Почему нас должны интересовать представления пространственно-временных симметрий в квантовой механике?

Многие сообщения здесь посвящены вопросу о том, как именно пространственно-временные симметрии представлены в (проективных) гильбертовых пространствах в квантовой механике. Вопрос здесь в том, почему квантовые состояния должны жить в (проективных) пространствах представления этих групп симметрии в первую очередь.

В конце концов, пространственно-временные симметрии просто отражают избыточный и произвольный выбор, который мы делаем для описания системы в классической механике. Сами физические объекты, конечно, не затронуты преобразованием симметрии, в этом весь смысл симметрии. Выдающаяся роль таких «артефактов» нашего классического описания в построении квантовой механики кажется удивительной (см., например, Л.Э. Баллентайн: Квантовая механика , глава 3, и С. Вайнберг, Квантовая теория полей , глава 2).

  1. Есть ли веская априорная причина ожидать, что квантовые состояния должны жить в (проективных) пространствах представления пространственно-временных симметрий, помимо того факта, что квантовая механика «работает», как мы видим апостериори ?
  2. Существует ли формулировка квантовой механики, или КТП, если уж на то пошло, которая избавляется от избыточности (пространственно-временных симметрий) вместо того, чтобы заимствовать ее из классической механики, придерживаясь «плохих привычек»?

Редактировать: В каком смысле пространственно-временные симметрии просто отражают избыточный и произвольный выбор того, как мы описываем классическую систему? Под пространственно-временными симметриями я подразумеваю элементы группы Галилея или группы Пуанкаре в нерелятивистской и релятивистской физике соответственно, действующие на векторные пространства и живущие в них объекты (тензоры). Теперь, например, активное вращение системы (включая все, с чем она взаимодействует) не имеет наблюдаемых последствий. Эквивалентно, пассивное вращение действует на базисные векторы, а также преобразует компоненты тензора , так что сам тензор как геометрический объект является инвариантным .

В этом смысле применение пространственно-временных симметрий, активных или пассивных, к системе дает разные описания системы, все из которых эквивалентны в том, что они описывают одну и ту же физическую ситуацию.

Я не знаю, почему вы утверждаете, что «симметрии пространства-времени просто отражают избыточный и произвольный выбор, который мы делаем для описания системы в классической механике» — это верно для калибровочных симметрий, но неверно для глобальных симметрий, таких как симметрия Лоренца. Например, является ли система осесимметричной или нет, является объективным свойством системы, а не причудой нашего описания.
@ACuriousMind: я придерживаюсь точки зрения пассивных преобразований: например, в специальной теории относительности вращение действует на основе касательного пространства к пространству-времени. Тогда соответственно изменяются компоненты тензора в нашем описании, но сам тензор (геометрический объект) не меняется. Иными словами, является ли система осесимметричной или нет, не зависит от нашего выбора базисных векторов. Наш выбор не влияет на вращательную симметрию физической системы.
Тогда я не понимаю, почему вы придерживаетесь пассивной точки зрения. Утверждения о симметрии физических систем обычно формулируются на активном языке: вращательно-симметричная система является симметричной, если вращение всех переменных не меняет действие , и, в частности, повернутые решения уравнения движения по-прежнему будут решениями уравнения движения. . Это также квантовое определение динамической симметрии (коммутатор оператора симметрии, действующего на состояния с гамильтонианом, и, следовательно, временная эволюция равна нулю).

Ответы (2)

Мы должны различать две вещи:

  • Преобразование глобальной симметрии (например, глобальное вращение) явно не имеет наблюдаемого физического эффекта. Если мы вращаем всю Вселенную, мы не изменим ничего наблюдаемого.

  • Напротив, существование глобальной симметрии (я имею в виду математическое существование в модели) обычно имеет наблюдаемые последствия. Это потому, что глобальные симметрии имеют тенденцию к расщеплению , как это определено Харлоу и Оогури . Расщепляемая глобальная симметрия — это симметрия, которая позволяет нам преобразовывать часть системы, не преобразовывая ее целиком. Это хорошо заметно.

Рассматриваемые пространственно-временные симметрии расщепляемы, и поэтому нас волнует их представление в квантовой механике.

Вот еще одна точка зрения: большинство моделей, которые мы рассматриваем в квантовой механике, являются моделями только одной части более полной физической системы. В такой модели глобальное преобразование симметрии не обязательно представляет собой глобальное преобразование скрытого физического контекста, в котором модель предназначена для применения.

Можем ли мы исключить из формализма ненаблюдаемые глобальные преобразования? С помощью расщепляемой симметрии мы можем преобразовать сколь угодно большую часть системы, и это можно наблюдать, поэтому запрет на преобразование всей системы кажется сложной задачей для математического обеспечения. Я не знаю, как это сделать, и я не уверен, для какой цели это послужит.

Имейте в виду, что даже локальные калибровочные симметрии — это повсеместная черта нашей современной формулировки физики, хотя все признают, что это просто избыточность. Мы не исключаем их из формализма, мы просто признаем избыточность.

Спасибо! Никогда раньше не слышал о расщепляемых симметриях, поэтому этот ответ действительно полезен для дальнейшего изучения!

Ваш вопрос основан на ложной предпосылке. Пространственно-временные симметрии не являются избыточностью. Взять мою чашку чая и переместить ее через комнату — это подлинное преобразование, а не какое-то калибровочное преобразование, и утверждение, что законы физики неизменны при таких преобразованиях, — это подлинное утверждение о Вселенной.

Можно представить Вселенную, в которой существует особое направление в пространстве, вдоль которого все объекты естественным образом ускоряются быстрее, чем в любом другом направлении, или особая точка (в пустом пространстве), к которой все объекты естественным образом испытывают силу. Утверждение, что вселенная, в которой мы живем, не имеет каких-либо особых направлений или точек в пространстве, является реальным физическим утверждением, которое может оказаться верным, а может и не оказаться верным.

Если бы мы действительно жили во Вселенной с, например, особым направлением ускорения, то вращение всей материи во Вселенной оказало бы ощутимое влияние на ее поведение. Орбиты звезд и планет после вращения были бы иными, и форма физических законов, управляющих их поведением, должна была бы измениться.

Я придерживаюсь точки зрения пассивных преобразований: например, в специальной теории относительности вращение действует на основе касательного пространства к пространству-времени. Тогда соответственно изменяются компоненты тензора в нашем описании, но сам тензор (геометрический объект) не меняется.

Активный и пассивный — не эквивалентные точки зрения, которые вы можете принять на досуге. Активное преобразование относится к подлинному физическому преобразованию рассматриваемой физической материи или полей, а пассивное преобразование относится к изменению координат.

Выполнение преобразования симметрии пространства-времени, такого как вращение системы, является активным преобразованием. Возвращаясь к приведенному выше примеру, можно представить, что Вселенная анизотропна и что объекты быстрее ускоряются в направлении, нормальном к плоскости Млечного Пути. Тогда вращение всей галактики явно изменит ее поведение. Это больше, чем просто смена координат.

Иными словами, законы физики по своей сути инвариантны относительно пассивных преобразований, потому что мы определяем это так. В Physics 101 мы часто меняем координаты, чтобы описать движение по наклонной плоскости. Мы меняем координаты одним способом, а базисные векторы — другим, так что законы физики остаются неизменными. Это пассивное преобразование.

С другой стороны, мы действительно могли взять в руки наш экспериментальный аппарат и вращать его. Координаты наших объектов изменятся, но базисные векторы не изменятся . Это активное преобразование (которое, впрочем, не оставляет неизменным поведение системы, так как эта модель не обладает вращательной инвариантностью).

Спасибо за этот ответ! Я полностью согласен с его содержанием, но я чувствую, что пример предпочтительного направления, нормального к плоскости Млечного Пути, упускает суть: вращение Млечного Пути без вращения предпочтительного направления не является пространственно-временной симметрией (не элементом группы Пуанкаре). ), потому что мы поворачиваем некоторые векторы (например, нормаль), но не тот, который характеризует предпочтительное направление. Поэтому неудивительно, что это имеет наблюдаемые последствия.
С другой стороны, преобразование Пуанкаре влияет на всю систему, включая предпочтительное направление, и, следовательно, не имеет наблюдаемых последствий. В этом смысле я утверждаю, что преобразования Пуанкаре (или преобразования Галилея в нерелятивистской физике), активные или пассивные, просто отражают выбор нашей точки зрения.
@ Figaro весь смысл различия между активным преобразованием и пассивным преобразованием заключается в том, чтобы провести различие между двумя случаями, которые вы проиллюстрировали здесь.
@Quantumwhisp не уверен, что понимает, почему должно быть различие. Со ссылкой на Ballentine: Quantum Mechanics (1998), p. 68: «Только что описанное преобразование относится к активной точке зрения, при которой объект (в данном случае функция) преобразуется относительно фиксированной системы координат. Существует также пассивная точка зрения, при которой неподвижный объект переописаны относительно преобразованной системы координат. Две точки зрения эквивалентны, и выбор между ними — дело вкуса».
@Figaro Точки зрения эквивалентны только в том случае, если они одинаково влияют на координаты частицы. Это не означает, что пассивные и активные преобразования эквивалентны. Учтите, что согласно вашему определению каждая система инвариантна относительно преобразований Пуанкаре, поэтому вся концепция теряет смысл.
@ J.Murray J.Murray Ну, даже если каждая система инвариантна относительно преобразований Пуанкаре, они все равно полезны в практических расчетах, связанных с выбором координат и оснований. Но я понимаю вашу точку зрения. Хиральная аномалия сделала это более явным в принятом ответе с точки зрения расщепляемых симметрий. Спасибо!
@Фигаро Нет проблем. Также стоит отметить, что теорема Нётер является примером оперативного использования активных ( не пассивных) преобразований; каждая система демонстрирует пассивную трансляционную инвариантность (реализуемую переопределением координат), но только системы, демонстрирующие активную трансляционную инвариантность, имеют сохранение импульса. Пример, выраженный бескоординатным языком (для которого вопрос о пассивных преобразованиях становится спорным), смотрите в моем ответе здесь .