Srednicki §70 群表示

26 年 9 月 14 日 星期一
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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)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RR,其维数为D(R)D(R)。在固定的李代数基下,它们满足

[TRa,TRb]=ifabcTRc,(TRa)=TRa,UR(θ)=exp(iθaTRa),a=1,,D(A).(70.1)\begin{aligned} \relax [T_R^a,T_R^b]&=if^{abc}T_R^c, & (T_R^a)^\dagger&=T_R^a,\\ U_R(\theta)&=\exp(-i\theta^aT_R^a), &a&=1,\ldots,D(A). \end{aligned} \tag{70.1}

AA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\theta^a_{70}=g\theta^a_{69}。改变表示时保持fabcf^{abc}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)SU(N)的定义空间为NN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]][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\operatorname{Tr}T_R^a=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)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fabcf^{abc}为实,右端的ii变号,因此共轭表示定义为

TRˉa:=(TRa),[TRˉa,TRˉb]=[TRa,TRb]=ifabc(TRc)=ifabcTRˉc,URˉ(θ)=UR(θ).(70.2)\begin{aligned} T_{\bar R}^a&:=-(T_R^a)^*,\\ \relax [T_{\bar R}^a,T_{\bar R}^b] &=[T_R^a,T_R^b]^* =-if^{abc}(T_R^c)^* =if^{abc}T_{\bar R}^c,\\ U_{\bar R}(\theta)&=U_R(\theta)^*. \end{aligned} \tag{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TRaT_R^a都是纯虚矩阵,那么TRˉa=TRaT_{\bar R}^a=T_R^a,群矩阵URU_R便是实矩阵,称为实表示。若RRRˉ\bar R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RRˉR\simeq\bar R,任意实线性组合H=haTRaH=h_aT_R^a必须同H-H^*酉等价。HH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(N3)SU(N\ge3)的基本表示,取

H=diag(1,1,2,0,,0),spec(H)={1,1,2,0,,0}.(70.3)H=\operatorname{diag}(1,1,-2,0,\ldots,0),\qquad \operatorname{spec}(-H)=\{-1,-1,2,0,\ldots,0\}. \tag{70.3}

两套谱不同,故基本表示为复表示。这里不要求HH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)SU(2)的情况不同。取Ta=σa/2T^a=\sigma^a/2V=σ2V=\sigma_2,泡利矩阵给出

V1σ1V=σ1,V1σ2V=σ2,V1σ3V=σ3,(Ta)=V1TaV,VV=12.(70.4)\begin{aligned} V^{-1}\sigma_1V&=-\sigma_1,& V^{-1}\sigma_2V&=\sigma_2,& V^{-1}\sigma_3V&=-\sigma_3,\\ -(T^a)^*&=V^{-1}T^aV,& VV^*&=-\mathbf1_2. \end{aligned} \tag{70.4}

第一行正好对应σ1,σ3\sigma_1,\sigma_3为实、σ2\sigma_2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)=V1TaV-(T^a)^*=V^{-1}T^aV,其中VV酉,令KK表示逐分量复共轭,定义反线性算符J=VK\mathcal J=VK。关系TaV=V(Ta)T^aV=-V(T^a)^*连同ii在复共轭下变号,保证JUR=URJ\mathcal JU_R=U_R\mathcal J。因此J2\mathcal J^2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:

J2=VV=c1,c=1,JJ2=cJ,J2J=cJ,c=±1,VT=cV.(70.5)\begin{aligned} \mathcal J^2&=VV^*=c\mathbf1,& |c|&=1,\\ \mathcal J\mathcal J^2&=c^*\mathcal J, &\mathcal J^2\mathcal J&=c\mathcal J,\\ c&=\pm1,&V^T&=cV. \end{aligned} \tag{70.5}

第二行的两边都是J3\mathcal J^3,所以c=cc=c^*。最后的转置关系由VV=c1VV^*=c\mathbf1右乘VTV^T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\mathcal J^2的符号。

c=+1c=+1时,任意向量可以写成

v=v+Jv2+ivJv2i.(70.6)v=\frac{v+\mathcal Jv}{2} +i\frac{v-\mathcal Jv}{2i}. \tag{70.6}

右边两个分式都被J\mathcal 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\mathcal 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=1c=-1时,上述实基不可能存在;同时VV非退化且反对称,detV=detVT=(1)D(R)detV\det V=\det V^T=(-1)^{D(R)}\det V便要求维数为偶数。式(70.4)c=1c=-1遂证明SU(2)SU(2)双重态伪实。SO(N)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)(T_A^a)^{bc}:=-if^{abc},\qquad (T_A^a)^\dagger=T_A^a,\qquad -(T_A^a)^*=T_A^a. \tag{70.7}

第69节已由循环迹证明ff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,ZX,Y,Z,分别展开

[[X,Y],Z]=XYZYXZZXY+ZYX,[[Y,Z],X]=YZXZYXXYZ+XZY,[[Z,X],Y]=ZXYXZYYZX+YXZ.(70.8)\begin{aligned} \relax [[X,Y],Z]&=XYZ-YXZ-ZXY+ZYX,\\ \relax [[Y,Z],X]&=YZX-ZYX-XYZ+XZY,\\ \relax [[Z,X],Y]&=ZXY-XZY-YZX+YXZ. \end{aligned} \tag{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=TcX=T^a,Y=T^b,Z=T^c,两次使用李括号产生i2=1i^2=-1。右乘TeT^e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)\begin{aligned} 0&=\operatorname{Tr}([[T^a,T^b],T^c]T^e) +\operatorname{Tr}([[T^b,T^c],T^a]T^e)\\ &\quad+\operatorname{Tr}([[T^c,T^a],T^b]T^e)\\ &=-\kappa\bigl(f^{abd}f^{dce} +f^{bcd}f^{dae}+f^{cad}f^{dbe}\bigr),\\ &\hspace{12mm}\operatorname{Tr}(T^dT^e)=\kappa\delta^{de}. \end{aligned} \tag{70.9}

除去非零的κ\kappa,便得到结构常数的雅可比恒等式。对SU(N)SU(N)基本表示,κ=1/2\kappa=1/2。这个证明只用到迹形式非退化,不依赖1/21/2这个特定数值。对SO(N)SO(N)基本表示取κ=2\kappa=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,ba,c,b,再利用ff反对称,便有

fabdfcde+fcbdfade=facdfdbe,(ifabd)(ifcde)(ifcbd)(ifade)=ifacd(ifdbe),(TAa)bd(TAc)de(TAc)bd(TAa)de=ifacd(TAd)be.(70.10)\begin{aligned} -f^{abd}f^{cde}+f^{cbd}f^{ade} &=f^{acd}f^{dbe},\\ (-if^{abd})(-if^{cde})-(-if^{cbd})(-if^{ade}) &=if^{acd}(-if^{dbe}),\\ (T_A^a)^{bd}(T_A^c)^{de}-(T_A^c)^{bd}(T_A^a)^{de} &=if^{acd}(T_A^d)^{be}. \end{aligned} \tag{70.10}

第二行的左边用了(i)2=1(-i)^2=-1,右边用了i(i)=1i(-i)=1;第三行的求和指标dd恰好连接前一矩阵的列与后一矩阵的行。因此[TAa,TAc]=ifacdTAd[T_A^a,T_A^c]=if^{acd}T_A^d。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)q_R^{ab}=\operatorname{Tr}_R(T_R^aT_R^b)。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)\begin{aligned} 0&=\operatorname{Tr}_R[T_R^c,T_R^aT_R^b]\\ &=i f^{cad}q_R^{db}+i f^{cbd}q_R^{ad}. \end{aligned} \tag{70.11}

这说明qRq_R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)T(R)

TrR(TRaTRb)=T(R)δab.(70.12)\operatorname{Tr}_R(T_R^aT_R^b)=T(R)\delta^{ab}. \tag{70.12}

非平凡表示的T(R)>0T(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)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\mathcal C_R=\sum_aT_R^aT_R^a与全部生成元对易:收缩中的矩阵反对易子关于a,ca,c对称,fabcf^{abc}则反对称。现在进一步假定RR不可约。CR\mathcal C_R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)C(R),并取迹,得到

CR=C(R)1D(R),TrRCR=aT(R)δaa=T(R)D(A),TrRCR=C(R)TrR1=C(R)D(R),T(R)D(A)=C(R)D(R).(70.13)\begin{aligned} \mathcal C_R&=C(R)\mathbf1_{D(R)},\\ \operatorname{Tr}_R\mathcal C_R &=\sum_a T(R)\delta^{aa}=T(R)D(A),\\ \operatorname{Tr}_R\mathcal C_R &=C(R)\operatorname{Tr}_R\mathbf1=C(R)D(R),\\ T(R)D(A)&=C(R)D(R). \end{aligned} \tag{70.13}

这个关系说明两个维数各在数什么:D(A)D(A)数生成元,D(R)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)SU(2)R=12R=1\oplus2

C12=diag(0,3/4,3/4),T(12)=12.(70.14)\mathcal C_{1\oplus2} =\operatorname{diag}(0,3/4,3/4),\qquad T(1\oplus2)=\tfrac12. \tag{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)C(R_\alpha),总迹为T(R)D(A)=αC(Rα)D(Rα)T(R)D(A)=\sum_\alpha C(R_\alpha)D(R_\alpha)。若各块恰有相同本征值,当然仍可用一个共同的CC

下面将用直积分解计算两族常用的群因子:在SU(N)SU(N)基本归一T(N)=1/2T(N)=1/2下求出T(A)=NT(A)=N,在SO(N)SO(N)基本归一T(N)=2T(N)=2下求出T(A)=2N4T(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WW是全部生成元的共同不变子空间,对vW,wWv\in W^\perp,w\in W,厄米性给w,TRav=TRaw,v=0\langle w,T_R^av\rangle=\langle T_R^aw,v\rangle=0,所以WW^\perp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,

TR1R2a=(TR1a00TR2a),D(R1R2)=D(R1)+D(R2),T(R1R2)=T(R1)+T(R2).(70.15)\begin{aligned} T_{R_1\oplus R_2}^a&= \begin{pmatrix}T_{R_1}^a&0\\0&T_{R_2}^a\end{pmatrix},\\ D(R_1\oplus R_2)&=D(R_1)+D(R_2),\\ T(R_1\oplus R_2)&=T(R_1)+T(R_2). \end{aligned} \tag{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,R2R_1,R_2变换的量相乘时,两个指标都要变换,空间便是直积R1R2R_1\otimes R_2。用i,ji,j标记第一个空间、I,JI,J标记第二个空间,从有限变换展开一次项:

U1U2=1iθa(T1a12+11T2a)+O(θ2),(TR1R2a)iI,jJ=(T1a)ijδIJ+δij(T2a)IJ,D(R1R2)=D1D2,Dr:=D(Rr).(70.16)\begin{aligned} U_1\otimes U_2 &=\mathbf1-i\theta^a (T_1^a\otimes\mathbf1_2+\mathbf1_1\otimes T_2^a) +O(\theta^2),\\ (T_{R_1\otimes R_2}^a)_{iI,jJ} &=(T_1^a)_{ij}\delta_{IJ}+\delta_{ij}(T_2^a)_{IJ},\\ D(R_1\otimes R_2)&=D_1D_2, \qquad D_r:=D(R_r). \end{aligned} \tag{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]=ifabcTR1R2c[T_1^a,T_1^b]\otimes\mathbf1+\mathbf1\otimes[T_2^a,T_2^b]=if^{abc}T_{R_1\otimes R_2}^c,仍是同一个李代数。

取两个直积生成元的乘积,并利用Tr12(XY)=Tr1XTr2Y\operatorname{Tr}_{12}(X\otimes Y)=\operatorname{Tr}_1X\operatorname{Tr}_2Y,四项分别给

Tr12(TaTb)=D2Tr1(T1aT1b)+D1Tr2(T2aT2b)+Tr1T1aTr2T2b+Tr1T1bTr2T2a,T(R1R2)=T(R1)D(R2)+D(R1)T(R2).(70.17)\begin{aligned} \operatorname{Tr}_{12}(T^aT^b) ={}&D_2\operatorname{Tr}_1(T_1^aT_1^b) +D_1\operatorname{Tr}_2(T_2^aT_2^b)\\ &+\operatorname{Tr}_1T_1^a\operatorname{Tr}_2T_2^b +\operatorname{Tr}_1T_1^b\operatorname{Tr}_2T_2^a,\\ T(R_1\otimes R_2) ={}&T(R_1)D(R_2)+D(R_1)T(R_2). \end{aligned} \tag{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\varphi_i属于RR,厄米共轭写成φi\varphi^{\dagger i};生成元的行指标在下、列指标在上。它们的变换为

φi=(δijiθa(TRa)ij)φj+O(θ2),(TRˉa)ij=(TRa)ji,φi=φiiθa(TRˉa)ijφj+O(θ2)=φi+iθa(TRa)jiφj+O(θ2).(70.18)\begin{aligned} \varphi_i'&=(\delta_i{}^j-i\theta^a(T_R^a)_i{}^j)\varphi_j +O(\theta^2),\\ (T_{\bar R}^a)^i{}_j&=-(T_R^a)_j{}^i,\\ \varphi^{\dagger i\prime} &=\varphi^{\dagger i}-i\theta^a(T_{\bar R}^a)^i{}_j \varphi^{\dagger j}+O(\theta^2)\\ &=\varphi^{\dagger i}+i\theta^a(T_R^a)_j{}^i \varphi^{\dagger j}+O(\theta^2). \end{aligned} \tag{70.18}

第二行用厄米性把复共轭改写成转置。有限变换下φφ\varphi^\dagger\varphi成为φURURφ\varphi^\dagger U_R^\dagger U_R\varphi,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。

δij\delta_i{}^j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(UR1)lj=δij.(70.19)\begin{aligned} \delta_i{}^j&\longmapsto (U_R)_i{}^k(U_{\bar R})^j{}_l\delta_k{}^l\\ &=(U_R)_i{}^k\delta_k{}^l(U_R^{-1})_l{}^j =\delta_i{}^j. \end{aligned} \tag{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RRRˉ\bar R的一对指标收缩成标量。

一个按RRˉR\otimes\bar R变换的量可以排成矩阵MijM_i{}^j,其变换为MURMUR1M\mapsto U_RMU_R^{-1},也就是表示空间上的线性映射空间End(VR)\operatorname{End}(V_R)。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

RRˉ=1,T1a=0.(70.20)R\otimes\bar R=1\oplus\cdots,\qquad T_1^a=0. \tag{70.20}

对不可约RR,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RR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(T_R^b)_i{}^ji,ji,j分别属于R,RˉR,\bar Rbb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)\begin{aligned} \delta(T_R^b)_i{}^j=-i\theta^a\bigl[& (T_R^a)_i{}^k(T_R^b)_k{}^j +(T_{\bar R}^a)^j{}_l(T_R^b)_i{}^l\\ &+(T_A^a)^{bc}(T_R^c)_i{}^j\bigr] . \end{aligned} \tag{70.21}

把共轭的负转置和伴随的if-if代入,括号成为

(TRaTRb)ij(TRbTRa)ijifabc(TRc)ij=0.(70.22)(T_R^aT_R^b)_i{}^j-(T_R^bT_R^a)_i{}^j -if^{abc}(T_R^c)_i{}^j=0. \tag{70.22}

因此,非零生成元组成的不变向量使RRˉAR\otimes\bar R\otimes A含有单态。这里把bb也一起变换了;固定某一个TRbT_R^b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RRˉR\otimes\bar R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)\operatorname{End}(V_R)中使用生成元的张成空间便能做到。令

ι:gCEnd(VR),X=XataXaTRa,δ(XbTRb)=iθc[TRc,XbTRb]=θcfcbaXbTRa,δXa=iθc(TAc)abXb.(70.23)\begin{aligned} \iota:\mathfrak g_{\mathbb C}&\longrightarrow\operatorname{End}(V_R),\\ X=X^a t_a&\longmapsto X^aT_R^a,\\ \delta(X^bT_R^b) &=-i\theta^c[T_R^c,X^bT_R^b] =\theta^cf^{cba}X^bT_R^a,\\ \delta X^a&=-i\theta^c(T_A^c)^{ab}X^b. \end{aligned} \tag{70.23}

这里tat_a为复化代数的一组基,取[ta,tb]=ifabctc[t_a,t_b]=if^{abc}t_c;它对应紧实形式中ita-it_a的实基。第二、三行用fcba=fcabf^{cba}=-f^{cab},说明ι\iota把伴随变换映成矩阵共轭变换。其核是理想:若ι(X)=0\iota(X)=0,则ι([Y,X])=[ι(Y),ι(X)]=0\iota([Y,X])=[\iota(Y),\iota(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)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

RRˉ=1A(简单代数,非平凡 R.(70.24)R\otimes\bar R=1\oplus A\oplus\cdots \quad\text{(简单代数,非平凡 }R\text{)}. \tag{70.24}

平凡表示R=1R=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RR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

SU(N)SU(N)的基本表示,刚才的分解尤其简单。N×NN\times N矩阵空间有N2N^2维,而单位矩阵与N21N^2-1个无迹生成元已经构成一组完整基。由Tr(TaTb)=δab/2\operatorname{Tr}(T^aT^b)=\delta^{ab}/2投影任意复矩阵MM,得到

M=TrMN1+2aTaTr(TaM),NNˉ=1A.(70.25)M=\frac{\operatorname{Tr}M}{N}\mathbf1 +2\sum_aT^a\operatorname{Tr}(T^aM),\qquad N\otimes\bar N=1\oplus A. \tag{70.25}

系数1/N1/N使第一项的迹等于TrM\operatorname{Tr}M,系数2则补偿基本迹的1/21/2。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MlkM_l{}^k在两边的系数,还得到一个有用的补充恒等式:

a(Ta)ij(Ta)kl=12(δilδkj1Nδijδkl).(70.26)\sum_a(T^a)_i{}^j(T^a)_k{}^l =\frac12\left(\delta_i{}^l\delta_k{}^j -\frac1N\delta_i{}^j\delta_k{}^l\right). \tag{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=jk=j并求和,第一项给NδilN\delta_i{}^l,第二项给δil/N\delta_i{}^l/N,于是aTaTa=(N21)1/(2N)\sum_aT^aT^a=(N^2-1)\mathbf1/(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)=1/2T(\bar N)=T(N)=1/2。对式(70.25)分别应用直积及直和迹公式,得

T(NNˉ)=NT(N)+NT(Nˉ)=N,T(1A)=T(1)+T(A)=T(A),T(A)=C(A)=N,C(N)=N212N.(70.27)\begin{aligned} T(N\otimes\bar N)&=N\,T(N)+N\,T(\bar N)=N,\\ T(1\oplus A)&=T(1)+T(A)=T(A),\\ T(A)&=C(A)=N,\qquad C(N)=\frac{N^2-1}{2N}. \end{aligned} \tag{70.27}

伴随的C(A)=T(A)C(A)=T(A)来自两侧表示维数同为D(A)D(A)。另一条路线是限制到只作用于前两个分量的SU(2)SU(2)子群。先用iϵabc-i\epsilon^{abc}直接算三重态的迹为2δab2\delta^{ab},三重态的迹具体为c,d(iϵacd)(iϵbdc)=c,dϵacdϵbcd=2δab\sum_{c,d}(-i\epsilon^{acd})(-i\epsilon^{bdc})=\sum_{c,d}\epsilon^{acd}\epsilon^{bcd}=2\delta^{ab}a=ba=b时有两种非零排列,aba\ne b时没有共同的非零指标对。再取m=N2m=N-2,在已知NNˉ=1AN\otimes\bar N=1\oplus A中展开(2m1)(2m1)(2\oplus m1)\otimes(2\oplus m1),得到

ASU(2)=32m2m21,T(A)=2+2m12=N.(70.28)A\big|_{SU(2)}=3\oplus2m\,2\oplus m^2\,1,\qquad T(A)=2+2m\cdot\frac12=N. \tag{70.28}

这里用到的22=132\otimes2=1\oplus3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1/21/2。其中两个交叉积各给mm个二重态,22ˉ2\otimes\bar2给一个三重态与一个单态;扣除原SU(N)SU(N)的迹单态后,剩下m2m^2个子群单态。维数核对为3+4m+m2=N213+4m+m^2=N^2-1。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)

RR同其共轭等价时,可把RRˉR\otimes\bar R改写成RRR\otimes R。对于实表示,先选出纯虚厄米基,便有TT=TT^T=-T。双下指标的δij\delta_{ij}在两个相同表示作用下变为

δij=δijiθa((TRa)ij+(TRa)ji)+O(θ2)=δij+O(θ2).(70.29)\begin{aligned} \delta_{ij}'&=\delta_{ij}-i\theta^a \bigl((T_R^a)_{ij}+(T_R^a)_{ji}\bigr)+O(\theta^2)\\ &=\delta_{ij}+O(\theta^2). \end{aligned} \tag{70.29}

有限变换就是UδUT=δU\delta U^T=\delta,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\delta_{ij}的外形。

SO(N)SO(N)向量的平方,任意矩阵XijX_{ij}可以明确分成

(P1X)ij=δijNXkk,(PAX)ij=12(XijXji),(PSX)ij=12(Xij+Xji)δijNXkk,X=P1X+PAX+PSX.(70.30)\begin{aligned} (P_1X)_{ij}&=\frac{\delta_{ij}}N X_{kk},\\ (P_AX)_{ij}&=\frac12(X_{ij}-X_{ji}),\\ (P_SX)_{ij}&=\frac12(X_{ij}+X_{ji})-\frac{\delta_{ij}}N X_{kk},\\ X&=P_1X+P_AX+P_SX. \end{aligned} \tag{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=PrP_r^2=P_r;在不同部分之间投影为零。反对称矩阵按XOXOT=OXO1X\mapsto OXO^T=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=XjiX_{ij}=X_{ji}Xii=0X_{ii}=0,将这一表示记作SS,便有

NN=1SAASS,D(A)=N(N1)2,D(S)=N(N+1)21.(70.31)\begin{aligned} N\otimes N&=1_{\rm S}\oplus A_{\rm A}\oplus S_{\rm S},\\ D(A)&=\frac{N(N-1)}2,\qquad D(S)=\frac{N(N+1)}2-1. \end{aligned} \tag{70.31}

下标S,A\mathrm S,\mathrm 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N2N^2。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(*X)_{ij}=\epsilon_{ijkl}X_{kl}/2,双重对偶满足2X=X*^2X=X。于是X±=(X±X)/2X_\pm=(X\pm*X)/2分别满足X±=±X±*X_\pm=\pm X_\pm,各由三个分量确定;对偶又与SO(4)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(ErsEsr)T^{rs}=-i(E_{rs}-E_{sr})r<sr<s,其中ErsE_{rs}只有第rr行第ss列为1。利用ErsEtu=δstEruE_{rs}E_{tu}=\delta_{st}E_{ru},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)SO(3),写m=N3m=N-3,则NN变成3m13\oplus m1。反对称平方分成三个来源:前三指标之间的Λ233\Lambda^2 3\simeq3,前三区与每个其余分量组成的mm个三重态,以及其余指标之间的m(m1)/2m(m-1)/2个单态。因此

ASO(3)=(m+1)3m(m1)21,TSO(N)(A)=2(m+1)=2N4,N3.(70.32)\begin{aligned} A\big|_{SO(3)}&=(m+1)\,3\oplus\frac{m(m-1)}2\,1,\\ T_{SO(N)}(A)&=2(m+1)=2N-4,\qquad N\ge3. \end{aligned} \tag{70.32}

三维ϵijk\epsilon_{ijk}将反对称二阶张量映为向量,而SO(3)SO(3)向量生成元为iϵabc-i\epsilon^{abc},所以每个三重态贡献指标2。这个分支的维数为3(m+1)+m(m1)/2=N(N1)/23(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(vw)=wv\mathsf P(v\otimes w)=w\otimes vP=(1P)/2P_-=(1-\mathsf P)/2,则

TrNN[P(XY)]=ijXjiYij=TrN(XY),Ta=Ta1+1Ta,TrA(TaTb)=12[2NTr(TaTb)4Tr(TaTb)]=(N2)TrN(TaTb)=2(N2)δab.(70.53)\begin{aligned} \operatorname{Tr}_{N\otimes N}[\mathsf P(X\otimes Y)] &=\sum_{ij}X_{ji}Y_{ij}=\operatorname{Tr}_N(XY),\\ \mathcal T^a&=T^a\otimes1+1\otimes T^a,\\ \operatorname{Tr}_{A}(\mathcal T^a\mathcal T^b) &=\tfrac12\bigl[2N\operatorname{Tr}(T^aT^b) -4\operatorname{Tr}(T^aT^b)\bigr]\\ &=(N-2)\operatorname{Tr}_N(T^aT^b)=2(N-2)\delta^{ab}. \end{aligned} \tag{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。PP_-Ta\mathcal T^a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)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Ta=sTaT'^a=sT^a,对易关系给f=sff'=sf,而二次迹及卡西米尔给T(R)=s2T(R)T'(R)=s^2T(R)C(R)=s2C(R)C'(R)=s^2C(R)。例如把这里的SO生成元缩小一半,基本指标才变成1/21/2,伴随指标同时变成(N2)/2(N-2)/2;计算规范作用时还要相应保持gAaTagA^aT^a。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VV直接看出。关系TaV=V(Ta)TT^aV=-V(T^a)^T使

URVURT=V,VT=cV,c=±1.(70.33)U_RVU_R^T=V,\qquad V^T=cV,\qquad c=\pm1. \tag{70.33}

因而VV本身是RRR\otimes 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WWWV1WV^{-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=+1c=+1把单态放进对称平方,伪实型的c=1c=-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ϵi1iN\epsilon_{i_1\cdots i_N}为完全反对称符号,它在NNSU(N)SU(N)矩阵作用下变为

Ui1j1UiNjNϵj1jN=(detU)ϵi1iN=ϵi1iN.(70.34)U_{i_1}{}^{j_1}\cdots U_{i_N}{}^{j_N} \epsilon_{j_1\cdots j_N} =(\det U)\epsilon_{i_1\cdots i_N} =\epsilon_{i_1\cdots i_N}. \tag{70.34}

第一步可由行列式的定义看出:左边对i1,,iNi_1,\ldots,i_N反对称,而完全反对称的NN阶张量只有一个独立分量;取这组指标为1,,N1,\ldots,N时,其比例系数正是行列式。第二步才用detU=1\det U=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\det U^*=1

SU(2)SU(2),取内部符号ϵ12=ϵ21=1\epsilon^{12}=\epsilon_{21}=1ϵ21=ϵ12=1\epsilon^{21}=\epsilon_{12}=-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)=(0110),E1=(ϵij)=(0110),ϵikϵkj=δji.(70.35)E=(\epsilon_{ij})=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix},\qquad E^{-1}=(\epsilon^{ij})=\begin{pmatrix}0&1\\-1&0\end{pmatrix},\qquad \epsilon^{ik}\epsilon_{kj}=\delta^i_j. \tag{70.35}

UEUT=EUEU^T=E说明反对称平方是一维单态。剩下的对称平方由e1e1e_1e_1(e1e2+e2e1)/2(e_1e_2+e_2e_1)/\sqrt2e2e2e_2e_2张成。把Ta1+1TaT^a\otimes1+1\otimes T^a作用于这三个基向量,得到

Tsym3=diag(1,0,1),Tsym+=2(010001000),22=1A3S.(70.36)\begin{gathered} T^3_{\rm sym}=\operatorname{diag}(1,0,-1),\qquad T^+_{\rm sym}=\sqrt2 \begin{pmatrix}0&1&0\\0&0&1\\0&0&0\end{pmatrix},\\ 2\otimes2=1_{\rm A}\oplus3_{\rm S}. \end{gathered} \tag{70.36}

这里T+=T1+iT2T^+=T^1+iT^2,降算符是它的厄米共轭。三个权重为1,0,11,0,-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\epsilon还可把下指标改写成上指标。由UEUT=EUEU^T=EE1U=UTE1=UE1E^{-1}U=U^{-T}E^{-1}=U^*E^{-1},所以

φi:=ϵijφj,φi=(U)ijφj.(70.37)\varphi^i:=\epsilon^{ij}\varphi_j,\qquad \varphi^{i\prime}=(U^*)^i{}_j\varphi^j. \tag{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φi=(φi)\varphi^{\dagger i}=(\varphi_i)^\dagger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\delta^{ab},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)\begin{aligned} -i\operatorname{Tr}_R(T_R^a[T_R^b,T_R^c]) &=-i\,i f^{bcd}\operatorname{Tr}_R(T_R^aT_R^d)\\ &=T(R)f^{bca}=T(R)f^{abc}. \end{aligned} \tag{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)0T(R)\ne0的表示便得到fabcf^{abc}的不变性。也可在式(70.21)中取R=AR=A,用TA=ifT_A=-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:=12TrR(TRa{TRb,TRc})=12[TrR(TRaTRbTRc)+TrR(TRaTRcTRb)].(70.39)\begin{aligned} B_R^{abc}&:=\frac12\operatorname{Tr}_R \bigl(T_R^a\{T_R^b,T_R^c\}\bigr)\\ &=\frac12\left[\operatorname{Tr}_R(T_R^aT_R^bT_R^c) +\operatorname{Tr}_R(T_R^aT_R^cT_R^b)\right]. \end{aligned} \tag{70.39}

b,cb,c交换不变,循环迹又使a,ba,b交换后仍为同样两项,所以BRB_R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BRB_R为实。它的不变性也可逐项写出:

fdaeBRebc+fdbeBRaec+fdceBRabe=i2TrR[TRd,TRa{TRb,TRc}]=0.(70.40)\begin{aligned} &f^{dae}B_R^{ebc}+f^{dbe}B_R^{aec}+f^{dce}B_R^{abe}\\ &\hspace{12mm}=-\frac i2\operatorname{Tr}_R [T_R^d,T_R^a\{T_R^b,T_R^c\}]=0. \end{aligned} \tag{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dabcd^{abc}乘系数A(R)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(N3)SU(N\ge3)。令H=haTNaH=h_aT_N^a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)P_R(H):=\operatorname{Tr}_R\bigl[(h_aT_R^a)^3\bigr]. \tag{70.41}

这是关于HH的三次齐次多项式,在HUHU1H\mapsto 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)H=\operatorname{diag}(h_1,\ldots,h_N)ihi=0\sum_i h_i=0。任意对角元置换也可以在SU(N)SU(N)中实现:若置换矩阵的行列式为1-1,乘一个与对角矩阵对易的对角相位矩阵加以补偿。因此PRP_R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:hi3h_i^3hi2hjh_i^2h_jhihjhkh_ih_jh_k。若先用hijhj/Nh_i-\sum_jh_j/N把函数延拓到独立的hih_i,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,

s3:=ihi3,ijhi2hj=ihi2(jhjhi)=s3,0=(ihi)3=s3+3ijhi2hj+6i<j<khihjhk,i<j<khihjhk=13s3.(70.42)\begin{aligned} s_3&:=\sum_i h_i^3,\\ \sum_{i\ne j}h_i^2h_j &=\sum_i h_i^2\left(\sum_jh_j-h_i\right)=-s_3,\\ 0=\left(\sum_i h_i\right)^3 &=s_3+3\sum_{i\ne j}h_i^2h_j +6\sum_{i<j<k}h_ih_jh_k,\\ \sum_{i<j<k}h_ih_jh_k&=\frac13s_3. \end{aligned} \tag{70.42}

所以只剩一个独立方向s3=PN(H)s_3=P_N(H)。当N3N\ge3,取对角元(1,1,2,0,)(1,1,-2,0,\ldots)得到s3=6s_3=-6,它不恒为零。于是存在唯一的比例系数A(R)A(R),使PR=A(R)PNP_R=A(R)P_N

还须从相同矩阵的三次方恢复三个独立指标。设X,Y,ZX,Y,Z为基本空间的三个无迹厄米矩阵,用相同系数映入RR,展开PR(sX+tY+uZ)P_R(sX+tY+uZ)。含stustu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)=163stuPR(sX+tY+uZ)s=t=u=0.(70.43)B_R(X,Y,Z)=\left.\frac16 \frac{\partial^3}{\partial s\,\partial t\,\partial u} P_R(sX+tY+uZ)\right|_{s=t=u=0}. \tag{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), N3).(70.44)\begin{gathered} d^{abc}:=B_N^{abc},\qquad B_R^{abc}=A(R)d^{abc},\\ A(N)=1\quad(SU(N),\ N\ge3). \end{gathered} \tag{70.44}

A(R)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1/21/2。把基本反对易子代入式(70.25),其单位矩阵投影为δab/N\delta^{ab}/N,生成元投影则为2Tr(Tc{Ta,Tb})=4dabc2\operatorname{Tr}(T^c\{T^a,T^b\})=4d^{abc},因此

{Ta,Tb}=δabN1+4dabcTc.(70.45)\{T^a,T^b\}=\frac{\delta^{ab}}N\mathbf1+4d^{abc}T^c. \tag{70.45}

若以右边生成元的系数另定义daltabcd_{\rm alt}^{abc},就有dalt=4dd_{\rm alt}=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)SU(3)中归一化的对角生成元:

T8=123diag(1,1,2),d888=Tr[(T8)3]=1+18(23)3=143.(70.46)\begin{aligned} T^8&=\frac1{2\sqrt3}\operatorname{diag}(1,1,-2),\\ d^{888}&=\operatorname{Tr}\bigl[(T^8)^3\bigr] =\frac{1+1-8}{(2\sqrt3)^3} =-\frac1{4\sqrt3}. \end{aligned} \tag{70.46}

这里的迹作用于矩阵三次方。它同时核对了基本A=1A=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

BRˉabc=12TrR({TRb,TRc}TRa)=BRabc,A(Rˉ)=A(R).(70.47)\begin{aligned} B_{\bar R}^{abc} &=-\frac12\operatorname{Tr}_R \bigl(\{T_R^b,T_R^c\}T_R^a\bigr) =-B_R^{abc},\\ A(\bar R)&=-A(R). \end{aligned} \tag{70.47}

RR实或伪实,酉等价又要求BRˉ=BRB_{\bar R}=B_R,所以三次对称迹为零。直和则按块分别取迹,给BR1R2=BR1+BR2B_{R_1\oplus R_2}=B_{R_1}+B_{R_2},从而

A(R1R2)=A(R1)+A(R2).(70.48)A(R_1\oplus R_2)=A(R_1)+A(R_2). \tag{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)\begin{aligned} \operatorname{Tr}_{12}(T^aT^bT^c) ={}&D_2\operatorname{Tr}_1(T_1^aT_1^bT_1^c) +D_1\operatorname{Tr}_2(T_2^aT_2^bT_2^c)\\ &+\operatorname{Tr}_1(T_1^aT_1^b)\operatorname{Tr}_2T_2^c +\operatorname{Tr}_1(T_1^aT_1^c)\operatorname{Tr}_2T_2^b\\ &+\operatorname{Tr}_1(T_1^bT_1^c)\operatorname{Tr}_2T_2^a +\operatorname{Tr}_1T_1^a\operatorname{Tr}_2(T_2^bT_2^c)\\ &+\operatorname{Tr}_1T_1^b\operatorname{Tr}_2(T_2^aT_2^c) +\operatorname{Tr}_1T_1^c\operatorname{Tr}_2(T_2^aT_2^b). \end{aligned} \tag{70.49}

后三行全由无迹性消失。将第一行同b,cb,c互换的结果相加再除以2,便得到直积的异常系数:

A(R1R2)=A(R1)D(R2)+D(R1)A(R2).(70.50)A(R_1\otimes R_2)=A(R_1)D(R_2)+D(R_1)A(R_2). \tag{70.50}

(70.48)(70.50)必须使用同一个固定非零dd。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=1A=1

SU(2)SU(2)可以直接沿刚才的多项式论证处理。对角元只有(h,h)(h,-h),群共轭可把hh换成h-h,故不变多项式必须是hh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)P_R(H)=0,\qquad B_R^{abc}=0 \quad\text{(任意有限维 }SU(2)\text{ 表示)}. \tag{70.51}

第二个结论再由极化得到。对这种情形,约定A(R)=0A(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|j,m\rangle,令反线性算符

Jjj,m=(1)jmj,m,Jj2=(1)2j1.(70.52)\mathcal J_j|j,m\rangle=(-1)^{j-m}|j,-m\rangle,\qquad \mathcal J_j^2=(-1)^{2j}\mathbf1. \tag{70.52}

J3J_3,翻转mm立即给JjJ3=J3Jj\mathcal J_jJ_3=-J_3\mathcal J_j;对升降算符,J+j,m=(jm)(j+m+1)j,m+1J_+|j,m\rangle=\sqrt{(j-m)(j+m+1)}|j,m+1\rangle中的实系数在mmm\mapsto-m后对应JJ_-,而相邻mm的相位差为负,故JjJ+=JJj\mathcal J_jJ_+=-J_-\mathcal J_j。结合反线性对ii的变号,三个JaJ_a均满足JjJa=JaJj\mathcal J_jJ_a=-J_a\mathcal J_j,其群变换与Jj\mathcal J_j对易。所以整数jj为实型,半整数jj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

NNN\otimes N分为对称平方S\mathcal S与反对称平方A\mathcal A。这里用花体字母A\mathcal A区别于伴随表示AA。在矩阵分量XijX_{ij}上,P±=(1±P)/2P_\pm=(1\pm\mathsf P)/2分别取对称与反对称部分。由TrP=N\operatorname{Tr}\mathsf P=N可得

NN=SA,D(S)=N(N+1)2,D(A)=N(N1)2.(70.54)N\otimes N=\mathcal S\oplus\mathcal A,\qquad D(\mathcal S)=\frac{N(N+1)}2,\qquad D(\mathcal A)=\frac{N(N-1)}2. \tag{70.54}

对称部分包括NN个对角元及N(N1)/2N(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\operatorname{Tr}(T^aT^b)=\delta^{ab}/2,得到

TrP±(TaTb)=12(2N±4)TrN(TaTb),T(S)=N+22,T(A)=N22.(70.55)\begin{aligned} \operatorname{Tr}_{P_\pm}(\mathcal T^a\mathcal T^b) &=\tfrac12(2N\pm4)\operatorname{Tr}_N(T^aT^b),\\ T(\mathcal S)&=\frac{N+2}2,\qquad T(\mathcal A)=\frac{N-2}2. \end{aligned} \tag{70.55}

也可限制到只作用于前两个分量的SU(2)SU(2)子群计算。令n=N2n=N-2,基本表示限制为2n12\oplus n1,对称与反对称平方分别成为

SSU(2)=3n2n(n+1)21,ASU(2)=1n2n(n1)21,T(S)=2+n2,T(A)=n2.(70.56)\begin{aligned} \mathcal S\big|_{SU(2)} &=3\oplus n2\oplus\frac{n(n+1)}2\,1,\\ \mathcal A\big|_{SU(2)} &=1\oplus n2\oplus\frac{n(n-1)}2\,1,\\ T(\mathcal S)&=2+\frac n2,\qquad T(\mathcal A)=\frac n2. \end{aligned} \tag{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±P_\pm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nn

N=3N=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,

wi=12ϵijkXjk,Xjk=ϵijkwi,ϵ123=ϵ123=1,wi=12ϵijkUjlUkmXlm=(U1)niwn=(U)inwn,ASU(3)3ˉ,A(3ˉ)=1.(70.57)\begin{aligned} w^i&=\frac12\epsilon^{ijk}X_{jk},\qquad X_{jk}=\epsilon_{ijk}w^i,\qquad \epsilon^{123}=\epsilon_{123}=1,\\ w^{i\prime} &=\frac12\epsilon^{ijk}U_j{}^lU_k{}^mX_{lm} =(U^{-1})_n{}^i w^n=(U^*)^i{}_n w^n,\\ \mathcal A_{SU(3)}&\simeq\bar3,\qquad A(\bar3)=-1. \end{aligned} \tag{70.57}

第一行的逆映射来自ϵijkϵljk=2δli\epsilon^{ijk}\epsilon_{ljk}=2\delta^i_l。第二行把第三个UU补进三阶行列式,再用detU=1\det U=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=haTNaH=h_aT_N^a无迹,H=H1+1H\mathcal H=H\otimes1+1\otimes H。展开其三次方,未插入P\mathsf P时混合项含TrH\operatorname{Tr}H而消失;插入后,系数1,3,3,11,3,3,1都乘TrH3\operatorname{Tr}H^3,于是

TrNNH3=2NTrNH3,TrNN(PH3)=(1+3+3+1)TrNH3,TrP±H3=(N±4)TrNH3.(70.58)\begin{aligned} \operatorname{Tr}_{N\otimes N}\mathcal H^3 &=2N\operatorname{Tr}_NH^3,\\ \operatorname{Tr}_{N\otimes N}(\mathsf P\mathcal H^3) &=(1+3+3+1)\operatorname{Tr}_NH^3,\\ \operatorname{Tr}_{P_\pm}\mathcal H^3 &=(N\pm4)\operatorname{Tr}_NH^3. \end{aligned} \tag{70.58}

N3N\ge3用极化公式恢复三个独立生成元,就有

A(S)=N+4,A(A)=N4.(70.59)A(\mathcal S)=N+4,\qquad A(\mathcal A)=N-4. \tag{70.59}

SU(3)SU(3)子群也能重得此结果。先由33=3ˉ63\otimes3=\bar3\oplus6与直积异常系数求出A(6)=6A(3ˉ)=7A(6)=6-A(\bar3)=7。再令n=N3n=N-3,两种平方限制为

SSU(3)=6n3n(n+1)21,ASU(3)=3ˉn3n(n1)21,A(S)=7+n=N+4,A(A)=1+n=N4.(70.60)\begin{aligned} \mathcal S\big|_{SU(3)}&=6\oplus n3\oplus\frac{n(n+1)}2\,1,\\ \mathcal A\big|_{SU(3)}&=\bar3\oplus n3\oplus\frac{n(n-1)}2\,1,\\ A(\mathcal S)&=7+n=N+4,\qquad A(\mathcal A)=-1+n=N-4. \end{aligned} \tag{70.60}

嵌入生成元在其余基本分量上为零,故SU(N)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)SU(3)基本三次迹。各块异常系数可以直接相加。N=2N=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\varphi_i的指标,第二项只改变χI\chi_I的指标。 把它代入Dμ=μigAμaTaD_\mu=\partial_\mu-igA_\mu^aT^a,保持场的次序为φχ\varphi\chi, 便有

[Dμ(φχ)]iI=μ(φiχI)igAμa[(TR1a)ijδIJ+δij(TR2a)IJ]φjχJ=[μφiigAμa(TR1a)ijφj]χI+φi[μχIigAμa(TR2a)IJχJ]=(Dμφ)iχI+φi(Dμχ)I.(70.61)\begin{aligned} \relax [D_\mu(\varphi\chi)]_{iI} ={}&\partial_\mu(\varphi_i\chi_I)\\ &-igA_\mu^a \left[(T_{R_1}^a)_i{}^j\delta_I{}^J +\delta_i{}^j(T_{R_2}^a)_I{}^J\right]\varphi_j\chi_J\\ ={}&\left[\partial_\mu\varphi_i -igA_\mu^a(T_{R_1}^a)_i{}^j\varphi_j\right]\chi_I\\ &+\varphi_i\left[\partial_\mu\chi_I -igA_\mu^a(T_{R_2}^a)_I{}^J\chi_J\right]\\ ={}&(D_\mu\varphi)_i\chi_I+\varphi_i(D_\mu\chi)_I . \end{aligned} \tag{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DμD_\mu是偶导数,不改变φχ\varphi\chi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

φi\varphi_i属于RR,其厄米共轭φi\varphi^{\dagger i}属于R\overline R。 共轭表示的生成元带负转置:

(TRa)ij=(TRa)ji,(Dμφ)i=μφi+igAμa(TRa)jiφj,(Dμφ)i=μφiigAμa(TRa)ijφj.(70.62)\begin{aligned} (T_{\overline R}^a)^i{}_j&=-(T_R^a)_j{}^i,\\ (D_\mu\varphi^\dagger)^i &=\partial_\mu\varphi^{\dagger i} +igA_\mu^a(T_R^a)_j{}^i\varphi^{\dagger j},\\ (D_\mu\varphi)_i &=\partial_\mu\varphi_i -igA_\mu^a(T_R^a)_i{}^j\varphi_j . \end{aligned} \tag{70.62}

于是

(Dμφ)iφi+φi(Dμφ)i=μ(φiφi)+igAμa[(TRa)jiφjφiφi(TRa)ijφj]=μ(φiφi).(70.63)\begin{aligned} (D_\mu\varphi^\dagger)^i\varphi_i +\varphi^{\dagger i}(D_\mu\varphi)_i ={}&\partial_\mu(\varphi^{\dagger i}\varphi_i)\\ &+igA_\mu^a \left[(T_R^a)_j{}^i\varphi^{\dagger j}\varphi_i -\varphi^{\dagger i}(T_R^a)_i{}^j\varphi_j\right]\\ ={}&\partial_\mu(\varphi^{\dagger i}\varphi_i). \end{aligned} \tag{70.63}

最后一步只把第一项中的虚指标i,ji,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RR\overline R\otimes 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=FμνaTaF_{\mu\nu}=F_{\mu\nu}^aT^a, 并让微分算符作用于任意光滑测试多重态h(x)h(x)。 对易子[Dρ,Fμν][D_\rho,F_{\mu\nu}]是算符对易子; 把Dρ=ρigAρD_\rho=\partial_\rho-igA_\rho实际作用到FμνhF_{\mu\nu}h上, 有

[Dρ,Fμν]h=ρ(Fμνh)igAρFμνhFμν(ρhigAρh)=[ρFμνig(AρFμνFμνAρ)]h=(DρadFμν)h.(70.64)\begin{aligned} \relax [D_\rho,F_{\mu\nu}]h &=\partial_\rho(F_{\mu\nu}h)-igA_\rho F_{\mu\nu}h -F_{\mu\nu}(\partial_\rho h-igA_\rho h)\\ &=\bigl[\partial_\rho F_{\mu\nu} -ig(A_\rho F_{\mu\nu}-F_{\mu\nu}A_\rho)\bigr]h\\ &=(D_\rho^{\rm ad}F_{\mu\nu})h . \end{aligned} \tag{70.64}

ρh\partial_\rho h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(T_A^a)_{cb}=-if^{acb},得到

(DρadFμν)c=ρFμνc+gfabcAρaFμνb=ρFμνcigAρa(TAa)cbFμνb.(70.65)\begin{aligned} (D_\rho^{\rm ad}F_{\mu\nu})^c &=\partial_\rho F_{\mu\nu}^c +g f^{abc}A_\rho^aF_{\mu\nu}^b\\ &=\partial_\rho F_{\mu\nu}^c -igA_\rho^a(T_A^a)_{cb}F_{\mu\nu}^b . \end{aligned} \tag{70.65}

第二行中(i)(i)=1(-i)(-i)=-1, 再用facb=fabcf^{acb}=-f^{abc},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]]=DμDνDρDμDρDνDνDρDμ+DρDνDμ+DνDρDμDνDμDρDρDμDν+DμDρDν+DρDμDνDρDνDμDμDνDρ+DνDμDρ=0.(70.66)\begin{aligned} \mathcal J :={}&[D_\mu,[D_\nu,D_\rho]] +[D_\nu,[D_\rho,D_\mu]] +[D_\rho,[D_\mu,D_\nu]]\\ ={}&D_\mu D_\nu D_\rho-D_\mu D_\rho D_\nu -D_\nu D_\rho D_\mu+D_\rho D_\nu D_\mu\\ &+D_\nu D_\rho D_\mu-D_\nu D_\mu D_\rho -D_\rho D_\mu D_\nu+D_\mu D_\rho D_\nu\\ &+D_\rho D_\mu D_\nu-D_\rho D_\nu D_\mu -D_\mu D_\nu D_\rho+D_\nu D_\mu D_\rho=0 . \end{aligned} \tag{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DD彼此对易。 场强的定义Fνρ=(i/g)[Dν,Dρ]F_{\nu\rho}=(i/g)[D_\nu,D_\rho] 等价于[Dν,Dρ]=igFνρ[D_\nu,D_\rho]=-igF_{\nu\rho}。 将其代入上式,再用式(70.64), 得到

0=ig(DμadFνρ+DνadFρμ+DρadFμν),0=(DμFνρ)a+(DνFρμ)a+(DρFμν)a.(70.67)\begin{aligned} 0&=-ig\bigl(D_\mu^{\rm ad}F_{\nu\rho} +D_\nu^{\rm ad}F_{\rho\mu} +D_\rho^{\rm ad}F_{\mu\nu}\bigr),\\ 0&=(D_\mu F_{\nu\rho})^a +(D_\nu F_{\rho\mu})^a +(D_\rho F_{\mu\nu})^a . \end{aligned} \tag{70.67}

在第二行先按g0g\ne0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=0g=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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文章标题:Srednicki §70 群表示

文章作者:Whitney

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