系列文章:Srednicki QFT 共 97 篇
上一节已使同一个规范场同任意物质多重态耦合。不同多重态所含的分量数可以不同,生成元也可以是不同大小的矩阵,但它们必须满足同一组对易关系。计算散射振幅时,这些矩阵沿物质线相乘;闭合物质线又使矩阵乘积成为迹。因此,除了知道群的名称,我们还需要知道所用表示怎样分解,以及各种生成元乘积给出什么群因子。
这里的表示空间取有限维复空间,生成元取厄米矩阵。先讨论半单规范代数,在需要单一迹指标的地方取一个简单因子;对于非简单的SO(4),将直接用标准生成元计算总迹。时空约定仍沿上一节,本节的主要运算则全在内部表示空间中进行。
表示及其复共轭
记表示为R,其维数为D(R)。在固定的李代数基下,它们满足
[TRa,TRb]UR(θ)=ifabcTRc,=exp(−iθaTRa),(TRa)†a=TRa,=1,…,D(A).(70.1)
A将表示伴随表示,其维数就是生成元的数目。这里的相位参数已包含耦合:同上一节比较,θ70a=gθ69a。改变表示时保持fabc不变,不能独立把某一表示的全部生成元再乘任意常数。群原来由哪些矩阵定义,那组矩阵就称为基本表示或定义表示;例如SU(N)的定义空间为N维。
半单李代数的生成元无迹。为证明这一点,先说明简单性的含义:一个线性子空间若与代数中任意元素取交换子后仍留在该子空间,就称为理想;没有非零真理想的非阿贝尔代数称为简单代数。对简单代数,无迹性可以从对易关系得到:由[Z,[X,Y]]=[[Z,X],Y]+[X,[Z,Y]],所有交换子的线性包络是非零理想,简单性使它等于整个代数,因而每个生成元都是交换子的线性组合。矩阵交换子的迹为零,故TrTRa=0。半单代数逐个简单因子应用这个论证。若规范群另含U(1),相应电荷矩阵一般有非零迹,后面用到无迹性的计算便须保留其附加项。
现在对对易关系取复共轭。由于fabc为实,右端的i变号,因此共轭表示定义为
TRˉa[TRˉa,TRˉb]URˉ(θ):=−(TRa)∗,=[TRa,TRb]∗=−ifabc(TRc)∗=ifabcTRˉc,=UR(θ)∗.(70.2)
负号使共轭后的矩阵仍满足原来的李代数。若能选一组基,使全部TRa都是纯虚矩阵,那么TRˉa=TRa,群矩阵UR便是实矩阵,称为实表示。若R与Rˉ酉等价,却不存在这样的实基,则称为伪实表示;若两者不等价,则称为复表示。判定时必须使用同一个基变换处理全部生成元。
一个很方便的排除法来自谱。若R≃Rˉ,任意实线性组合H=haTRa必须同−H∗酉等价。H厄米,其本征值为实,因此这些本征值必须在变号后保持同样的重数。对SU(N≥3)的基本表示,取
H=diag(1,1,−2,0,…,0),spec(−H)={−1,−1,2,0,…,0}.(70.3)
两套谱不同,故基本表示为复表示。这里不要求H本身是归一化基中的某一个生成元,只须它是厄米无迹矩阵。谱不配对足以排除自共轭;谱配对本身尚未构造出一组共同的交织矩阵。
SU(2)的情况不同。取Ta=σa/2及V=σ2,泡利矩阵给出
V−1σ1V−(Ta)∗=−σ1,=V−1TaV,V−1σ2VVV∗=σ2,=−12.V−1σ3V=−σ3,(70.4)
第一行正好对应σ1,σ3为实、σ2为纯虚的性质,证明双重态同其共轭等价。还要证明它不能换成实基,才能断定它是伪实表示。下面的论证也解释了实与伪实的区别。
暂取不可约表示,即不存在被全部生成元保持的非零真子空间。若−(Ta)∗=V−1TaV,其中V酉,令K表示逐分量复共轭,定义反线性算符J=VK。关系TaV=−V(Ta)∗连同i在复共轭下变号,保证JUR=URJ。因此J2是同全部生成元对易的线性算符。由第33节已证明的舒尔引理,它在不可约空间为标量:
J2JJ2c=VV∗=c1,=c∗J,=±1,∣c∣J2JVT=1,=cJ,=cV.(70.5)
第二行的两边都是J3,所以c=c∗。最后的转置关系由VV∗=c1右乘VT得到。若换用另一酉交织矩阵,对应反线性算符之比与群作用对易,仍只能是相位,不能改变J2的符号。
当c=+1时,任意向量可以写成
v=2v+Jv+i2iv−Jv.(70.6)
右边两个分式都被J固定。固定向量之间的内积为实,可以用实系数的格拉姆—施密特过程选出正交基。在这组基中J就是普通共轭,同它对易的群矩阵为实,生成元则为纯虚反对称矩阵。当c=−1时,上述实基不可能存在;同时V非退化且反对称,detV=detVT=(−1)D(R)detV便要求维数为偶数。式(70.4)的c=−1遂证明SU(2)双重态伪实。SO(N)的向量表示从开始就可以使用纯虚反对称生成元,因而为实表示。对于可约表示,这一分类应逐个不可约块使用,不能只凭某个交织矩阵不等于单位矩阵就断言整个表示伪实。
由结构常数构造伴随表示
把结构常数排成矩阵,定义
(TAa)bc:=−ifabc,(TAa)†=TAa,−(TAa)∗=TAa.(70.7)
第69节已由循环迹证明f实且完全反对称,所以这些矩阵厄米,并给出实表示。还须检验它们是否满足同一李代数,这正是雅可比恒等式的作用。对任意三个矩阵X,Y,Z,分别展开
[[X,Y],Z][[Y,Z],X][[Z,X],Y]=XYZ−YXZ−ZXY+ZYX,=YZX−ZYX−XYZ+XZY,=ZXY−XZY−YZX+YXZ.(70.8)
相加时每一种有序乘积恰好出现一次正项和一次负项,故总和为零。再取X=Ta,Y=Tb,Z=Tc,两次使用李括号产生i2=−1。右乘Te并取定义表示的迹,得到
0=Tr([[Ta,Tb],Tc]Te)+Tr([[Tb,Tc],Ta]Te)+Tr([[Tc,Ta],Tb]Te)=−κ(fabdfdce+fbcdfdae+fcadfdbe),Tr(TdTe)=κδde.(70.9)
除去非零的κ,便得到结构常数的雅可比恒等式。对SU(N)基本表示,κ=1/2。这个证明只用到迹形式非退化,不依赖1/2这个特定数值。对SO(N)基本表示取κ=2时,同样可用。
为了核对伴随矩阵的指标,把雅可比中的顺序取为a,c,b,再利用f反对称,便有
−fabdfcde+fcbdfade(−ifabd)(−ifcde)−(−ifcbd)(−ifade)(TAa)bd(TAc)de−(TAc)bd(TAa)de=facdfdbe,=ifacd(−ifdbe),=ifacd(TAd)be.(70.10)
第二行的左边用了(−i)2=−1,右边用了i(−i)=1;第三行的求和指标d恰好连接前一矩阵的列与后一矩阵的行。因此[TAa,TAc]=ifacdTAd。规范场的内部标签本身可以按这个表示变换,因而伴随表示会反复出现。
迹指标与二次卡西米尔量
两个生成元的迹把表示的信息压缩成一个简单群因子。先令qRab=TrR(TRaTRb)。厄米性和循环迹使它为实对称矩阵;在交换子中插入生成元,再作迹循环,有
0=TrR[TRc,TRaTRb]=ifcadqRdb+ifcbdqRad.(70.11)
这说明qR在伴随变换下不变。在已经选定的正交生成元基中,它与全部伴随矩阵对易,因此它的本征子空间都是李代数的理想。对简单代数只可能有一个本征值,于是定义迹指标T(R):
TrR(TRaTRb)=T(R)δab.(70.12)
非平凡表示的T(R)>0,因为至少有一个非零厄米生成元,其平方迹严格为正。各表示的T(R)通常不同,不能再一律取为基本表示的数值。对于几个简单因子的直积,式(70.11)只要求每个因子内部各有一个系数,须分别命名这些指标。
上一节已证明二次组合CR=∑aTRaTRa与全部生成元对易:收缩中的矩阵反对易子关于a,c对称,fabc则反对称。现在进一步假定R不可约。CR厄米,它的每个本征空间又因对易性而被所有生成元保持,所以只容许一个本征值。定义二次卡西米尔量C(R),并取迹,得到
CRTrRCRTrRCRT(R)D(A)=C(R)1D(R),=a∑T(R)δaa=T(R)D(A),=C(R)TrR1=C(R)D(R),=C(R)D(R).(70.13)
这个关系说明两个维数各在数什么:D(A)数生成元,D(R)数表示分量。若去掉不可约条件,对易性并不足以使算符成为数倍单位矩阵。例如SU(2)的R=1⊕2:
C1⊕2=diag(0,3/4,3/4),T(1⊕2)=21.(70.14)
它与每个生成元对易,却不是数倍单位矩阵。对一般直和应在每个不可约块分别使用C(Rα),总迹为T(R)D(A)=∑αC(Rα)D(Rα)。若各块恰有相同本征值,当然仍可用一个共同的C。
下面将用直积分解计算两族常用的群因子:在SU(N)基本归一T(N)=1/2下求出T(A)=N,在SO(N)基本归一T(N)=2下求出T(A)=2N−4。两族的基本归一始终分别保留。
直和与直积
前面已用到不可约性。现在看可约表示为什么能够同时分块。设W是全部生成元的共同不变子空间,对v∈W⊥,w∈W,厄米性给⟨w,TRav⟩=⟨TRaw,v⟩=0,所以W⊥也不变。选取这两个子空间的正交基,就把所有生成元同时写成两个对角块。递归使用这一过程,有限维表示便分解成不可约直和。对两块的情形,
TR1⊕R2aD(R1⊕R2)T(R1⊕R2)=(TR1a00TR2a),=D(R1)+D(R2),=T(R1)+T(R2).(70.15)
最后一式来自乘积仍按相同两块分开、迹按块相加。两块可以具有不同维数和表示类型。
两个分别按R1,R2变换的量相乘时,两个指标都要变换,空间便是直积R1⊗R2。用i,j标记第一个空间、I,J标记第二个空间,从有限变换展开一次项:
U1⊗U2(TR1⊗R2a)iI,jJD(R1⊗R2)=1−iθa(T1a⊗12+11⊗T2a)+O(θ2),=(T1a)ijδIJ+δij(T2a)IJ,=D1D2,Dr:=D(Rr).(70.16)
作用于不同因子的两个矩阵对易,所以两次乘积的交叉交换子为零,余下[T1a,T1b]⊗1+1⊗[T2a,T2b]=ifabcTR1⊗R2c,仍是同一个李代数。
取两个直积生成元的乘积,并利用Tr12(X⊗Y)=Tr1XTr2Y,四项分别给
Tr12(TaTb)=T(R1⊗R2)=D2Tr1(T1aT1b)+D1Tr2(T2aT2b)+Tr1T1aTr2T2b+Tr1T1bTr2T2a,T(R1)D(R2)+D(R1)T(R2).(70.17)
第二行的两个单生成元迹由无迹性消失,因而得到最后一行的乘积指标公式。这也指出含阿贝尔电荷时需要修改的位置。
上下指标与不变张量
为了识别直积中的不变子空间,引入上下内部指标。约定φi属于R,厄米共轭写成φ†i;生成元的行指标在下、列指标在上。它们的变换为
φi′(TRˉa)ijφ†i′=(δij−iθa(TRa)ij)φj+O(θ2),=−(TRa)ji,=φ†i−iθa(TRˉa)ijφ†j+O(θ2)=φ†i+iθa(TRa)jiφ†j+O(θ2).(70.18)
第二行用厄米性把复共轭改写成转置。有限变换下φ†φ成为φ†UR†URφ,故保持不变。若逐项使用上式,两项相位贡献也相消;只须重命名求和指标,不交换场的次序,因此费米场也没有额外的交换号。
把δij本身看作一个双指标对象,每个指标都按所属表示变换,便有
δij⟼(UR)ik(URˉ)jlδkl=(UR)ikδkl(UR−1)lj=δij.(70.19)
这称为不变张量。单位矩阵在共轭变换下保持不变,因此它把R与Rˉ的一对指标收缩成标量。
一个按R⊗Rˉ变换的量可以排成矩阵Mij,其变换为M↦URMUR−1,也就是表示空间上的线性映射空间End(VR)。其中单位矩阵张成的一维子空间不变,群在它上面始终取数值1,生成元取零。这就是单态,所以
R⊗Rˉ=1⊕⋯,T1a=0.(70.20)
对不可约R,舒尔引理进一步说明所有同群作用对易的矩阵都与单位矩阵成正比,所以这里的单态只有一份。对可约R可能有更多不变矩阵,省略项就可能含更多单态。
生成元本身也给出不变张量,但它有三个指标:(TRb)ij的i,j分别属于R,Rˉ,b属于伴随表示。同时变换这三个指标,一次变化为
δ(TRb)ij=−iθa[(TRa)ik(TRb)kj+(TRˉa)jl(TRb)il+(TAa)bc(TRc)ij].(70.21)
把共轭的负转置和伴随的−if代入,括号成为
(TRaTRb)ij−(TRbTRa)ij−ifabc(TRc)ij=0.(70.22)
因此,非零生成元组成的不变向量使R⊗Rˉ⊗A含有单态。这里把b也一起变换了;固定某一个TRb只受物质空间共轭作用时,它仍会同其余生成元混合。
进一步要判断R⊗Rˉ是否含有伴随表示,必须构造出相应的不变子空间。直接在End(VR)中使用生成元的张成空间便能做到。令
ι:gCX=Xataδ(XbTRb)δXa⟶End(VR),⟼XaTRa,=−iθc[TRc,XbTRb]=θcfcbaXbTRa,=−iθc(TAc)abXb.(70.23)
这里ta为复化代数的一组基,取[ta,tb]=ifabctc;它对应紧实形式中−ita的实基。第二、三行用fcba=−fcab,说明ι把伴随变换映成矩阵共轭变换。其核是理想:若ι(X)=0,则ι([Y,X])=[ι(Y),ι(X)]=0。对简单代数的非平凡表示,核既不能是全代数,只能为零。实基上的单射复线性延拓后仍单射,因为厄米矩阵的复线性关系可分成实部与虚部的两组实线性关系。
这样找到的D(A)维子空间确实与伴随表示等价。它由无迹矩阵组成,与单位矩阵正交;再利用完全可约性取它们的不变正交补,便得到
R⊗Rˉ=1⊕A⊕⋯(简单代数,非平凡 R).(70.24)
平凡表示R=1显然不满足这个结论。若有几个简单因子,只能保证包含在R中作用非零的那些伴随因子。非平凡性和简单因子的限制保证了上述嵌入为单射。
SU(N)的分解与群因子
对SU(N)的基本表示,刚才的分解尤其简单。N×N矩阵空间有N2维,而单位矩阵与N2−1个无迹生成元已经构成一组完整基。由Tr(TaTb)=δab/2投影任意复矩阵M,得到
M=NTrM1+2a∑TaTr(TaM),N⊗Nˉ=1⊕A.(70.25)
系数1/N使第一项的迹等于TrM,系数2则补偿基本迹的1/2。第一个投影为单态,第二个投影为伴随,二者已经耗尽维数,因而分解中没有其余项。
比较Mlk在两边的系数,还得到一个有用的补充恒等式:
a∑(Ta)ij(Ta)kl=21(δilδkj−N1δijδkl).(70.26)
它就是同一投影的分量写法,常用来计算内部指标收缩。令k=j并求和,第一项给Nδil,第二项给δil/N,于是∑aTaTa=(N2−1)1/(2N)。它同式(70.13)给出的基本卡西米尔一致。
现在可以求伴随表示的迹指标。负复共轭不改变二次迹,故T(Nˉ)=T(N)=1/2。对式(70.25)分别应用直积及直和迹公式,得
T(N⊗Nˉ)T(1⊕A)T(A)=NT(N)+NT(Nˉ)=N,=T(1)+T(A)=T(A),=C(A)=N,C(N)=2NN2−1.(70.27)
伴随的C(A)=T(A)来自两侧表示维数同为D(A)。另一条路线是限制到只作用于前两个分量的SU(2)子群。先用−iϵabc直接算三重态的迹为2δab,三重态的迹具体为∑c,d(−iϵacd)(−iϵbdc)=∑c,dϵacdϵbcd=2δab:a=b时有两种非零排列,a=b时没有共同的非零指标对。再取m=N−2,在已知N⊗Nˉ=1⊕A中展开(2⊕m1)⊗(2⊕m1),得到
ASU(2)=3⊕2m2⊕m21,T(A)=2+2m⋅21=N.(70.28)
这里用到的2⊗2=1⊕3在下面用双指标张量写出;也可直接沿第33节的角动量合成取两个自旋1/2。其中两个交叉积各给m个二重态,2⊗2ˉ给一个三重态与一个单态;扣除原SU(N)的迹单态后,剩下m2个子群单态。维数核对为3+4m+m2=N2−1。子群生成元在基本空间中保持原来的归一,按其各不变块求迹就能读出同一群指标。
实表示的平方与SO(N)
当R同其共轭等价时,可把R⊗Rˉ改写成R⊗R。对于实表示,先选出纯虚厄米基,便有TT=−T。双下指标的δij在两个相同表示作用下变为
δij′=δij−iθa((TRa)ij+(TRa)ji)+O(θ2)=δij+O(θ2).(70.29)
有限变换就是UδUT=δ,所以这是一条精确的不变关系。其单态落在对称平方中。若改用一般酉基,不变张量也要随基变换,不一定仍具有数值δij的外形。
对SO(N)向量的平方,任意矩阵Xij可以明确分成
(P1X)ij(PAX)ij(PSX)ijX=NδijXkk,=21(Xij−Xji),=21(Xij+Xji)−NδijXkk,=P1X+PAX+PSX.(70.30)
指标互换与取迹都同正交变换相容,因此每一部分各自变换。直接再施一次投影可知Pr2=Pr;在不同部分之间投影为零。反对称矩阵按X↦OXOT=OXO−1变换,与正交代数的伴随作用相同。对称部分减去一个迹后满足Xij=Xji及Xii=0,将这一表示记作S,便有
N⊗ND(A)=1S⊕AA⊕SS,=2N(N−1),D(S)=2N(N+1)−1.(70.31)
下标S,A说明交换两个向量指标时的对称性,不是另一个群标签。维数分别来自上三角或含对角的上三角元素计数,三部分之和仍为N2。这先给出三个自然不变子空间;低秩群中还要留意进一步分解,例如在四维内部欧氏空间,定义(∗X)ij=ϵijklXkl/2,双重对偶满足∗2X=X。于是X±=(X±∗X)/2分别满足∗X±=±X±,各由三个分量确定;对偶又与SO(4)作用相容。这就将六维伴随分成两块三维不变表示。
这里使用的正交生成元可具体取成Trs=−i(Ers−Esr)、r<s,其中Ers只有第r行第s列为1。利用ErsEtu=δstEru,相同生成元的平方迹为2,不同生成元的内积为零,故基本指标为2。要算伴随指标,限制到前三个分量的SO(3),写m=N−3,则N变成3⊕m1。反对称平方分成三个来源:前三指标之间的Λ23≃3,前三区与每个其余分量组成的m个三重态,以及其余指标之间的m(m−1)/2个单态。因此
ASO(3)TSO(N)(A)=(m+1)3⊕2m(m−1)1,=2(m+1)=2N−4,N≥3.(70.32)
三维ϵijk将反对称二阶张量映为向量,而SO(3)向量生成元为−iϵabc,所以每个三重态贡献指标2。这个分支的维数为3(m+1)+m(m−1)/2=N(N−1)/2。还可直接在反对称平方中计算全迹。令P(v⊗w)=w⊗v、P−=(1−P)/2,则
TrN⊗N[P(X⊗Y)]TaTrA(TaTb)=ij∑XjiYij=TrN(XY),=Ta⊗1+1⊗Ta,=21[2NTr(TaTb)−4Tr(TaTb)]=(N−2)TrN(TaTb)=2(N−2)δab.(70.53)
不含交换算符的迹中,两项交叉项由生成元无迹而消失;含交换算符时,四项都成为同一个二次迹。P−与Ta对易,投影后的迹就是反对称子空间的总迹。这一计算也适用于SO(4)的完整伴随空间。
这些数值都随最初生成元的尺度而定。如果全体表示统一改成T′a=sTa,对易关系给f′=sf,而二次迹及卡西米尔给T′(R)=s2T(R)、C′(R)=s2C(R)。例如把这里的SO生成元缩小一半,基本指标才变成1/2,伴随指标同时变成(N−2)/2;计算规范作用时还要相应保持gAaTa。只有把这些变化同时实施,才是在比较两种归一下的同一计算。
伪实表示与反对称单态
实表示的单态由对称双线性型给出。伪实表示也同其共轭等价,但相应不变张量为反对称型。这个区别可从前面的V直接看出。关系TaV=−V(Ta)T使
URVURT=V,VT=cV,c=±1.(70.33)
因而V本身是R⊗R中的不变向量。对不可约表示,若还有一个线性独立的非零交织矩阵W,WV−1就会同全部生成元对易,与舒尔引理矛盾;所以不变双线性型只有一个方向。实型的c=+1把单态放进对称平方,伪实型的c=−1把它放进反对称平方。不变双线性型的唯一性因而需要不可约条件。
基本表示还有一个直接可写的不变张量。令ϵi1⋯iN为完全反对称符号,它在N个SU(N)矩阵作用下变为
Ui1j1⋯UiNjNϵj1⋯jN=(detU)ϵi1⋯iN=ϵi1⋯iN.(70.34)
第一步可由行列式的定义看出:左边对i1,…,iN反对称,而完全反对称的N阶张量只有一个独立分量;取这组指标为1,…,N时,其比例系数正是行列式。第二步才用detU=1。反基本表示同样有上指标的完全反对称不变量,因为detU∗=1。
对SU(2),取内部符号ϵ12=ϵ21=1、ϵ21=ϵ12=−1。这些分量号与第34节的书写形式相同,但内部指标与旋量指标属于各自独立的空间。矩阵形式为
E=(ϵij)=(01−10),E−1=(ϵij)=(0−110),ϵikϵkj=δji.(70.35)
UEUT=E说明反对称平方是一维单态。剩下的对称平方由e1e1、(e1e2+e2e1)/2、e2e2张成。把Ta⊗1+1⊗Ta作用于这三个基向量,得到
Tsym3=diag(1,0,−1),Tsym+=2000100010,2⊗2=1A⊕3S.(70.36)
这里T+=T1+iT2,降算符是它的厄米共轭。三个权重为1,0,−1,并由升降算符连通,所以对称部分正是自旋1的三重态,也就是伴随表示。这就是式(70.28)所用的具体分解。
同一个ϵ还可把下指标改写成上指标。由UEUT=E得E−1U=U−TE−1=U∗E−1,所以
φi:=ϵijφj,φi′=(U∗)ijφj.(70.37)
这个升指标关系说明,同一组场分量经固定的线性变换,改按共轭表示书写。它与φ†i=(φi)†是两种操作;伪实性使两种表示等价,并不把复共轭变成线性运算。
三重迹与异常系数
二重迹给出不变的δab,三重迹则把结构常数和另一种完全对称张量带入计算。先将李括号与另一个生成元相乘后取迹:
−iTrR(TRa[TRb,TRc])=−iifbcdTrR(TRaTRd)=T(R)fbca=T(R)fabc.(70.38)
迹中的共轭矩阵首尾相消,因此它给出三个伴随指标的不变张量。选择T(R)=0的表示便得到fabc的不变性。也可在式(70.21)中取R=A,用TA=−if直接得到同一结论;它对应雅可比恒等式的张量形式。
把交换子换成反对易子,定义
BRabc:=21TrR(TRa{TRb,TRc})=21[TrR(TRaTRbTRc)+TrR(TRaTRcTRb)].(70.39)
b,c交换不变,循环迹又使a,b交换后仍为同样两项,所以BR完全对称。对其取复共轭会倒转每项的矩阵次序,迹循环把两项互换,因此BR为实。它的不变性也可逐项写出:
fdaeBRebc+fdbeBRaec+fdceBRabe=−2iTrR[TRd,TRa{TRb,TRc}]=0.(70.40)
右边交换子按乘积法则展开正好给出左边三种指标的变化,其迹为零。
不同表示的三次对称迹能否写成一个固定张量dabc乘系数A(R),取决于不变三次张量空间的维数。为回答这个问题,先取SU(N≥3)。令H=haTNa为基本表示中的无迹厄米矩阵,在任意表示中定义
PR(H):=TrR[(haTRa)3].(70.41)
这是关于H的三次齐次多项式,在H↦UHU−1下不变。厄米矩阵可以酉对角化,把对角化矩阵乘一个公共相位即可使其行列式为1,所以只须考察H=diag(h1,…,hN)、∑ihi=0。任意对角元置换也可以在SU(N)中实现:若置换矩阵的行列式为−1,乘一个与对角矩阵对易的对角相位矩阵加以补偿。因此PR在这些对角元上是对称三次多项式。
三次单项式只有三种指标重复方式:hi3、hi2hj和hihjhk。若先用hi−∑jhj/N把函数延拓到独立的hi,便可按这三类对称单项式求和,再限制回无迹平面。在这个平面上,
s3i=j∑hi2hj0=(i∑hi)3i<j<k∑hihjhk:=i∑hi3,=i∑hi2(j∑hj−hi)=−s3,=s3+3i=j∑hi2hj+6i<j<k∑hihjhk,=31s3.(70.42)
所以只剩一个独立方向s3=PN(H)。当N≥3,取对角元(1,1,−2,0,…)得到s3=−6,它不恒为零。于是存在唯一的比例系数A(R),使PR=A(R)PN。
还须从相同矩阵的三次方恢复三个独立指标。设X,Y,Z为基本空间的三个无迹厄米矩阵,用相同系数映入R,展开PR(sX+tY+uZ)。含stu的项有六种有序乘积,迹循环把它们分成两组,每组三项,因此
BR(X,Y,Z)=61∂s∂t∂u∂3PR(sX+tY+uZ)s=t=u=0.(70.43)
这个极化公式把对角化得到的比例推广到全部对称指标。取基本表示的三次对称迹作为基准,定义
dabc:=BNabc,BRabc=A(R)dabc,A(N)=1(SU(N), N≥3).(70.44)
A(R)称为异常系数。这个名称预示它在后面的三角图计算中所起的作用;到这里我们建立的是表示论恒等式。
定义(70.39)含三次迹前的1/2。把基本反对易子代入式(70.25),其单位矩阵投影为δab/N,生成元投影则为2Tr(Tc{Ta,Tb})=4dabc,因此
{Ta,Tb}=Nδab1+4dabcTc.(70.45)
若以右边生成元的系数另定义daltabc,就有dalt=4d,两种记号在比较公式时须作这个转换。一个直接的检验来自SU(3)中归一化的对角生成元:
T8d888=231diag(1,1,−2),=Tr[(T8)3]=(23)31+1−8=−431.(70.46)
这里的迹作用于矩阵三次方。它同时核对了基本A=1与式(70.45)中的4。
共轭表示的生成元是负转置,三个生成元给出三个负号。转置使次序倒转,再用循环迹,得
BRˉabcA(Rˉ)=−21TrR({TRb,TRc}TRa)=−BRabc,=−A(R).(70.47)
若R实或伪实,酉等价又要求BRˉ=BR,所以三次对称迹为零。直和则按块分别取迹,给BR1⊕R2=BR1+BR2,从而
A(R1⊕R2)=A(R1)+A(R2).(70.48)
对直积仍使用式(70.16)。三个生成元相乘共有八项,两项完全来自一个因子,其余六项在某个因子上只含一个生成元。将这六项也写出,总迹为
Tr12(TaTbTc)=D2Tr1(T1aT1bT1c)+D1Tr2(T2aT2bT2c)+Tr1(T1aT1b)Tr2T2c+Tr1(T1aT1c)Tr2T2b+Tr1(T1bT1c)Tr2T2a+Tr1T1aTr2(T2bT2c)+Tr1T1bTr2(T2aT2c)+Tr1T1cTr2(T2aT2b).(70.49)
后三行全由无迹性消失。将第一行同b,c互换的结果相加再除以2,便得到直积的异常系数:
A(R1⊗R2)=A(R1)D(R2)+D(R1)A(R2).(70.50)
式(70.48)、(70.50)必须使用同一个固定非零d。对其它群,需先确定其不变三次张量空间,不能只凭有复表示就任选一个A=1。
SU(2)可以直接沿刚才的多项式论证处理。对角元只有(h,−h),群共轭可把h换成−h,故不变多项式必须是h的偶函数;三次齐次性却要求它是奇函数,于是
PR(H)=0,BRabc=0(任意有限维 SU(2) 表示).(70.51)
第二个结论再由极化得到。对这种情形,约定A(R)=0。表示的实性也能说明这一点。沿第33节已经构造的角动量基∣j,m⟩,令反线性算符
Jj∣j,m⟩=(−1)j−m∣j,−m⟩,Jj2=(−1)2j1.(70.52)
对J3,翻转m立即给JjJ3=−J3Jj;对升降算符,J+∣j,m⟩=(j−m)(j+m+1)∣j,m+1⟩中的实系数在m↦−m后对应J−,而相邻m的相位差为负,故JjJ+=−J−Jj。结合反线性对i的变号,三个Ja均满足JjJa=−JaJj,其群变换与Jj对易。所以整数j为实型,半整数j为伪实型,各不可约块的三次迹都为零;直和仍为零。
利用交换投影,可以进一步求出带两个基本指标的表示的二次与三次群因子。随后将同一连接作用于复合场,便得到协变乘积法则与比安基恒等式。
两个基本指标的SU(N)表示
把N⊗N分为对称平方S与反对称平方A。这里用花体字母A区别于伴随表示A。在矩阵分量Xij上,P±=(1±P)/2分别取对称与反对称部分。由TrP=N可得
N⊗N=S⊕A,D(S)=2N(N+1),D(A)=2N(N−1).(70.54)
对称部分包括N个对角元及N(N−1)/2对非对角元,反对称部分只有后者。沿式(70.53)的迹计算,使用基本归一Tr(TaTb)=δab/2,得到
TrP±(TaTb)T(S)=21(2N±4)TrN(TaTb),=2N+2,T(A)=2N−2.(70.55)
也可限制到只作用于前两个分量的SU(2)子群计算。令n=N−2,基本表示限制为2⊕n1,对称与反对称平方分别成为
SSU(2)ASU(2)T(S)=3⊕n2⊕2n(n+1)1,=1⊕n2⊕2n(n−1)1,=2+2n,T(A)=2n.(70.56)
第一项来自前两个指标的平方,第二项来自一个指标在二重态、另一个在单态,最后一项来自单态空间的平方。P±已经把交叉积的两个次序合为一份,所以二重态的重数都是n。
取N=3,一个反对称张量只有三个分量。用行列式不变张量作线性映射,
wiwi′ASU(3)=21ϵijkXjk,Xjk=ϵijkwi,ϵ123=ϵ123=1,=21ϵijkUjlUkmXlm=(U−1)niwn=(U∗)inwn,≃3ˉ,A(3ˉ)=−1.(70.57)
第一行的逆映射来自ϵijkϵljk=2δli。第二行把第三个U补进三阶行列式,再用detU=1消去,故三个反对称分量按反基本表示变换。
三次迹也能由同一个交换投影求出。令H=haTNa无迹,H=H⊗1+1⊗H。展开其三次方,未插入P时混合项含TrH而消失;插入后,系数1,3,3,1都乘TrH3,于是
TrN⊗NH3TrN⊗N(PH3)TrP±H3=2NTrNH3,=(1+3+3+1)TrNH3,=(N±4)TrNH3.(70.58)
对N≥3用极化公式恢复三个独立生成元,就有
A(S)=N+4,A(A)=N−4.(70.59)
按SU(3)子群也能重得此结果。先由3⊗3=3ˉ⊕6与直积异常系数求出A(6)=6−A(3ˉ)=7。再令n=N−3,两种平方限制为
SSU(3)ASU(3)A(S)=6⊕n3⊕2n(n+1)1,=3ˉ⊕n3⊕2n(n−1)1,=7+n=N+4,A(A)=−1+n=N−4.(70.60)
嵌入生成元在其余基本分量上为零,故SU(N)的基本三次迹限制到这个子群后,正好是同一归一的SU(3)基本三次迹。各块异常系数可以直接相加。N=2时,三次迹对所有表示均为零,适用的是式(70.51)的约定。
协变导数的分配法则
对直积场求导
直积生成元是两种作用之和:
第一项只改变φi的指标,第二项只改变χI的指标。
把它代入Dμ=∂μ−igAμaTa,保持场的次序为φχ,
便有
[Dμ(φχ)]iI===∂μ(φiχI)−igAμa[(TR1a)ijδIJ+δij(TR2a)IJ]φjχJ[∂μφi−igAμa(TR1a)ijφj]χI+φi[∂μχI−igAμa(TR2a)IJχJ](Dμφ)iχI+φi(Dμχ)I.(70.61)
普通导数先按乘积法则产生两项,
连接矩阵的两项恰好分别补成两个协变导数。
这里Dμ是偶导数,不改变φχ的排列,
因而这一推导本身没有额外的格拉斯曼交换号。
收缩成单态后的导数
取φi属于R,其厄米共轭φ†i属于R。
共轭表示的生成元带负转置:
(TRa)ij(Dμφ†)i(Dμφ)i=−(TRa)ji,=∂μφ†i+igAμa(TRa)jiφ†j,=∂μφi−igAμa(TRa)ijφj.(70.62)
于是
(Dμφ†)iφi+φ†i(Dμφ)i==∂μ(φ†iφi)+igAμa[(TRa)jiφ†jφi−φ†i(TRa)ijφj]∂μ(φ†iφi).(70.63)
最后一步只把第一项中的虚指标i,j互换,
矩阵元为普通数,两个场的相对次序始终不变。
从表示角度看,这就是乘积法则在R⊗R上的应用,
再用不变的克罗内克符号投影到单态。
单态生成元为零,故投影后的协变导数成为普通导数。
比安基恒等式
在一个光滑的局部规范片中,先将场强看作矩阵值函数
Fμν=FμνaTa,
并让微分算符作用于任意光滑测试多重态h(x)。
对易子[Dρ,Fμν]是算符对易子;
把Dρ=∂ρ−igAρ实际作用到Fμνh上,
有
[Dρ,Fμν]h=∂ρ(Fμνh)−igAρFμνh−Fμν(∂ρh−igAρh)=[∂ρFμν−ig(AρFμν−FμνAρ)]h=(DρadFμν)h.(70.64)
含∂ρh的两项相消,剩下的正是作用于场强的伴随协变导数。
把矩阵对易子再展开为结构系数,并代入
(TAa)cb=−ifacb,得到
(DρadFμν)c=∂ρFμνc+gfabcAρaFμνb=∂ρFμνc−igAρa(TAa)cbFμνb.(70.65)
第二行中(−i)(−i)=−1,
再用facb=−fabc,便恢复第一行的正号。
伴随导数的分量号由此与矩阵对易子一致。
微分算符的复合满足结合律,因而具有雅可比恒等式。
为看清这里使用的只是结合律,将三个嵌套对易子展开:
J:==[Dμ,[Dν,Dρ]]+[Dν,[Dρ,Dμ]]+[Dρ,[Dμ,Dν]]DμDνDρ−DμDρDν−DνDρDμ+DρDνDμ+DνDρDμ−DνDμDρ−DρDμDν+DμDρDν+DρDμDν−DρDνDμ−DμDνDρ+DνDμDρ=0.(70.66)
六种有序的三算符乘积各出现一次正号和一次负号,
其相消不要求两个D彼此对易。
场强的定义Fνρ=(i/g)[Dν,Dρ]
等价于[Dν,Dρ]=−igFνρ。
将其代入上式,再用式(70.64),
得到
00=−ig(DμadFνρ+DνadFρμ+DρadFμν),=(DμFνρ)a+(DνFρμ)a+(DρFμν)a.(70.67)
在第二行先按g=0消去公共系数,再比较线性无关的生成元;
其分量表达式也连续延伸到g=0。
这一恒等式由连接和场强的定义对任意光滑规范势成立,
表达的是场强各分量之间的几何约束,它在施加运动方程之前便已成立。
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