了贴近 Souriau 的记号,我们记作:

  • Lₙ 为洛伦兹群的中性部分。
  • Lₛ 为反演空间的部分。
  • Lₜ 为反演时间的部分。
  • Lₛₜ 为同时反演空间与时间的部分。

由于 C 是时空平移,庞加莱群的四个组成部分为:

gₚ(Lₙ, C):中性部分
gₚ(Lₛ, C):反演空间
gₚ(Lₜ, C):反演时间
gₚ(Lₛₜ, C):同时反演空间与时间。

我们来研究这些变换对动量各分量的影响。需要考虑群在其动量空间上作用的公式:

(144)

方程 144

P 是四维矢量:

(145)

方程 145

我们可以写出需要分析的矩阵:

(146)

方程 146

其中 l = ±1 且 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)

方程 147

(148)

方程 148

接下来考察对自转量和通过量的作用。

(149)

方程 149

但在我们关心的情形中,C = 0

(150)

因此
l′ = l
f′ = l m f

由此可得:

(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

反演始终不改变自转量 l。

而时间反演与能量反演 E → -E 是等价的。

当自转量被量子化时,它等价于自旋。任何反演都不会改变它。

自旋(作为粒子自转矢量的模)只是一个数值。

静止粒子的能量为 mc²。

时间反演等价于质量 m 的反演。

空间反演不改变质量。

Souriau 将前两个组成部分称为“同向的”(orthochrones),
后两个称为“反向的”(antichrones)。

他指出,这一切引出了负质量的问题,而物理学家通常不喜欢这个问题。
事实上,当两个分别具有能量 +mc² 和 -mc² 的粒子相遇时,会发生什么?
它们将完全湮灭。
这不仅仅是普通的物质-反物质湮灭(后者产生光子),
而是一种能从“无”中产生“无”的现象。

为了避免负质量带来的问题,Souriau 提出了两种解决方案。
第一种是简单地规定负质量粒子不存在。
第二种是排除反向变换。

我们可以这样转述:

  • 上帝,以其无限的智慧……

继续建立我们自己工作的基础元素。

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