群与物理学的伴随作用动量

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庞加莱群的中心扩张。

在J.M.Souriau所著《动力系统结构》一书中可以找到此类扩张的描述。他的几何化量子化方法,能够从该群出发,推导出量子力学的方程。例如,描述非相对论质点的巴格曼群,导出了非相对论的薛定谔方程。

其出发点是伽利略群。这是一个5×5的矩阵,按如下方式构造:

(152)

方程152

旋转矩阵依赖于三个参数,即欧拉角。因此该群的维数为十。

使用如下记号:

(153)

方程153

(154)

方程154

与时空相关联:

(155)

方程155

尽管看起来有些奇怪,但该群在相空间上的伴随作用构造中,并未显现出质量m作为一个几何对象。这只能通过该群的一个非平凡扩张——巴格曼群(1960年)实现。

(156)

方程156

标量f的存在使该群的维数增加一维:变为十一维。

该群作用于一个五维空间——时空,外加一个额外维度z,其作用形式为:

(157)

方程157

巴格曼群在其动量空间上的伴随作用已在上文给出。可以看出,通过添加标量f,使群的维度增加一维,同时在动量中也增加了一个分量,该分量将被识别为质量m(在此过程中,质量是守恒的:m' = m)。

从巴格曼群出发,并利用其几何化量子化方法,Souriau便能构造出非相对论的薛定谔方程。

相对论量子方程是克莱因-戈登方程。因此,自然地,人们会尝试寻找它所源自的群。这正是中心扩张:

(158)

方程158

“pe”表示“扩展的庞加莱群”。这里我们是从洛伦兹群Lo的正向子群出发,构建庞加莱群。

与该群相关联的空间同样是五维的:

(159)

(t, x, y, z, z)

。

这种扩张比巴格曼的更简单,但事实上相对论情形总是更简单。顺便可证明:在第一行的1和f之间,只能出现行矩阵0 = (0 0 0),即全为零。

几何化量子化方法由此导出克莱因-戈登方程。当讨论群在其动量空间上的作用时,得到如下结果:

(160)

J_pe = {c, M, P} = {c, J_p}

计算并不复杂,实际上完全对应于庞加莱群在其动量空间上伴随作用的计算。

我们计算其逆作用:

(160b)

然后表达内积(对偶性)的不变性:

(160c)

如果你能顺利完成这个计算,那将是一个非常好的迹象,意味着你已经开始进入这个复杂的领域。

于是出现了一个标量c,其唯一作用是保持不变。它代表什么?没有解释。它只是“某种守恒量”。我们可以赋予它例如电荷的属性。

人们自然想到,可以多次实现这种扩张:

(161)

方程161

后文将证明,这种操作可以无限次进行,每次增加一个额外的标量:

(162)

J_pe = {c₁, c₂, c₃, ..., M, P}
J_pe = {c₁, c₂, c₃, ..., J_p}

其伴随作用为:

(163)

我们可认为动量分量的某些离散值对应于粒子的电荷。

读者可能会说:确实,我们也可以添加例如六行额外的行。这样就能得到一些标量的不变性,可将其识别为:

(164)

c₁ = e(电荷)
c₂ = cB(重子数)
c₃ = cL(轻子数)
c₄ = cₘ(μ子数)
c₅ = cₜ(τ子数)
c₆ = v(旋磁比)

只需考虑一个十维空间上的群及其对应作用:

(165)

(x, y, z, t, z₁, z₂, z₃, z₄, z₅, z₆)

(166)

方程166

再次,我们围绕洛伦兹群的正向子群Lo构建该群:

Lo = Ln(单位成分)
» Ln(空间反演)

这个具有两个分支的群,简单地引入了六个标量,它们伴随粒子但不与任何事物相互作用。动量变为:

(167)

J_pe = {q, cB, cL, cₘ, cₜ, v, J_p}

其中J_p为“庞加莱部分”。但这种构造的实际意义仍然有限。

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