2024-12-09
上节课讲过,SO(3) 的幺正正交表示可以用角动量j分类,j=0,1/2,1,⋯表示的维数是2j+1. 不证明唯一性和存在性,这是数学家的工作.
找D(j)[R(γ,β,α)](2j+1)×(2j+1):
- 找到一组基础态∣j,m⟩,其中m是沿z轴角动量的分量,显然m=−j,⋯,j,总共是2j+1个.
- 将旋转写成三个 Euler 角旋转的符合,R(γ,β,α)=Rz(γ)Ry(β)Rz(α).
这是我们的步骤. 现在开始来找基础态,对于第一个态,∣j,j⟩=∣+⋯+⟩,这是最高权态. 剩下的态势是对称组合:
∏(∣+⟩u∣−⟩v)=Cu+vu1(∣+⟩u∣−⟩v×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∏),如果要使得这个态归一化的话,我们应该除以Cu+vu. 将∏看作某一种产生这样作用的算符即可.
这里的∏是什么?
以∣+++⟩为例,假设变换D∣+⟩=a∣+⟩+b∣−⟩,那么可以记D∣+++⟩为
D∣+++⟩=D∏∣+++⟩=3⨂(a∣+⟩+b∣−⟩)=a3∣+++⟩+3a2b∣++−⟩+3ab2∣+−−⟩+b3∣−−−⟩
使用∏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∣+−+⟩和∣++−⟩之类的东西自动合起来了).
全对称是封闭的.
对于∣j,m⟩态,u=j+m,v=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∏(∣+⟩u∣−⟩v)
现在将Rz(j)(ϕ)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)∣−⟩]j−m}=C2jj+m∏{(eiϕ/2∣+⟩)j+m(e−iϕ/2∣+⟩)j−m}=C2jj+m(eiϕ/2)j+m(e−iϕ/2)j−m∏{(∣+⟩)j+m(∣+⟩)j−m}=eimϕ∣j,m⟩
所以Rz(j)(ϕ)的矩阵元:
⟨j,m′∣Rz(j)(ϕ)∣j+m⟩=eimϕδm,m′
现在已经完成了一半,之后要计算绕y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∣+⟩
其中s=sinθ,c=cosθ,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)∣−⟩]j−m}=C2jj+m∏{[c∣+⟩−s∣−⟩]j+m[c∣−⟩+s∣+⟩]j−m}
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′∣上的结果. 所以我们试图进行正交归一基的分解:
=u′=0∑2jAu′∏(∣+⟩u′∣−⟩v′)=m′=−j∑jC2jj+m′Aj+m′∣j,m′⟩
当这个东西被投影到上面讲到的左矢⟨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+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∣+⟩]j−ml=0∑j+mk=0∑j−m[Cj+mlcl(−s)j+m−l]×[Cj−mkskcj−m−k]∣+⟩l+k∣−⟩2j−l−k
可以改写哑指标,j+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+m、宽为j−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°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,m′∣Ry(j)(θ)∣j,m⟩(j+m′)!(j−m′)!(j+m)!(j−m)!×k=kmin∑kmaxk!(m−m′+k)!(j−m−k)!(j+m′−k)!(−1)m−m′+k(cos2θ)2j−m+m′−2k(sin2θ)m−m′+2k
其中,kmin=max{0,m′−m},kmax=min{j−m,j+m′}.
上面的式子叫做 Wigner d-矩阵,记作dm′,mj(θ);如果将绕z方向的矩阵也乘进来,得到 Euler 角的函数,称为 Wigner D-矩阵:
Dm′,mj(ϕ,θ,ψ)=eim′ϕdm′,mj(θ)eimψ
实际上,如果从特殊函数的角度考虑,dm′,mj(θ)是 Jacobi 多项式Pk(a,b)(cosθ);如果取m′=0,会得到 Associate Legendre 多项式Pjm(cosθ);如果再取m=0也成立,就是 Legendre 函数d0,0j(θ)=Pj(cosθ).
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∣a1⟩⊗⋯⊗∣a2j⟩,ai=±,i=1,⋯,2j. 将这个张量记作Ψa1⋯a2j,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(a1⋯a2j)=∏(Ψa1⋯a2j× 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′
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.