Мотивация.
Недавно я просматривал раздел 3.10 в квантовой механике Сакураи, в котором он обсуждает тензорные операторы, и мне захотелось более математически общего/точного обсуждения. Затем я просмотрел страницу Википедии, посвященную тензорным операторам, и тоже почувствовал себя неудовлетворенным. Вот почему
В этих обсуждениях по существу определяется индексированный набор операторов быть «декартовым» тензорным оператором ранга при условии
Основываясь на этих стандартных определениях, я думаю, что можно определить что-то менее «координатно-зависимое» и распространить на представления любой группы, а не только , следующим образом.
Определение кандидата . Пусть группа быть данным. Позволять быть унитарным представлением на гильбертовом пространстве , и разреши быть представителем на конечномерном, вещественном или комплексном векторном пространстве . А -полилинейная, линейная оператор-функция называется тензорным оператором относительно пары представлений а также при условии
для всех и для всех .
Обратите внимание, что если основа за задано, и если мы определим компоненты из в этой основе по
Вопрос.
Является ли объект, который я только что определил, «правильной» формализацией/обобщением понятия тензорных операторов, используемых в физике; кажется, содержит понятие тензорного оператора, используемого в литературе по физике? Есть ли какая-нибудь литература о том виде объектов, который я здесь определяю? Я думаю, что ответ будет утвердительным, поскольку подобные вещи кажутся мне естественным обобщением, которое физик с математическим складом ума может захотеть изучить.
Определение-кандидат OP - это прямая транскрипция понятия тензорного оператора, используемого в физике (и, например, в разделе 3.10 Сакураи), в явно независимую от координат математическую конструкцию. Тензорные операторы используются, например, в теореме Вигнера-Экарта .
В этом ответе мы предлагаем следующее небольшое обобщение определения кандидата OP. Пусть даны следующие пять предметов:
Позволять быть группой.
Позволять быть комплексным гильбертовым пространством.
Позволять быть групповым представлением .
Позволять быть представителем группы.
Позволять быть линейной картой.
Определение. Давайте позвоним для - эквивариантное отображение , если
Определение-кандидат OP можно рассматривать как частный случай определения (*). Например, если является групповым представлением, то можно положить в пункте 3 — представление тензорного произведения с векторным пространством
Определение, предложенное joshphysics и уточненное Qmechanic, уже существует в литературе под тогдашним названием оператора представления . Это обсуждается, например, в « Теории групп и физике » Штернберга , а также в несколько более элементарном тексте Дживанджи «Введение в тензоры и теорию групп для физиков ».
В первой главе книги Липкина « Группы Ли для пешеходов » дается метод обобщения неприводимых тензорных операторов (и другие особенности квантово-механической алгебры углового момента).
Утверждение состоит в том, что пока можно найти конечное число операторов удовлетворяющие коммутационным соотношениям, аналогичным операторам углового момента в квантовой механике, т.е.
всегда можно найти неприводимые тензорные операторы. Тогда можно по аналогии с , выберите один (или несколько) операторов диагональными в желаемом представлении. Кроме того, можно провести аналогию с лестничными операторами .
Для углового момента ( ) неприводимые тензорные операторы задаются соотношением
куда количество компонентов и является рангом тензора. Есть значения для , который колеблется от к .
Аналогичные тензорные операторы можно построить, исходя из любой алгебры указанной выше формы. Обратите внимание, что ключевым объектом является алгебра Ли, а не группа Ли, которую можно сформулировать как группу непрерывных преобразований, заданную формулой
Это не строгий ответ, так как я сам не разработал доказательство. Могу только порекомендовать вам прочитать книгу.
Обобщение «сферических тензорных гармоник» квантовой механики на общий случай компактной группы Ли дается следующим образом: пусть быть компактной группой Ли и — замкнутая подгруппа, то гильбертово пространство функций, суммируемых с квадратом на (которые можно принять за собственные функции лапласиана Киллинга) является прямой суммой -представления, называемые «сферическими представлениями». Эти представления характеризуются наличием синглет. См., например, приложение B к книге Кампорези " ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ПРОПАГАТОРЫ НА ОДНОРОДНЫХ ПРОСТРАНСТВАХ ". Это определение обобщает (и названо в его честь) сферические гармоники квантовой механики. В таком случае , а также . Условие сферичности означает, что сферические гармоники могут быть только представлениями, содержащими синглет, поэтому должен иметь целочисленный спин.
Если вам нужна более геометрическая точка зрения, эта ссылка — хорошее начало. Это первая глава книги « Применения классической физики » Блэндфорда и Торна. Преимущество формулировки состоит в том, что законы преобразования тензоров могут быть естественным образом выведены из законов преобразования векторов. Затем, если вы хотите, чтобы ваши тензоры преобразовывались определенным образом, просто измените законы преобразования ваших векторов.
Вот очень краткое резюме (для декартовых тензоров, т. е. наши векторы живут в евклидовом пространстве): тензор определяется как функция от векторы в вещественное число, например, тензор второго ранга может быть записан как
обратите внимание, что вектор можно рассматривать как тензор ранга 1, , и, следовательно, тензор второго ранга также можно рассматривать как функцию от векторов к векторам, что, вероятно, имеет отношение к конкретному применению тензоров в Сакураи. Тензорное произведение определяется как произведение функций
Как только вы выберете основу, вы можете написать компоненты тензора
куда неявно суммируются. Отсюда можно вывести, как обычная формула для компонентов трансформироваться при вращении. В качестве примера предположим имеет ранг 2 и рассматривать его как функцию от векторов к векторам; то мы можем просмотреть как компоненты матрицы 3 на 3. Если несет вектор к , тогда должен нести к , так .
Тензорный оператор — это совокупность операторов, неприводимо преобразующихся при сопряжении элементами группы, т. е. удовлетворяющих в точности второму условию ОП. Отдельные элементы набора являются компонентами тензоров.
Неприводимость является не существенным, а дополнительным очевидным требованием при работе с группами, представления которых всегда вполне приводимы.
Это можно обобщить на любую группу — группа даже не обязательно должна быть непрерывной. Все, что вам нужно, это групповое действие над набором компонент тензорного оператора.
Я не думаю, что определение кандидата правильное, потому что обозначение подразумевает - по аналогии с математическими обозначениями тензоров - что — оператор, который преобразуется тривиально; но оно явно не трансформируется тривиально, как показывает правая часть определения-кандидата. Тем не менее существует тензор, который тривиально преобразуется относительно группы G. Для простоты рассмотрим случай и, кроме того, предположим, что тензорные операторы являются эрмитовыми. До сих пор индексы эрмитовых операторов были подавлены в вопросе и ответе; подставляя индексы, мы имеем дело с обычными тензорами,
Еще одна небольшая оговорка заключается в том, что групповые матрицы не обязательно унитарны; если индексы — лоренцевские спинорные индексы, групповые матрицы — определяющий представитель SL(2,C); они унитарны только в том случае, если преобразование Лоренца представляет собой пространственное вращение.
Тримок
джошфизика
Петр Кравчук
Тримок
джошфизика