Feynman 物理学讲义 - Vol.III 札记 12

本文最后更新于 2024年12月10日 晚上

2024-12-09

上节课讲过,SO(3) 的幺正正交表示可以用角动量jj分类,j=0,1/2,1,j=0,1/2,1,\cdots表示的维数是2j+12j+1. 不证明唯一性和存在性,这是数学家的工作.

D(j)[R(γ,β,α)](2j+1)×(2j+1)D^{(j)}[R(\gamma,\beta,\alpha)]_{(2j+1)\times(2j+1)}

  1. 找到一组基础态j,m\ket{j,m},其中mm是沿zz轴角动量的分量,显然m=j,,jm=-j,\cdots,j,总共是2j+12j+1个.
  2. 将旋转写成三个 Euler 角旋转的符合,R(γ,β,α)=Rz(γ)Ry(β)Rz(α)R(\gamma,\beta,\alpha)=R_z(\gamma)R_y(\beta)R_z(\alpha).

这是我们的步骤. 现在开始来找基础态,对于第一个态,j,j=++\ket{j,j}=\ket{+\cdots+},这是最高权态. 剩下的态势是对称组合:

(+uv)=1Cu+vu(+uv×number of permutation)\prod(\ket{+}^u\ket{-}^v)=\frac{1}{C_{u+v}^u}(\ket{+}^u\ket{-}^v\times\text{number of permutation})

其中除掉的系数只是为了在之后计算方便(矩阵能自由地进出\prod),如果要使得这个态归一化的话,我们应该除以Cu+vu\sqrt{C_{u+v}^u}. 将\prod看作某一种产生这样作用的算符即可.

这里的\prod是什么?

+++\ket{+++}为例,假设变换D+=a++bD\ket{+}=a\ket{+}+b\ket{-},那么可以记D+++D\ket{+++}

D+++=D+++=3(a++b)=a3++++3a2b+++3ab2++b3\begin{aligned} D\ket{+++}&=D\prod\ket{+++}\\\\ &=\bigotimes_3(a\ket{+}+b\ket{-})\\\\ &=a^3\ket{+++}+3a^2b\ket{++-}+3ab^2\ket{+--}+b^3\ket{---} \end{aligned}

使用\prod这个符号让张量积变得像二项式展开一样,这是因为我们的出发点就是全对称的态,所以中间得到的所有项都会是全对称的(它们的张量积可以交换,本来不等价的++\ket{+-+}++\ket{++-}之类的东西自动合起来了).

全对称是封闭的.

对于j,m\ket{j,m}态,u=j+mu=j+mv=jmv=j-m,如果带上正确的归一化因子,那么所谓的正确基础态是

j,m=C2jj+m(+uv)\ket{j,m}=\sqrt{C_{2j}^{j+m}}\prod(\ket{+}^u\ket{-}^v)

现在将Rz(j)(ϕ)R_z^{(j)}(\phi)作用到某一个基础态上,会得到

Rz(j)(ϕ)j,m=C2jj+m{[Rz(1/2)(ϕ)+]j+m[Rz(1/2)(ϕ)]jm}=C2jj+m{(eiϕ/2+)j+m(eiϕ/2+)jm}=C2jj+m(eiϕ/2)j+m(eiϕ/2)jm{(+)j+m(+)jm}=eimϕj,m\begin{aligned} R_z^{(j)}(\phi)\ket{j,m}&=\sqrt{C_{2j}^{j+m}}\prod\{[R_z^{(1/2)}(\phi)\ket{+}]^{j+m}[R_z^{(1/2)}(\phi)\ket{-}]^{j-m}\}\\\\ &=\sqrt{C_{2j}^{j+m}}\prod\{(e^{i\phi/2}\ket{+})^{j+m}(e^{-i\phi/2}\ket{+})^{j-m}\}\\\\ &=\sqrt{C_{2j}^{j+m}}(e^{i\phi/2})^{j+m}(e^{-i\phi/2})^{j-m}\prod\{(\ket{+})^{j+m}(\ket{+})^{j-m}\}\\\\ &=e^{im\phi}\ket{j,m} \end{aligned}

所以Rz(j)(ϕ)R_z^{(j)}(\phi)的矩阵元:

j,mRz(j)(ϕ)j+m=eimϕδm,m\braket{j,m'|R_z^{(j)}(\phi)|j+m}=e^{im\phi}\delta_{m,m'}

现在已经完成了一半,之后要计算绕yy轴的旋转. 还是一样进行作用,首先有

Ry(1/2)(θ)+=c+s,Ry(1/2)(θ)=c+s+R_y^{(1/2)}(\theta)\ket{+}=c\ket{+}-s\ket{-}\,,\quad R_y^{(1/2)}(\theta)\ket{-}=c\ket{-}+s\ket{+}

其中s=sinθs=\sin\thetac=cosθc=\cos\theta,简记. 和上面一样,二项式展开:

Ry(j)(θ)j,m=C2jj+m{[Ry(1/2)(θ)+]j+m[Ry(1/2)(θ)]jm}=C2jj+m{[c+s]j+m[c+s+]jm}\begin{aligned} R_y^{(j)}(\theta)\ket{j,m}&=\sqrt{C_{2j}^{j+m}}\prod\{[R_y^{(1/2)}(\theta)\ket{+}]^{j+m}[R_y^{(1/2)}(\theta)\ket{-}]^{j-m}\}\\\\ &=\sqrt{C_{2j}^{j+m}}\prod\{[c\ket{+}-s\ket{-}]^{j+m}[c\ket{-}+s\ket{+}]^{j-m}\} \end{aligned}

对上面这个式子“二项式展开”,我们会得到一大堆不能合并的项——但是这是我们想要的吗?我们想要的是被投影到j,m\bra{j,m'}上的结果. 所以我们试图进行正交归一基的分解:

=u=02jAu(+uv)=m=jjAj+mC2jj+mj,m\begin{aligned} &=\sum_{u'=0}^{2j}A_{u'}\prod(\ket{+}^{u'}\ket{-}^{v'})\\\\ &=\sum_{m'=-j}^{j}\frac{A_{j+m'}}{\sqrt{C_{2j}^{j+m'}}}\ket{j,m'} \end{aligned}

当这个东西被投影到上面讲到的左矢j,m\bra{j,m'}上时,得到的就是前面的系数,这组基正交归一.

上面的结果是定性的,我们没有具体计算Aj+mA_{j+m'}的值,现在就要来计算它——这是无聊的高中数学.

[c+s]j+m[c+s+]jm=l=0j+mk=0jm[Cj+mlcl(s)j+ml]×[Cjmkskcjmk]+l+k2jlk\begin{aligned} &[c\ket{+}-s\ket{-}]^{j+m}[c\ket{-}+s\ket{+}]^{j-m}\\\\ =&\sum_{l=0}^{j+m}\sum_{k=0}^{j-m}[C_{j+m}^lc^l(-s)^{j+m-l}]\times[C_{j-m}^ks^kc^{j-m-k}]\ket{+}^{l+k}\ket{-}^{2j-l-k} \end{aligned}

可以改写哑指标,j+m=l+kj+m'=l+k,换掉一个哑指标,只剩下另一个(不可能同时换掉两个,因为总是有两重求和,这是不可改变的事实.)

为了弄清楚求和的范围,可以想象我们是在对一个长为j+mj+m、宽为jmj-m的矩形内部的所有整数格点求和. 换哑指标等价于做一条倾角135°135\degree的斜线做边界进行这个求和,这导致最终的求和范围会是一个需要分类讨论的变量.

最后的矩阵元是

j,mRy(j)(θ)j,m=(j+m)!(jm)!(j+m)!(jm)!×k=kminkmax(1)mm+k(cosθ2)2jm+m2k(sinθ2)mm+2kk!(mm+k)!(jmk)!(j+mk)!\begin{aligned} &\braket{j,m'|R_y^{(j)}(\theta)|j,m}\\\\ =&\sqrt{(j+m')!(j-m')!(j+m)!(j-m)!}\\\\ &\times\sum_{k=k_{\min}}^{k_{\max}}\frac{(-1)^{m-m'+k}(\cos\frac{\theta}{2})^{2j-m+m'-2k}(\sin\frac{\theta}{2})^{m-m'+2k}}{k!(m-m'+k)!(j-m-k)!(j+m'-k)!} \end{aligned}

其中,kmin=max{0,mm}k_{\min}=\max\{0,m'-m\}kmax=min{jm,j+m}k_{\max}=\min\{j-m,j+m'\}.

上面的式子叫做 Wigner dd-矩阵,记作dm,mj(θ)d_{m',m}^j(\theta);如果将绕zz方向的矩阵也乘进来,得到 Euler 角的函数,称为 Wigner DD-矩阵:

Dm,mj(ϕ,θ,ψ)=eimϕdm,mj(θ)eimψD_{m',m}^j(\phi,\theta,\psi)=e^{im'\phi}d_{m',m}^j(\theta)e^{im\psi}

实际上,如果从特殊函数的角度考虑,dm,mj(θ)d_{m',m}^j(\theta)是 Jacobi 多项式Pk(a,b)(cosθ)P_k^{(a,b)}(\cos\theta);如果取m=0m'=0,会得到 Associate Legendre 多项式Pjm(cosθ)P_j^m(\cos\theta);如果再取m=0m=0也成立,就是 Legendre 函数d0,0j(θ)=Pj(cosθ)d_{0,0}^j(\theta)=P_j(\cos\theta).


简单讲一讲张量的记号问题. 实际上,张量积的语言也可以用指标的语言来描述,而且这会方便计算.

考虑a1a2j\ket{a_1}\otimes\cdots\otimes\ket{a_{2j}}ai=±a_i=\pmi=1,,2ji=1,\cdots,2j. 将这个张量记作Ψa1a2j\Psi_{a_1\cdots a_{2j}},这和我们平时研究的三维、四维空间中的张量不一样,这些地方的张量,每个指标都生活在不同的空间,但是这里的指标生活在旋量空间,只能取正和负.

Ψ(a1a2j)=(Ψa1a2j× number of permutation)\Psi_{(a_1\cdots a_{2j})}=\prod(\Psi_{a_1\cdots a_{2j}}\times\text{ number of permutation})

全对称的张量旋转之后仍然是全对称的. 为证明这件事,我们考虑一个只有两个指标的张量(取更多指标只是一种无赖的自我惩罚):

Ψa1a2=Ra1b1Ra2b2Ψb1b2=ψb1b2=ψb2b1Ra1b1Ra2b2Ψb2b1=Ra2b2Ra1b1Ψb2b1=Ψa1a2\begin{aligned} \Psi'_{a_1a_2}&=R_{a_1b_1}R_{a_2b_2}\Psi_{b_1b_2}\\\\ &\overset{\psi_{b_1b_2}=\psi_{b_2b_1}}{=}R_{a_1b_1}R_{a_2b_2}\Psi_{b_2b_1}\\\\ &=R_{a_2b_2}R_{a_1b_1}\Psi_{b_2b_1}=\Psi'_{a_1a_2} \end{aligned}

这就证明了对于任何一个全对称的旋转,都会得到一个全对称. 其中交换旋转矩阵是因为我们的等式是分量的等式(同时用了 Einstein 求和记号).

张量记号的另外的一个好处是可以进行张量的收缩.


Feynman 物理学讲义 - Vol.III 札记 12
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作者
菲兹克斯喵
发布于
2024年12月9日
更新于
2024年12月10日
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