Excalibur! 小小泡泡飘飘
构造一个等腰三角形,两个底角都是直角~
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学LHS的手法写一个相对论量子力学之我见 本来不想写公式的,但不写实在讲不清啊。毕竟你上班出行要根据距离估算多少时间到都得用数学。不然到机场车站,飞机动车已经走了。 这里有个群,叫作庞加莱群,它是四维时空的对称群。在群作用下保度规,保内积。用小学生话术讲:一根棍在庞加莱群作用下长度不变。 它包含3个方向的空间平移,3个方向空间转动,3个方向的时空推进(也就是俗称的洛伦兹变换)和1个方向的时间平移。从A到B,有一个矢量,它告诉我们这个平移或者转动或者推进的方向是多少,距离是多少。这样的矢量叫作Killing矢量。一个方向上所有Killing矢量构成一个场,叫作Killing矢量场。所以庞加莱群对应的Killing矢量场有10个。 如果我们丢掉A、B两个标识,那么从A到B和从B到A是没有区别的,这就是对称性。空间平移对称性对应着动量守恒, 时间平移对称性对应着能量守恒, 旋转平移对称性对应着角动量守恒。 这就是诺特定理。 这里有个点O,如果我们把A具有的所有属性(质量、电荷、自旋、色荷等等)赋予给O,那么O点就和A没有任何区别,也就是说它就是A,如果再把B的属性赋予给它,那他就是B。如果我们给每个点都赋予一个属性,就构成了场。如果把场点A的属性传递给B,就等同于质点从A移动到B。这就是场论。 因为传递的是属性,而场点本身是不动的,所以场点的坐标仅代表场点本身。 这个赋予属性的行为可以称之为算符,也就是一种映射。 属性需要传递,我们需要一个矢量来确定如何传递,矢量就是killing矢量。(比如说属性m配以矢量v就变成动量P,属性q配以矢量v就变成电流I) 我们把能量算符E,哈密顿算符H,这些作用到场点上,就得到了Eψ=Hψ薛定谔方程,E和H就像两个无情机器,分别输入一个ψ,得到相同的输出。 当H算符满足庞加莱群对称性,它就是狄拉克方程(其实还有个克莱因戈登方程),它其实就是相对论的能量动量关系式E²=P²+M²开个方,它当然是个矩阵了,庞加莱群它就是矩阵群嘛(薛定谔辛辛苦苦搞出波动力学结果又回到矩阵力学了)。所以它看起来是一个方程,实则是包含四个方程的线形方程组。 本来不想写公式的,还是写写吧,不写看不见它与相对论的关系。 狄拉克方程通常是Eψ=(α•P+βM)ψ,要知道E和α•P+βM都是矩阵,而ψ是列向量,输出也是列向量。(α•P)²=P²,(βM)²=M²,β提出来β⁻¹E=β⁻¹α•P+M,β⁻¹和β⁻¹α构成新的矩阵γ,即狄拉克矩阵,它的模也为1,|γ|²=1。γ矩阵有四个,分别对应4维时空的四个基矢(就是四个单位轴)。γ矩阵对应的群是洛伦兹群SO(1,3),也就是庞加莱群的三个转动+三个推进。由于E=i∂/∂t,P=-i▽,i∂/∂t+i▽写作∂ᵃ,γₐ∂ᵃ写作(∂加/),所以狄拉克方程也被简写为(i∂加/-M)ψ=0。(h和c就让它=1吧) 一份洛伦兹群是两份特殊酉群SU(2)的直和,也就是把4x4的γ矩阵分成上下两块,互为共轭。这样ψ这个列向量也要被分成两块,由一个4分量切成两个2分量。由于上下两块互为共轭,这样自旋1/2和-1/2自然被表述。(这玩意是从一个上面切成的两个,诞生之初就注定共轭,所以不管传递多远,只要你不去干扰它,它就肯定是关联的,这就是量子纠缠) 因为开方,我们除了E=α•P+βM还有-E=α•P+βM,正能解和副能解分别对应了粒子和反粒子。狄拉克将其解释为狄拉克海。更恰当的解释是正能解是产生,副能解是湮灭,即产生和消灭一个粒子所需的能量。 SU(2),其实就是单位四元数的另一种表达,单参数子群是U(1),就是单位复数,把单位四元数的虚轴固定,剩下的当然是单位复数。酉群是矩阵群,作用在向量上(其实它是旋量,旋量也可以说是复空间的矢量),它肯定是满足洛伦兹不变的(也就是上面的三个转动+三个推进)。酉群都是满足的。 所以量子场论就是量子力学+狭义相对论。
学一下LHS的形式写一个量子场论之我见 这里有个群,叫作庞加莱群,它是四维时空的对称群。在群作用下保度规,保内积。用小学生话术讲:一根棍在庞加莱群作用下长度不变。 它包含3个方向的空间平移,3个方向空间转动,3个方向的时空推进(也就是俗称的洛伦兹变换)和1个方向的时间平移。从A到B,有一个矢量,它告诉我们这个平移或者转动或者推进的方向是多少,距离是多少。这样的矢量叫作Killing矢量。一个方向上所有Killing矢量构成一个场,叫作Killing矢量场。所以庞加莱群对应的Killing矢量场有10个。 如果我们丢掉A、B两个标识,那么从A到B和从B到A是没有区别的,这就是对称性。空间平移对称性对应着动量守恒, 时间平移对称性对应着能量守恒, 旋转平移对称性对应着角动量守恒。 这就是诺特定理。 这里有个点O,如果我们把A具有的所有属性(质量、电荷、自旋、色荷等等)赋予给O,那么O点就和A没有任何区别,也就是说它就是A,如果再把B的属性赋予给它,那他就是B。如果我们给每个点都赋予一个属性,就构成了场。如果把场点A的属性传递给B,就等同于质点从A移动到B。这就是场论。 因为传递的是属性,而场点本身是不动的,所以场点的坐标仅代表场点本身。 这个赋予属性的行为可以称之为算符,也就是一种映射。 属性需要传递,我们需要一个矢量来确定如何传递,矢量就是killing矢量。(比如说属性m配以矢量v就变成动量P,属性q配以矢量v就变成电流I) 我们把能量算符E,哈密顿算符H,这些作用到场点上,就得到了Eψ=Hψ薛定谔方程,E和H就像两个无情机器,分别输入一个ψ,得到相同的输出。 当H算符满足庞加莱群对称性,它就是狄拉克方程(其实还有个克莱因戈登方程),它其实就是相对论的能量动量关系式E²=P²+M²开个方,它当然是个矩阵了,庞加莱群它就是矩阵群嘛(薛定谔辛辛苦苦搞出波动力学结果又回到矩阵力学了)。所以它看起来是一个方程,实则是包含四个方程的线形方程组。 本来不想写公式的,还是写写吧,不写看不见它与相对论的关系。 狄拉克方程通常是Eψ=(α•P+βM)ψ,要知道E和α•P+βM都是矩阵,而ψ是列向量,输出也是列向量。(α•P)²=P²,(βM)²=M²,β提出来β⁻¹E=β⁻¹α•P+M,β⁻¹和β⁻¹α构成新的矩阵γ,即狄拉克矩阵,它的模也为1,|γ|²=1。γ矩阵有四个,分别对应4维时空的四个基矢(就是四个单位轴)。γ矩阵对应的群是洛伦兹群SO(1,3),也就是庞加莱群的三个转动+三个推进。由于E=i∂/∂t,P=-i▽,i∂/∂t+i▽写作∂ᵃ,γₐ∂ᵃ写作(∂加/),所以狄拉克方程也被简写为(i∂加/-M)ψ=0。(h和c就让它=1吧) 一份洛伦兹群是两份特殊酉群SU(2)的直和,也就是把4x4的γ矩阵分成上下两块,互为共轭。这样ψ这个列向量也要被分成两块,由一个4分量切成两个2分量。由于上下两块互为共轭,这样自旋1/2和-1/2自然被表述。(这玩意是从一个上面切成的两个,诞生之初就注定共轭,所以不管传递多远,只要你不去干扰它,它就肯定是关联的,这就是量子纠缠) 因为开方,我们除了E=α•P+βM还有-E=α•P+βM,正能解和副能解分别对应了粒子和反粒子。狄拉克将其解释为狄拉克海。更恰当的解释是正能解是产生,副能解是湮灭,即产生和消灭一个粒子所需的能量。 SU(2),其实就是单位四元数的另一种表达,单参数子群是U(1),就是单位复数,把单位四元数的虚轴固定,剩下的当然是单位复数。酉群是矩阵群,作用在向量上(其实它是旋量,旋量也可以说是复空间的矢量),它肯定是满足洛伦兹不变的(也就是上面的三个转动+三个推进)。酉群都是满足的。 所以量子场论就是量子力学+狭义相对论。 Ψ这个矢量(旋量)叫作态矢量,俗称波函数,又叫场的激发,学名粒子。 开头说到这个长度不变的棍,那么物理中的棍是什么呢?矢量(旋量)。对应的长度代表什么呢?标量,即拉格朗日量,也就是内积。还记得狄拉克方程(iγᵃ∂ₐ-M)ψ,前面是矩阵后面是列向量,矩阵x列向量=列向量。我们要得到内积,就要在前面左乘共轭转置。例如(a,-bi)(a,bi)ᵀ=a²+b²。(iγᵃ∂ₐ-M)ψ这一坨的共轭转置写作ψ⁺,所以自旋1/2自由粒子的拉格朗日量就为ψ⁺(iγᵃ∂ₐ-M)ψ。 接下来是全局对称性和局域对称性。我们李群的表达是e^iA,它本身是个矩阵,A这一坨叫作生成元,也是个矩阵,所以A也有自己的空间,叫作李代数空间。 全局变换就是生成元固定不变,把e^iA作用在ψ上生成新的ψ’,同时e^iA的共轭e^-iA要作用在ψ⁺上生成新的ψ⁺‘。(这个是线性代数,张量分析的东西,对应着协变和逆变,一两句话讲不清)全局变换就是平移,旋转什么的。 @the_hound @LHS讲物理 @ddx7171 @joywee2007
聊一聊对李群流形的幼儿园级理解 SO(3),exp[iωn•T],都知道这玩意的流形是个三维实心球,半径是π。把这一坨“in•T”写作J,对应生成元。我们知道当J确定,exp[ωJ]就是一条单参数子群。也就是说实心球的每一条半径矢量都对应着一条单参数子群。我之前一直在想,半径的切矢不就是它自己吗?exp[ωJ]这玩意怎么看也不像是直线。J是常量,exp[ωJ]怎么看应该是个圆。 没错它就是个圆(不要在意为什么没有i,因为J和iJ是线性相关,J也可以是iJ)。 注意看这个圆,它的半径为π,以A点为单位元,弧AOK上的点一一映射到直径Aλ(假设圆心为λ)上,弧KGA映射到半径Kλ上也就是exp[ωJ]与ω的关系。沿弧AOK放到SO(3)的流形里,就是从球心延J所确定的半径到球面,然后沿弧KGA 放到SO(3)的流形里,就是从球面沿-J所确定的半径到球心。显而易见K这个点对应着SO(3)直径两端的点。也就是说SO(3)的直径是把圆代表的单参数子群变成直径再搞到这个球体里。 很妙的一点就是只要把(标架)J=d[exp(ωJ)]/dω|ω=0赋予给参数ω,自然就完成了李子群到其切空间(李代数)的映射。(嘿,自同构) 又显而易见的是,只需要把SO(3)的半径绕原点旋转就得到了其他的单参数子群。即g'=hgh⁻¹(抽象的图3)共轭类。 从g的切空间到g'的切空间,即推前映射,这和张量分析里的协变有异曲同工之妙。 与之对应的余切空间的拉回映射,对应着逆变。 (因为SO(3)是全体三维空间顺时针转动群,我们想要逆时针转其实就是绕反轴转,顺时针转π其实也是逆时针转π。)所以在这个SO(3)球体上,直径两端对应的两点算同一点,也就是所谓的对径认同)
随便写写,有空再续 对于任意一个四元数U=x⁰+x¹e₁+x²e₂+x³e₃,都可以找到它的矩阵表示 [x⁰+ix³, ix¹+x² ix¹-x², x⁰-ix³] =x⁰[1,0/0,1]+x¹[0,i/i,0]+x²[0,1/-1,0]+x³[i,0/0,-i] 其中 [1,0/0,1]=I, [0,i/i,0]=iσ₁, [0,1/-1,0]=iσ₂, [i,0/0,-i]=iσ₃ I和σ分别是单位阵和泡利矩阵, 对其进行归一化处理 UU⁺=I,det U=1,即SU(2),SU(2)同构于单位四元数 群的基本性质 封闭性 结合律 单位元 逆元 考虑单位元附近无穷小变换群元 g(ε)=1+iεJ,通过连续群乘得到其有限 群元g(θ),则任意群元可表达为g(θ)=lim(N→∞)(1+i(θ/N)J)^N=e^(iθJ) J=idg(θ)/dθ|θ=0,则J为群G的生成元。 可知J为群G空间在单位元的正切空间。对于李群exp(χ^),χ^为对应的李代数。李代数空间为对应李群在单位元附近的正切空间。 SU(2)群元可表达为U(n,ω)=exp[i(ω/2)n•σ],其中n为实三维空间中的单位向量,n•σ=n¹σ₁+n²σ₂+n³σ₃,(n•σ)²=1 极坐标表达 n¹=sinθcosψ, n²=sinθsinψ n³=cosθ, 通过计算可得 [0,i/i,0]=iσ₁, [0,1/-1,0]=iσ₂, [i,0/0,-i]=iσ₃ 为SU(2)的生成元的三个基矢 对exp[i(ω/2)n•σ]泰勒展开, 1+[i(ω/2)n•σ]+[i(ω/2)n•σ]²/2!+[i(ω/2)n•σ]³/3!+[i(ω/2)n•σ]⁴/4!••• =1+[i(ω/2)n•σ]²/2!+[i(ω/2)n•σ]⁴/4!••• +[i(ω/2)n•σ]+[i(ω/2)n•σ]³/3!••• = cos(ω/2)1+isin(ω/2)n•σ 可以看到:ω=0,对应的群元为diag(1,1) ω=2π,对应群元为diag(-1,-1),ω=4π,对应群元也是diag(1,1),这就是自旋1/2要转两圈才能回到原位。 三维向量可以用SU(2)群元表示,对应cos(ω/2)=0的。通过相似变换U⁻¹VU=V’可以得到对应的变换式。 由SU(2)定义来看几何是一个三维超球面S³,也可通过一个操作使它退回三维球体B³(一个半径从0到2π的实心球) 顺便说一点四元数属于克利福德代数,通过对易子和反对易子定义内外积: [u,v]=2uΛv {u,v}=2u•v
分享一些我看过收藏的知识链接 作者:PeiLingX http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F266040979%3Futm_id%3D0&urlrefer=40bad0a9ce2f5eabf9346ff2b2c561b8(从电磁学问题到相对论起源) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F268227303%3Futm_id%3D0&urlrefer=c8303dcc570ecd976e5cbc7549c1d5e6(时空的几何机构) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F266509750%3Futm_id%3D0&urlrefer=a726b18731f6adfb58999204c8acabdb(洛伦兹变换) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F276755927%3Futm_id%3D0&urlrefer=fd67c40f8993aee3b9c9c1d1ac3538b9 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F292504957%3Futm_id%3D0&urlrefer=7b8cfbba81fa4f509312563b174576af(四动量守恒以及能量动量关系) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F351946670%3Futm_id%3D0&urlrefer=d5b79f2b7cf98d22c4d65a5ae26d3467(四维电动力学) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F360742423%3Futm_id%3D0&urlrefer=e5f8b5d845bcf36790c3ce0bbcddd8c0 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F360746794%3Futm_id%3D0&urlrefer=cefb491182a1d422c6d1468ff06d1bb9 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F380546800%3Futm_id%3D0&urlrefer=0d88631e80740aaf9ae8a1943f231fc8(张量的初步认识) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F352938244%3Futm_id%3D0&urlrefer=f3f2b3933055277fd958046c54f089e8(外微分与四维电动力学) 作者:烤羚羊 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F139018146%3Futm_id%3D0&urlrefer=c8d5db914443b81e7da1464f74720f88(变分原理初识)end http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fmp.weixin.qq.com%2Fs%3F__biz%3DMzU0ODA4NzAxNQ%3D%3D%26mid%3D2247508519%26idx%3D2%26sn%3D68d8a3f6ed0401a8d80f335a9a4246e3%26chksm%3Dfb4697afcc311eb913a6cdcfbf79b07bcdbdc7a6bf52adadd5b9badf65a382f67c0fbb9f9871%26scene%3D27&urlrefer=49509bd38fe3e95cfb13528dc2c9eef5(四维电动力学总结) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fblog.csdn.net%2Fliuxiang3%2Farticle%2Fdetails%2F124482868&urlrefer=4e467f6819e5687ecec07f8173c99e87(克利福德代数) 作者:返朴 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F80403958%3Futm_id%3D0&urlrefer=70de5eae4788c9191381f12f94247ebc(量子力学初识) 作者:东云正树 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F367408697%3Futm_id%3D0&urlrefer=154332d864128607aada8eb46bd93c26(洛伦兹群初识) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fwww.zhihu.com%2Fquestion%2F27848895%2Fanswer%2F1948062573%3Futm_id%3D0&urlrefer=b93be667b8466b6b56869baffc754fe4(希尔伯特空间初识) http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F294221308%3Futm_id%3D0&urlrefer=0a006f3238e3467eb79bb1704f898100(群论速成班系列)(对径认同、二重覆盖) 作者:yubr http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F82590997%3Futm_id%3D0&urlrefer=0e271cf1cec84552beb321376db77746(洛伦兹群和庞加莱群) 作者:Hey'u http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F394420818%3Futm_id%3D0&urlrefer=41de8302c02661e38eef4b528b0193fa(标量场及复标量场) 作者:桂花载酒游 http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=https%3A%2F%2Fzhuanlan.zhihu.com%2Fp%2F598922741%3Futm_id%3D0&urlrefer=800054333913876ae241703cf27e9123(相互作用理论)
量子力学那些事 S-作用量,H-哈密顿量,q-广义坐标,p-广义动量,∂q-广义速度,[,]-泊松括号 ∂S/∂t+[S,H]=dS/dt [S,H]=Σ(∂S/∂q•∂H/∂p-∂S/∂p•∂H/∂q) ∂S/∂q=p ∂H/∂p=∂q ∂S/∂p=0 dS/dt=L 综合得到哈密顿雅可比方程: -∂S/∂t=Σp∂q-L=H(q,p,t) 即Ε=H(q,p,t) (对于经典一维自由粒子H=p²/2m, 它的哈密顿雅可比方程为∂S/∂t=-1/2m(∂S/∂x)² 对于一维谐振子H=p²/2m+1/2mω²x² 哈密顿雅可比方程为∂S/∂t=-1/2m(∂S/∂x)²-1/2mω²x²) 定义能量算符E=ih∂/∂t(h为h巴),动量算符P=-ih▽,哈密顿算符H,由经典色散关系E=p²/2m,算符作用于波函数得到 薛定谔方程Eψ=Hψ 即ih∂ψ/∂t=-h²/2m▽²ψ 对方程解析得到三个本征方程,从而引出三个量子数(m,l,n)磁、角、主 但是不包括自旋s。 由洛伦兹力md²x/dt²=-q[∂A/∂t+▽φ-Vx(▽xA)],考虑电子在电磁场中作用,引入泡利矩阵, 新的动量算符P‘=σ•(P-qA), 能量算符E’=E-qφ, 则可得到泡利方程 -1/2m(P‘²)ψ=Ε’ψ 整理即 ih∂ψ/∂t=[(P-qA)²/2m+qφ]ψ+qhσ•(▽xA)ψ 泡利矩阵出现在与磁场相互作用的一项,关联自旋磁矩。它要求波函数是二分量,ψ=(ψ⁺,ψ⁻)泡利旋量。于是引出自旋量子数s。 但泡利方程的自旋是人为加上的。以上薛定谔方程和泡利方程都不具备相对论协变性 要构造相对论性的场方程要求时间t和空间X具有相同的地位,即时间和空间具有相同阶的微分方程。同时满足洛伦兹协变性。 利用相对论色散关系E²=c²P²+m²c⁴ 和能量算符E=ih∂/∂t,动量算符P=-ih▽ 得到 克莱因-戈登方程 -h²∂²ψ/∂t²=(-h²c²▽²+m²c⁴)ψ 对应哈密顿量H为(c²P²+m²c⁴)^1/2 取几何单位制h=c=1,则简写为 -∂²ψ/∂t²=(-▽²+m²)ψ 进一步简写为(∂²+m²)ψ=0或者(□+m²)ψ=0,□为达朗贝尔算子 克莱因-戈登方程描述自旋为0的自由场,对应洛伦兹群(0,0)的情况,为标量场 考虑相对论色散关系E²=P²+m², 对动量P引入系数α,质量m引入系数β,E²=(α•P+βm)² 则哈密顿量H=α•P+βm,它要求: α²=β²=1,αβ-βα=0,考虑狭义相对论为四维时空,由此构造旋量γ=β•α,γ为4x4的矩阵,即狄拉克矩阵 γ⁰=β•α⁰=(σ⁰,0/0,-σ⁰) γ¹=β•α¹=(0,σ¹/-σ¹,0) γ²=β•α²=(0,σ²/-σ²,0) γ³=β•α³=(0,σ³/-σ³,0) σⁱ为四个泡利矩阵,此时ψ为二旋量、四分量 得到狄拉克方程 i∂ψ/∂t=(-iα•▽+βm)ψ 移项(iγ^μ∂_μ-m)ψ=0 狄拉克方程描述自旋为1/2的自由场,对应洛伦兹群(1/2,0)⊕(0,1/2)的情况,为旋量场 若ψ是四矢量A^μ,则方程变为 proca方程(∂_μ∂^μ+m²)A^μ=0, 描述自旋为1的自由场, 当m=0,方程变为∂_μ∂^μA^μ=0,即无源麦克斯韦场,对应洛伦兹群(1/2,1/2)的情况,即矢量场。
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