Lorents guruhi - Lorentz group

Xendrik Antuan Lorents (1853-1928), uning nomi Lorents guruhi deb nomlangan.

Yilda fizika va matematika, Lorents guruhi bo'ladi guruh hammasidan Lorentsning o'zgarishi ning Minkovskiyning bo'sh vaqti, klassik va kvant hamma uchun sozlash (gravitatsiyaviy bo'lmagan) jismoniy hodisalar. Lorents guruhi Golland fizik Xendrik Lorents.

Masalan, Lorents simmetriyasiga quyidagi qonunlar, tenglamalar va nazariyalar hurmat qiladi:

The kinematik qonuniyatlar ning maxsus nisbiylik
Maksvellning maydon tenglamalari nazariyasida elektromagnetizm
The Dirak tenglamasi nazariyasida elektron
The Standart model zarralar fizikasi

Lorents guruhi asosiy narsani ifoda etadi simmetriya hamma ma'lum bo'lgan asosiy makon va vaqt tabiat qonunlari. Yilda umumiy nisbiylik fizika, tortishish dispersiyalari ahamiyatsiz bo'lgan kosmos vaqtining etarlicha kichik mintaqalari bilan bog'liq bo'lgan holatlarda, jismoniy qonunlar Lorentsning o'ziga xos nisbiylik fizikasi singari o'zgarmasdir.

Asosiy xususiyatlar

Lorents guruhi a kichik guruh ning Puankare guruhi - hamma guruh izometriyalar ning Minkovskiyning bo'sh vaqti. Lorents transformatsiyalari, aniqrog'i, kelib chiqishni aniq qoldiradigan izometriyalar. Shunday qilib, Lorents guruhi izotropiya kichik guruhi ning izometriya guruhi Minkovskiy vaqtining. Shu sababli Lorents guruhini ba'zan bir hil Lorents guruhi Puankare guruhi esa ba'zan bir hil bo'lmagan Lorents guruhi. Lorentsning o'zgarishi bunga misoldir chiziqli transformatsiyalar; Minkovskiy vaqtining umumiy izometriyalari afinaviy transformatsiyalar.Matematik ravishda Lorents guruhini noaniq ortogonal guruh O (1,3), matritsa Yolg'on guruhi saqlaydi kvadratik shakl

{ displaystyle (t, x, y, z) mapsto t ^ {2} -x ^ {2} -y ^ {2} -z ^ {2}}

kuni R⁴. Ushbu kvadrat shakli matritsa shakliga qo'yilganda (qarang) klassik ortogonal guruh ), fizikada metrik tensor Minkovskiy vaqtining.

Lorents guruhi oltitadan iborato'lchovli ixcham emas abeliy bo'lmagan haqiqiy Yolg'on guruhi bu emas ulangan. To'rt ulangan komponentlar emas oddiygina ulangan.^[1] The hisobga olish komponenti (ya'ni, identifikatsiya elementini o'z ichiga olgan komponent) Lorents guruhining o'zi bir guruh bo'lib, ko'pincha cheklangan Lorents guruhi, va SO bilan belgilanadi⁺(1,3). Cheklangan Lorents guruhi Lorentsning o'zgarishini o'z ichiga oladi yo'nalish makon va vaqt yo'nalishi. Uning asosiy guruh buyurtmasi 2, va uning universal qopqog'i, noaniq spin guruhi Spin (1,3), ikkalasi uchun ham izomorfdir maxsus chiziqli guruh SL (2, C) va simpektik guruh Sp (2, C). Ushbu izomorfizmlar Lorents guruhiga fizika uchun muhim bo'lgan juda ko'p sonli matematik tuzilmalar ustida ishlashga imkon beradi, xususan spinorlar. Shunday qilib, ichida relyativistik kvant mexanikasi va kvant maydon nazariyasi, SL ga qo'ng'iroq qilish juda keng tarqalgan (2, CLorents guruhi, SO degan tushunchaga ega⁺(1,3) - bu uning o'ziga xos namoyishi (vektorli vakili). The biquaternionlar, mashhur geometrik algebra, SL ga nisbatan izomorfik (2, C).

Cheklangan Lorents guruhi ham paydo bo'ladi nuqta simmetriya guruhi aniq oddiy differentsial tenglama.^{[qaysi? ]}

Bog'langan komponentlar

2 o'lchovli bo'shliqdagi yorug'lik konusi va vaqt o'lchovi.

Chunki bu Yolg'on guruh, Lorents guruhi O (1,3) ikkala guruhdir va a sifatida topologik tavsifni tan oladi silliq manifold. Kollektor sifatida u to'rtta bog'langan tarkibiy qismga ega. Intuitiv ravishda, bu uning to'rtta topologik jihatdan ajratilgan qismdan iboratligini anglatadi.

To'rt ulangan komponentni ikkita transformatsiya xususiyati bo'yicha tasniflash mumkin, uning elementlari quyidagicha:

Lorentsning o'zgarishi natijasida ba'zi elementlar orqaga qaytariladi, masalan, kelajakka ishora qiladi vaqtga o'xshash vektor o'tgan vektorga teskari yo'naltirilgan bo'lar edi
Ba'zi elementlar yo'nalishni o'zgartiradi Lorentsning noto'g'ri o'zgarishlari, masalan, aniq vierbein (tetradlar)

Vaqt yo'nalishini saqlaydigan Lorents o'zgarishlari deyiladi orxron. Ortoxron transformatsiyalarning kichik guruhi ko'pincha O bilan belgilanadi⁺(1,3). Yo'nalishni saqlaydiganlar deyiladi to'g'riva chiziqli transformatsiyalar sifatida ular +1 determinantiga ega. (Noto'g'ri Lorents konvertatsiyalari determ1 determinantiga ega.) To'g'ri Lorents transformatsiyalarining kichik guruhi SO (1,3) bilan belgilanadi.

Lorentsning barcha yo'nalishlarini va vaqt yo'nalishini saqlab turuvchi kichik guruhi to'g'ri, ortoxron Lorents guruhi yoki cheklangan Lorents guruhi, va SO bilan belgilanadi⁺(1, 3). (E'tibor bering, ba'zi mualliflar SO degan ma'noni anglatganda SO (1,3) yoki hatto O (1,3) ga murojaat qilishadi⁺(1, 3).)

To'rt ulangan komponentlarning to'plamiga quyidagicha guruh tuzilishi berilishi mumkin kvant guruhi O (1,3) / SO⁺(1,3), bu izomorf bo'lgan Klein to'rt guruh. O (1,3) dagi har qanday elementni quyidagicha yozish mumkin yarim yo'nalishli mahsulot to'g'ri, ortoxron transformatsiya va ning elementi alohida guruh

{1, P, T, PT}

qayerda P va T ular tenglik va vaqtni qaytarish operatorlar:

P = diag (1, -1, -1, -1)

T = diag (-1, 1, 1, 1).

Shunday qilib, Lorentsning o'zboshimchalik bilan o'zgarishini to'rtta birlashtirilgan komponentlardan birini tanlab oladigan yana ikkita bitli ma'lumot bilan birga to'g'ri, ortoxron Lorents transformatsiyasi sifatida ko'rsatish mumkin. Ushbu naqsh cheklangan o'lchovli Yolg'on guruhlariga xosdir.

Cheklangan Lorents guruhi

Cheklangan Lorents guruhi hisobga olish komponenti Lorents guruhiga kiradi, ya'ni u a bilan identifikatorga ulanishi mumkin bo'lgan barcha Lorents transformatsiyalaridan iborat davomiy guruhda yotgan egri chiziq. Cheklangan Lorents guruhi ulangan oddiy kichik guruh to'liq Lorents guruhining bir xil o'lchamdagi guruhi, bu holda oltinchi o'lchov bilan.

Cheklangan Lorents guruhi oddiy tomonidan ishlab chiqarilgan fazoviy aylanishlar va Lorents kuchaytiradi (bu vaqtga o'xshash yo'nalishni o'z ichiga olgan giperbolik bo'shliqdagi aylanishlar ^[2]). Lorentzning ortoxronos o'zgarishi har qanday to'g'ri kelganligi sababli aylanma hosilasi sifatida yozilishi mumkin (tomonidan ko'rsatilgan 3 haqiqiy parametr ) va kuchaytirish (shuningdek, 3 ta haqiqiy parametr bilan belgilanadi), Lorentsning o'zboshimchalik bilan to'g'ri orxronik o'zgarishini ko'rsatish uchun 6 ta haqiqiy parametr kerak. Bu cheklangan Lorents guruhining olti o'lchovli ekanligini tushunishning bir usuli. (Shuningdek qarang Lorents guruhining yolg'on algebrasi.)

Barcha aylanishlarning to'plami a ni tashkil qiladi Yolg'onchi kichik guruh oddiy uchun izomorf aylanish guruhi SO (3). Biroq, barcha kuchaytirishlarning to'plami buni amalga oshiradi emas kichik guruhni tashkil eting, chunki ikkita kuchaytirishni tuzish, umuman olganda, boshqa kuchayishga olib kelmaydi. (Aksincha, chiziqli bo'lmagan juftlik ko'tarish va aylanishga tengdir va bu bilan bog'liq Tomasning aylanishi.) Qandaydir yo'nalishdagi o'sish yoki ba'zi bir o'q atrofida aylanish natijasida a hosil bo'ladi bitta parametrli kichik guruh.

Transitivit yuzalari

Bir varaqning giperboloidi

Umumiy konusning yuzasi

Ikki varaqning giperboloidi

Agar guruh bo'lsa $G$ bo'shliqda harakat qiladi $V$ , keyin sirt $S \subset V$ a tranzitivlik yuzasi agar $S$ ostida o'zgarmasdir $G$ , ya'ni, $\forall g \in G, \forall s \in S : gs \in S$ va istalgan ikkita nuqta uchun $s 1, s 2 \in S$ bor $g \in G$ shu kabi $gs 1 = s 2$ . Lorents guruhining ta'rifi bo'yicha u kvadratik shaklni saqlaydi

{ displaystyle Q (x) = x_ {0} ^ {2} -x_ {1} ^ {2} -x_ {2} ^ {2} -x_ {3} ^ {2}.}

Ortoxron Lorents guruhining tranzitivligi sirtlari $O + (1, 3)$ , $Q (x) = const.$ bo'sh vaqt quyidagilar:^[3]

$Q (x)> 0, x 0 > 0$ a ning yuqori bo'lagi giperboloid ikki varaqdan. Ushbu varaqdagi ballar kelib chiqishi bilan kelajak tomonidan ajratilgan vaqtga o'xshash vektor.
$Q (x)> 0, x 0 < 0$ bu giperboloidning pastki shoxidir. Ushbu varaqdagi fikrlar o'tmishda vaqtga o'xshash vektorlar.
$Q (x) = 0, x 0 > 0$ ning yuqori shoxidir engil konus, kelajakdagi nurli konus.
$Q (x) = 0, x 0 < 0$ yorug'lik konusining pastki filiali, o'tgan yorug'lik konusidir.
$Q (x) < 0$ bitta varaqning giperboloididir. Ushbu varaqdagi fikrlar kosmosga o'xshash kelib chiqishidan ajratilgan.
Kelib chiqishi $x 0 = x 1 = x 2 = x 3 = 0$ .

Ushbu yuzalar $3$ - o'lchovli, shuning uchun tasvirlar sodiq emas, lekin ular haqida tegishli faktlar uchun sodiqdir $O + (1, 2)$ . To'liq Lorents guruhi uchun transitivlik sirtlari transformatsiyadan beri atigi to'rttadir $T$ giperboloidning yuqori konusini (konusning) pastki qismiga olib boradi va aksincha.

Ushbu kuzatishlar barchani topish uchun yaxshi boshlanish nuqtasini tashkil etadi cheksiz o'lchovli unitar vakolatxonalar usulidan foydalangan holda Lorents guruhi, aslida Puankare guruhi kelib chiqadigan vakolatxonalar.^[4] Ulardan biri "standart vektor" bilan boshlanadi, har bir tranzitivlik yuzasi uchun bittadan, so'ngra qaysi vektorni ushbu kichik guruh saqlayotganini so'rang. Ushbu kichik guruhlar deyiladi kichik guruhlar fiziklar tomonidan. Keyinchalik bu muammo kichik guruhlarning vakillarini topish osonroq muammoga aylantirildi. Masalan, ikkita varaqning giperbolalaridan biridagi standart vektor mos ravishda tanlanishi mumkin $(m, 0, 0, 0)$ . Har biriga $m \neq 0$ , vektor to'liq bitta varaqni teshadi. Bu holda kichik guruh $SO (3)$ , aylanish guruhi, ularning barcha vakolatxonalari ma'lum. Zarrachani o'zgartiradigan aniq cheksiz o'lchovli unitar tasvir uning tasnifining bir qismidir. Hamma tasvirlar fizik zarrachalarga to'g'ri kelmasligi mumkin (ma'lumki). Bir varaqli giperbolalardagi standart vektorlar mos keladi taxyonlar. Yorug'lik konusidagi zarralar fotonlar va taxminlarga ko'ra gravitonlar. Kelib chiqishiga mos keladigan "zarracha" vakuumdir.

Gomomorfizmlar va izomorfizmlar

Boshqa bir qancha guruhlar cheklangan Lorents guruhi SO ga nisbatan gomomorfik yoki izomorfikdir⁺(1, 3). Ushbu gomomorfizmlar fizikadagi turli xil hodisalarni tushuntirishda asosiy rol o'ynaydi.

The maxsus chiziqli guruh SL (2,C) a ikki qavatli qoplama Lorents guruhining. Ushbu munosabatlar .ni ifodalash uchun keng qo'llaniladi Lorentsning o'zgarmasligi ning Dirak tenglamasi va ning kovaryansiyasi spinorlar.
The simpektik guruh Sp (2,C) SL ga izomorfik (2,C); u qurish uchun ishlatiladi Weyl spinors, shuningdek, spinorlarning massasi qanday bo'lishi mumkinligini tushuntirish.
The Spin guruhi Spin (1,3) SL ga izomorfik (2,C); u spin va spinorlarni so'zlar nuqtai nazaridan tushuntirish uchun ishlatiladi Klifford algebra Shunday qilib, Lorents guruhini umumiy parametrlarga qanday umumlashtirish kerakligini aniq ko'rsatib beradi Riemann geometriyasi, shu jumladan supergravitatsiya va torlar nazariyasi.
Cheklangan Lorents guruhi izomorfik uchun proektsion maxsus chiziqli guruh PSL (2,C), bu esa, o'z navbatida, uchun izomorfdir Mobius guruhi, simmetriya guruhi ning konformal geometriya ustida Riman shar. Ushbu munosabatlar Lorents guruhining kichik guruhlarini Mobius guruhi uchun ishlab chiqilgan avvalgi tasniflash sxemasi bo'yicha tasniflashda asosiy o'rinni egallaydi.

Weyl vakili

The Weyl vakili yoki spinor xaritasi juftligi shubhali homomorfizmlar SL dan (2,C) SO ga⁺(1,3). Ular ostida mos keladigan juftlikni hosil qiladi tenglik chapga va o'ngga mos keladigan transformatsiyalar chiral spinorlar.

SL (2,C) Minkovskiydagi bo'sh vaqtni ikki-ikkitadan qilib yozib Ermit matritsasi shaklida

{ displaystyle { overline {X}} = { begin {bmatrix} t + z & x-iy x + iy & t-z end {bmatrix}} = t1 ! ! 1 + x sigma _ {x} + y sigma _ {y} + z sigma _ {z} = t1 ! ! 1 + { vec {x}} cdot { vec { sigma}}}

xususida Pauli matritsalari.Bu taqdimot, Veyl taqdimoti, qoniqtiradi

{ displaystyle det , { overline {X}} = t ^ {2} -x ^ {2} -y ^ {2} -z ^ {2}.}

Shuning uchun, Ermit matritsalarining bo'shliqini aniqladilar (bu to'rt o'lchovli, a haqiqiy vektor maydoni) Minkovskiy bilan vaqt oralig'ida, shunday qilib aniqlovchi Ermit matritsasining qiymati - Minkovskiyning bo'sh vaqtidagi mos keladigan vektorning kvadrat uzunligi. Element ${ displaystyle S in SL (2, mathbb {C})}$ orqali Ermit matritsalari fazosida harakat qiladi

{ displaystyle { overline {X}} mapsto S { overline {X}} S ^ { dagger} ~,}

qayerda ${ displaystyle S ^ { xanjar}}$ bo'ladi Hermitian transpozitsiyasi ning ${ displaystyle S}$ . Ushbu harakat determinantni saqlaydi va shuning uchun SL (2,C) Minkovskiy vaqt oralig'ida (chiziqli) izometriyalar bilan ishlaydi. Yuqoridagilarning paritetga teskari shakli

{ displaystyle X = t1 ! ! 1 - { vec {x}} cdot { vec { sigma}}}

sifatida o'zgaradi

{ displaystyle X mapsto (S ^ {- 1}) ^ { xanjar} XS ^ {- 1}}

Bu to'g'ri transformatsiya ekanligini ta'kidlab, quyidagicha

{ displaystyle { overline {X}} X = (t ^ {2} - { vec {x}} cdot { vec {x}}) 1 ! ! 1 = (t ^ {2} - x ^ {2} -y ^ {2} -z ^ {2}) 1 ! ! 1}

yuqoridagi juft o'zgarishlar ostida o'zgarmas bo'lib qoladi.

Ushbu xaritalar shubhali va yadro xaritadan ikkitasi kichik guruh ±Men. Tomonidan birinchi izomorfizm teoremasi, PSL guruhi (2,C) = SL (2,C) / {±Men} SO uchun izomorfdir⁺(1,3).

Paritet xaritasi ushbu ikkita qoplamani almashtiradi. Bu Hermit konjugatsiyasiga avtomorfizm bo'lishiga mos keladi ${ displaystyle SL (2, mathbb {C}).}$ Ushbu ikkita aniq qoplama ikkiga to'g'ri keladi chiral Lorents guruhining harakatlari spinorlar. Nishonlanmagan shakl, o'ng tomonga o'girilgan spinorlarga mos keladi ${ displaystyle psi _ {R} mapsto S psi _ {R} ~,}$ overline shakli esa chap tomonga o'girilgan spinorlarga mos keladi ${ displaystyle psi _ {L} mapsto (S ^ { xanjar}) ^ {- 1} psi _ {L} ~.}$ ^[a]

Ushbu juft qoplamani bajarishini kuzatish muhimdir emas kvantlashdan omon qolish; kvantlanganida, bu o'ziga xos hodisaga olib keladi chiral anomaliya. Klassik (ya'ni Lorents guruhining kvantlanmagan) simmetriyalari kvantlash orqali buziladi; bu mazmuni Atiya - Singer indeks teoremasi.

Notatsion konvensiyalar

Fizikada Lorentsning o'zgarishini belgilash odatiy holdir ${^ displaystyle Lambda SO ^ {+} (1,3)} da$ kabi ${ displaystyle { Lambda ^ { mu}} _ { nu} ~,}$ shu bilan matritsani bo'sh vaqt indekslari bilan ko'rsatish ${ displaystyle mu, nu = 0,1,2,3.}$ Pauli matritsalaridan to'rtta vektorni ikki xil usulda yaratish mumkin: kabi ${ displaystyle sigma ^ { mu} = (I, { vec { sigma}})}$ va kabi ${ displaystyle { overline { sigma}} ^ { mu} = (I, - { vec { sigma}}) ~.}$ Ikkala shakl a bilan bog'liq paritetni o'zgartirish. Yozib oling ${ displaystyle { overline { sigma}} _ { mu} = sigma ^ { mu} ~.}$

Lorentsning o'zgarishi berilgan ${ displaystyle x ^ { mu} mapsto x ^ { prime mu} = { Lambda ^ { mu}} _ { nu} x ^ { nu} ~,}$ ortoxron Lorents guruhining ikki qavatli qoplamasi ${ displaystyle S in SL (2, mathbb {C})}$ yuqorida yozilgan sifatida yozilishi mumkin

{ displaystyle x ^ { prime mu} { overline { sigma}} _ { mu} = { overline { sigma}} _ { mu} { Lambda ^ { mu}} _ { nu} x ^ { nu} = Sx ^ { nu} { overline { sigma}} _ { nu} S ^ { xanjar}}

Tushirish ${ displaystyle x ^ { mu}}$ bu shaklni oladi

{ displaystyle { overline { sigma}} _ { mu} { Lambda ^ { mu}} _ { nu} = S { overline { sigma}} _ { nu} S ^ { xanjar }}

Paritet konjuge shakli

{ displaystyle sigma _ { mu} { Lambda ^ { mu}} _ { nu} = (S ^ {- 1}) ^ { xanjar} sigma _ { nu} S ^ {- 1 }}

Isbot

Yuqoridagi ko'rsatkichlar indekslangan yozuvlar uchun to'g'ri shakl ekanligi darhol aniq emas, chunki indekslangan notatsiyada ishlaganda Lorents konvertatsiyasini teskari yoki teskari bilan tasodifan aralashtirib yuborish juda oson. Bu chalkashlik shaxs tufayli yuzaga keladi ${ displaystyle eta Lambda ^ {T} eta = Lambda ^ {- 1}}$ indekslangan shaklda yozilganda tanib olish qiyin. Lorentsning o'zgarishi emas Lorents o'zgarishi ostida tensorlar! Shunday qilib, ushbu shaxsning to'g'ridan-to'g'ri isboti uning to'g'riligini aniqlash uchun foydalidir. Uni shaxsiyatdan boshlab namoyish etish mumkin

{ displaystyle omega sigma ^ {k} omega ^ {- 1} = - ( sigma ^ {k}) ^ {T} = - ( sigma ^ {k}) ^ {*}}

qayerda ${ displaystyle k = 1,2,3}$ shuning uchun yuqoridagi odatiy Pauli matritsalari va ${ displaystyle ( cdot) ^ {T}}$ matritsa transpozitsiyasi va ${ displaystyle ( cdot) ^ {*}}$ murakkab konjugatsiya. Matritsa ${ displaystyle omega}$ bu

{ displaystyle omega = i sigma _ {2} = { begin {bmatrix} 0 & 1 - 1 & 0 end {bmatrix}}}

To'rt vektor sifatida yozilgan, munosabatlar

{ displaystyle sigma _ { mu} ^ {T} = sigma _ { mu} ^ {*} = omega { overline { sigma}} _ { mu} omega ^ {- 1}}

Bu shunday o'zgaradi

{ displaystyle { begin {aligned} sigma _ { mu} ^ {T} { Lambda ^ { mu}} _ { nu} & = omega { overline { sigma}} _ { mu } omega ^ {- 1} { Lambda ^ { mu}} _ { nu} & = omega S ; { overline { sigma}} _ { nu} , S ^ { xanjar} omega ^ {- 1} & = ( omega S omega ^ {- 1}) , ( omega { overline { sigma}} _ { nu} omega ^ {- 1} ) , ( omega S ^ { xanjar} omega ^ {- 1}) & = (S ^ {- 1}) ^ {T} , sigma _ { nu} ^ {T} , (S ^ {- 1}) ^ {*} end {hizalanmış}}}

Yana bitta transpozitsiyani olgach, bittasi oladi

{ displaystyle sigma _ { mu} { Lambda ^ { mu}} _ { nu} = (S ^ {- 1}) ^ { xanjar} sigma _ { nu} S ^ {- 1 }}

Simpektik guruh

The simpektik guruh Sp (2,C) SL ga izomorfik (2,C). Ushbu izomorfizm a ni saqlab qolish uchun tuzilgan simpektik bilinear shakl kuni ${ displaystyle mathbb {C} ^ {2},}$ Lorents o'zgarishi ostida shaklni o'zgarmas qoldirish. Bu quyidagicha ifodalanishi mumkin. Simpektik guruh quyidagicha ta'riflanadi

{ displaystyle Sp (2, mathbb {C}) = {S in GL (2, mathbb {C}): S ^ {T} omega S = omega }}

qayerda

{ displaystyle omega = i sigma _ {2} = { begin {bmatrix} 0 & 1 - 1 & 0 end {bmatrix}}}

Boshqa keng tarqalgan yozuvlar ${ displaystyle omega = epsilon}$ ushbu element uchun; ba'zan ${ displaystyle J}$ ishlatiladi, ammo bu g'oya bilan chalkashliklarni keltirib chiqaradi deyarli murakkab tuzilmalar, ular bir xil emas, chunki ular turlicha o'zgaradi.

Bir juft Weyl spinori berilgan (ikki komponentli spinors)

{ displaystyle u = { begin {bmatrix} u_ {1} u_ {2} end {bmatrix}} ~, quad v = { begin {bmatrix} v_ {1} v_ {2} oxiri {bmatrix}}}

o'zgarmas bilinear shakl shartli ravishda shunday yoziladi

{ displaystyle langle u, v rangle = - langle v, u rangle = u_ {1} v_ {2} -u_ {2} v_ {1} = u ^ {T} omega v}

Ushbu forma Lorents guruhi ostida o'zgarmasdir, shuning uchun ${ displaystyle S in SL (2, mathbb {C})}$ bittasi bor

{ displaystyle langle Su, Sv rangle = langle u, v rangle}

Bu spinorlarning "skalar mahsuloti" turini belgilaydi va odatda Lorents-invariantni aniqlashda ishlatiladi. massa muddat Lagrangiyaliklar. Fizika uchun muhim bo'lgan bir nechta e'tiborga loyiq xususiyatlar mavjud. Ulardan biri ${ displaystyle omega ^ {2} = - 1}$ va hokazo ${ displaystyle omega ^ {- 1} = omega ^ {T} = omega ^ { xanjar} = - omega}$

Aniqlovchi munosabati quyidagicha yozilishi mumkin

{ displaystyle omega S ^ {T} omega ^ {- 1} = S ^ {- 1}}

Lorents guruhi uchun aniqlanadigan munosabatlarga juda o'xshash

{ displaystyle eta Lambda ^ {T} eta ^ {- 1} = Lambda ^ {- 1}}

qayerda ${ displaystyle eta = mathrm {diag} (+ 1, -1, -1, -1)}$ bo'ladi metrik tensor uchun Minkovskiy maydoni va, albatta, $SO (1,3) da { displaystyle Lambda }$ oldingi kabi.

Guruhlarni qamrab olish

Beri SL (2,C) shunchaki bog'langan, bu universal qoplama guruhi cheklangan Lorents guruhining SO⁺(1, 3). Cheklovga ko'ra, homomorfizm mavjud SU (2) → SO (3). Mana maxsus unitar guruh Birlik guruhiga izomorf bo'lgan SU (2) norma kvaternionlar, shuningdek, oddiygina bog'langan, shuning uchun SO (3) aylanish guruhining qoplovchi guruhi. Ularning har biri xaritalarni qamrab olish Ikkita qopqoq, ya'ni har ikkala elementning har ikkala elementiga guruh guruhining aniq ikkita elementi. Ko'pincha cheklangan Lorents guruhi va rotatsiya guruhi deyishadi ikki marta ulangan. Bu degani asosiy guruh har bir guruhning izomorfik ikki elementga tsiklik guruh Z₂.

Ikki tomonlama qoplamalar xarakterlidir spin guruhlari. Haqiqatan ham, er-xotin qoplamalardan tashqari

Spin⁺(1, 3) = SL (2, C) → SO⁺(1, 3)

Spin (3) = SU (2) → SO (3)

bizda ikkita qoplama bor

PIN (1, 3) → O (1, 3)

Spin (1, 3) → SO (1, 3)

Spin⁺(1, 2) = SU (1, 1) → SO (1, 2)

Ushbu spinorial er-xotin qoplamalar dan qurilgan Klifford algebralari.

Topologiya

Ikki qavatli qoplamada chap va o'ng guruhlar

SU (2) → SO (3)

bor deformatsiyaning orqaga tortilishi ikki tomonlama qoplamada navbati bilan chap va o'ng guruhlarning

SL (2,C) → SO⁺(1,3).

Ammo SO bir hil bo'shliq⁺(1,3) / SO (3) bo'ladi gomeomorfik ga giperbolik 3 bo'shliq H³, shuning uchun biz cheklangan Lorents guruhini a sifatida namoyish etdik asosiy tola to'plami SO (3) va H asosli tolalar bilan³. Ikkinchisi gomomorfik bo'lganligi sababli R³, SO (3) esa uch o'lchovli gomomorfdir haqiqiy proektsion makon RP³, biz cheklangan Lorents guruhi ekanligini ko'ramiz mahalliy hosilasiga nisbatan gomomorfik RP³ bilan R³. Asosiy bo'shliq qisqarishi mumkin bo'lganligi sababli, uni global gomomorfizmga qadar kengaytirish mumkin.^{[tushuntirish kerak ]}

Kuchaytirish va aylanishlarni generatorlari

Lorents guruhini .ning kichik guruhi deb hisoblash mumkin diffeomorfizm guruhi ning R⁴ va shuning uchun uning Lie algebrasini vektor maydonlari bilan aniqlash mumkin R⁴. Xususan, bo'shliqda izometriya hosil qiladigan vektorlar uning Vektorlarni o'ldirish uchun qulay alternativani taqdim etadi chap-o'zgarmas vektor maydoni Lie algebrasini hisoblash uchun. Biz oltita generatorlar to'plamini yozishimiz mumkin:

Vektorli maydonlar yoniq R⁴ uchta aylanish hosil qiladi men J,
${ displaystyle -y kısalt _ {x} + x qismli _ {y} ekviv iJ_ {z} ~, qquad -z qisman _ {y} + y qisman _ {z} tenglik iJ_ {x } ~, qquad -x qismli _ {z} + z qismli _ {x} equiv iJ_ {y} ~;}$
Vektorli maydonlar yoniq R⁴ uchta kuchaytirishni keltirib chiqaradi men K,
${ displaystyle x kısalt _ {t} + t qismli _ {x} ekviv iK_ {x} ~, qquad y qisman _ {t} + t qismli _ {y} tenglik iK_ {y} ~ , qquad z qismli _ {t} + t qisman _ {z} equiv iK_ {z}.}$

Bu erda bitta parametrli guruhni qanday olish kerakligini qisqacha eslab qolish foydali bo'lishi mumkin vektor maydoni, birinchi tartib shaklida yozilgan chiziqli qisman differentsial operator kabi

{ displaystyle -y kısalt _ {x} + x qismli _ {y}.}

Tegishli dastlabki qiymat muammosi

{ displaystyle { frac { qismli x} { qismli lambda}} = - y, ; { frac { qisman y} { qismli lambda}} = x, ; x (0) = x_ {0}, ; y (0) = y_ {0}.}

Qarorni yozish mumkin

{ displaystyle x ( lambda) = x_ {0} cos ( lambda) -y_ {0} sin ( lambda), ; y ( lambda) = x_ {0} sin ( lambda) + y_ {0} cos ( lambda)}

yoki

{ displaystyle { begin {bmatrix} t x y z end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 0 & cos ( lambda) & - sin ( lambda) & 0 0 & sin ( lambda) & cos ( lambda) & 0 0 & 0 & 0 & 1 & end {bmatrix}} { begin {bmatrix} t_ {0} x_ {0} y_ {0} z_ {0} end {bmatrix}}}

bu erda biz bitta parametrli matritsali rotatsiyalar guruhini oson taniymiz exp (i λ J_z) z o'qi haqida.

Guruh parametriga qarab farqlash $λ$ va uni sozlash λNatijada 0, biz standart matritsani tiklaymiz,

{ displaystyle iJ_ {z} = { begin {bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 0 & 0 & -1 & 0 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 0 & 0 & 0 end {bmatrix}} ~,}

bu biz boshlagan vektor maydoniga to'g'ri keladi. Bu Lie algebra elementlarining matritsali va vektorli maydon tasvirlari o'rtasida qanday o'tishni tasvirlaydi. The eksponent xarita bu nafaqat Lorents guruhi uchun, balki umuman yolg'on guruhlari uchun ham alohida rol o'ynaydi.

Oldingi qismdagi protsedurani o'zgartirib, olti generatorimizga mos keladigan Mobiyus transformatsiyalari eksponentlashtirishdan kelib chiqishini ko'ramiz. η/ 2 (uchta kuchaytirish uchun) yoki iθ/ 2 (uchta aylantirish uchun) uch marta Pauli matritsalari

{ displaystyle sigma _ {1} = { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}}, ; ; sigma _ {2} = { begin {bmatrix} 0 & -i i & 0 end {bmatrix}}, ; ; sigma _ {3} = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & -1 end {bmatrix}}.}

Konjugatsiya darslari

Chunki cheklangan Lorents guruhi SO⁺(1, 3) Mobius guruhi PSL uchun izomorfdir (2,C), uning konjugatsiya darslari shuningdek, beshta sinfga bo'linadi:

Elliptik transformatsiyalar
Giperbolik transformatsiyalar
Loksodromik transformatsiyalar
Parabolik transformatsiyalar
Arzimas narsa shaxsiyat transformatsiya

Haqida maqolada Mobiusning o'zgarishi, ushbu tasnifning qanday paydo bo'lishi sobit nuqtalar bu erda mos keladigan Riman sferasiga ta'sirida Mobius o'zgarishlarining bekor o'z maydonlari cheklangan Lorents o'zgarishlarining Minkovskiy vaqt oralig'idagi harakatlarida.

Har bir turga misol quyidagi effektlar bilan birga quyi bo'limlarda keltirilgan bitta parametrli kichik guruh u hosil qiladi (masalan, tungi osmon paydo bo'lishi to'g'risida).

Mobiusning o'zgarishi bu konformal transformatsiyalar Riman sharining (yoki samoviy sharning). Keyin o'zboshimchalik bilan SL (2,C) o'z navbatida o'zboshimchalik bilan elliptik, giperbolik, loxodromik va parabolik (cheklangan) Lorents konvertatsiyalarining quyidagi misollarini oladi. Ga ta'siri oqim chiziqlari mos keladigan bitta parametrli kichik guruhlarning ayrimlari konformal transformatsiyalar orqali misollarda ko'rilgan naqshni o'zgartirishdir. Masalan, elliptik Lorents kontseptsiyasi osmon sferasida istalgan ikkita aniq sobit nuqtaga ega bo'lishi mumkin, ammo nuqtalar aylana yoylari bo'ylab bir sobit nuqtadan ikkinchisiga qarab oqadi. Boshqa holatlar ham shunga o'xshash.

Elliptik

SL ning elliptik elementi (2,C)

{ displaystyle P_ {1} = { begin {bmatrix} exp chap ({ frac {i} {2}} theta right) & 0 0 & exp left (- { frac {i} {2}} theta right) end {bmatrix}}}

va belgilangan nuqtalari bor $ξ$ = 0, ∞. Harakatni quyidagicha yozish $X \mapsto P 1 X P 1 †$ va atamalarni yig'ib, spinor xaritasi buni Lorentsning o'zgarishiga (cheklangan) o'zgartiradi

{ displaystyle Q_ {1} = { begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 0 & cos ( theta) & - sin ( theta) & 0 0 & sin ( theta) & cos ( theta) & 0 0 & 0 & 0 & 1 end {bmatrix}} = exp left ( theta { begin {bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & 0 0 & 0 & -1 & 0 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 0 & 0 & 0 end {bmatrix}} o'ng) ~.}

Keyinchalik bu konvertatsiya $z$ eksa, exp ( $iθJ z$ ). U yaratadigan bitta parametrli kichik guruh olish yo'li bilan olinadi $θ$ doimiy o'rniga haqiqiy o'zgaruvchi, burilish burchagi bo'lish.

Samoviy sohaning mos keladigan doimiy o'zgarishlari (o'ziga xoslik bundan mustasno) barchasi bir xil ikkita sobit nuqtani, ya'ni Shimoliy va Janubiy qutblarni taqsimlaydi. O'zgarishlar boshqa barcha nuqtalarni kenglik doiralari bo'ylab harakatlantiradi, shunda bu guruh soat atrofida teskari yo'nalishda aylana hosil qiladi $z$ o'qi $θ$ ortadi. The burchakni ikki baravar oshirish spinor xaritasida yaqqol ko'rinib turadi spinorial er-xotin qoplamalar.

Giperbolik

SL ning giperbolik elementi (2,C)

{ displaystyle P_ {2} = { begin {bmatrix} exp chap ({ frac { eta} {2}} right) & 0 0 & exp left (- { frac { eta} {2}} right) end {bmatrix}}}

va belgilangan nuqtalari bor $ξ$ = 0, ∞. Riman sferasidan Evklid tekisligiga stereografik proyeksiya ostida ushbu Mobius transformatsiyasining ta'siri boshidan kengayish hisoblanadi.

Spinor xaritasi buni Lorents transformatsiyasiga o'zgartiradi

{ displaystyle Q_ {2} = { begin {bmatrix} cosh ( eta) & 0 & 0 & sinh ( eta) 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 1 & 0 sinh ( eta) & 0 & 0 & cosh ( eta) end {bmatrix}} = exp left ( eta { begin {bmatrix} 0 & 0 & 0 & 1 & 0 0 & 0 & 0 & 0 0 & 0 & 0 & 0 & 0 1 & 0 & 0 & 0 end {bmatrix}} o'ng) ~.}

Ushbu konvertatsiya $z$ o'qi bilan tezkorlik $η$ . U yaratadigan bitta parametrli kichik guruh olish yo'li bilan olinadi $η$ doimiy o'rniga haqiqiy o'zgaruvchi bo'lish. Samoviy sohaning mos keladigan doimiy o'zgarishlari (o'ziga xoslikdan tashqari) barchasi bir xil sobit nuqtalarni (shimoliy va janubiy qutblarni) taqsimlaydi va ular boshqa barcha nuqtalarni harakatga keltiradi uzunliklar janubiy qutbdan uzoq va shimoliy qutb tomon.

Loksodromik

SL ning loxodromik elementi (2,C)

{ displaystyle P_ {3} = P_ {2} P_ {1} = P_ {1} P_ {2} = { begin {bmatrix} exp left ({ frac {1} {2}} ( eta) + i theta) right) & 0 0 & exp left (- { frac {1} {2}} ( eta + i theta) right) end {bmatrix}}}

va belgilangan nuqtalari bor $ξ$ = 0, ∞. Spinor xaritasi buni Lorents transformatsiyasiga o'zgartiradi

{ displaystyle Q_ {3} = Q_ {2} Q_ {1} = Q_ {1} Q_ {2}.}

U yaratadigan bitta parametrli kichik guruhni almashtirish yo'li bilan olinadi η + iθ ushbu murakkab doimiyning istalgan haqiqiy ko'paytmasi bilan. (Agar η, θ mustaqil ravishda farq qiladi, keyin a ikki o'lchovli abeliya kichik guruhi haqida bir vaqtning o'zida aylanishlardan iborat bo'lib, olinadi $z$ o'qi va bo'ylab ko'tariladi $z$ -aksis; aksincha, bir o'lchovli Bu erda ko'rib chiqilgan kichik guruh ushbu ikki o'lchovli kichik guruhning elementlaridan iborat bo'lib, tezkorlik kuchaytirish va burchak aylanishning a belgilangan nisbat.)

Samoviy sohaning mos keladigan doimiy o'zgarishlari (o'ziga xoslik bundan mustasno) barchasi bir xil ikkita sobit nuqtani (shimoliy va janubiy qutblar) bo'lishadi. Ular boshqa barcha nuqtalarni janubiy qutbdan uzoqlashib, shimoliy qutb tomon (yoki aksincha), egri chiziqlar oilasi bo'ylab harakatlantiradi. loxodromlar. Har bir loxodrom har bir qutb atrofida cheksiz tez-tez aylanadi.

Parabolik

Parabolik element SL (2,C)

{ displaystyle P_ {4} = { begin {bmatrix} 1 & alfa 0 & 1 end {bmatrix}}}

va bitta sobit nuqtaga ega $ξ$ Riman sferasida =. Stereografik proektsiyada u odatdagidek ko'rinadi tarjima bo'ylab haqiqiy o'q.

Spinor xaritasi buni matritsaga o'zgartiradi (Lorentsning o'zgarishini ifodalaydi)

{ displaystyle { begin {aligned} Q_ {4} & = { begin {bmatrix} 1 + { frac {1} {2}} vert alpha vert ^ {2} & operatorname {Re} ( alfa) & operator nomi {Im} ( alfa) & - { frac {1} {2}} vert alpha vert ^ {2} operator nomi {Re} ( alfa) & 1 & 0 & - operator nomi {Re} ( alfa) - operator nomi {Im} ( alfa) va 0 va 1 va operator nomi {Im} ( alfa) { frac {1} {2}} vert alfa vert ^ {2 } va operator nomi {Re} ( alfa) & operator nomi {Im} ( alfa) va 1 - { frac {1} {2}} vert alfa vert ^ {2} end {bmatrix}}} [6pt] & = exp { begin {bmatrix} 0 & operatorname {Re} ( alpha) & operatorname {Im} ( alpha) & 0 operatorname {Re} ( alpha) & 0 & 0 & - operatorname {Re} ( alfa) - operator nomi {Im} ( alfa) & 0 va 0 & operator nomi {Im} ( alfa) 0 va operator nomi {Re} ( alfa) & operator nomi {Im} ( alfa) ) & 0 end {bmatrix}} ~. End {aligned}}}

Bu ikki parametrli abeliya kichik guruhini yaratadi, bu esa ko'rib chiqish yo'li bilan olinadi $a$ doimiy emas, balki murakkab o'zgaruvchi. Samoviy sohaning mos keladigan doimiy o'zgarishlari (identifikatsiyaning o'zgarishi bundan mustasno) barcha shimoliy qutbga tegib turgan doiralar oilasi bo'ylab nuqtalarni ma'lum darajaga ko'chiradi. katta doira. Shimoliy qutbdan boshqa barcha nuqtalar ushbu doiralar bo'ylab harakatlanadi.

Parabolik Lorents o'zgarishi ko'pincha chaqiriladi nol aylanishlar. Lorentsning noaniqlikning to'rtta o'zgarishi (elliptik, giperbolik, loksodromik, parabolik) eng kam tanish bo'lganligi sababli, bu erda parabolik Lorents konvertatsiyasi misolining Minkovskiy makoniga ta'sirini qanday aniqlash mumkinligi ko'rsatilgan.

Yuqorida keltirilgan matritsa transformatsiyani beradi

{ displaystyle { begin {bmatrix} t x y z end {bmatrix}} rightarrow { begin {bmatrix} t x y z end {bmatrix}} + operator nomi {Re} ( alfa) ; { begin {bmatrix} x tz 0 x end {bmatrix}} + operatorname {Im} ( alpha) ; { begin {bmatrix } y 0 zt y end {bmatrix}} + { frac { vert alpha vert ^ {2}} {2}} ; { begin {bmatrix} tz 0 0 tz end {bmatrix}}.}

Endi, umumiylikni yo'qotmasdan, tanlang $Im (a) = 0$ . Ushbu transformatsiyani hozirgi haqiqiy guruh parametrlariga nisbatan farqlash $a$ va baholash a= 0 mos keladigan vektor maydonini hosil qiladi (birinchi darajali chiziqli qisman differentsial operator),

{ displaystyle x , chap ( qismli _ {t} + qismli _ {z} o'ng) + (t-z) , qismli _ {x}.}

Buni funktsiyaga qo'llang $f (t, x, y, z)$ , va uning o'zgarmas bo'lishini talab qiling, ya'ni bu o'zgarish orqali yo'q qilinadi. Hosil bo'lgan birinchi tartibli chiziqli qismli differentsial tenglamaning echimi shaklida ifodalanishi mumkin

{ displaystyle f (t, x, y, z) = F chap (y, , t-z, , t ^ {2} -x ^ {2} -z ^ {2} right),}

qayerda $F$ bu o'zboshimchalik bilan silliq funktsiya. Ning dalillari $F$ uchta bering ratsional invariantlar ushbu parabolik o'zgarish ostida nuqtalar (hodisalar) qanday harakat qilishini tavsiflaydi, chunki ular o'zlari harakat qilmaydilar,

{ displaystyle y = c_ {1}, ~~~~ t-z = c_ {2}, ~~~~ t ^ {2} -x ^ {2} -z ^ {2} = c_ {3}.}

O'ng tomondagi barqarorlar uchun haqiqiy qiymatlarni tanlash uchta shartni keltirib chiqaradi va shu bilan Minkovskiy bo'sh vaqtidagi egri chiziqni belgilaydi. Ushbu egri chiziq transformatsiya orbitasidir.

Ratsional invariantlarning shakli shundan dalolat beradiki, bu oqim chiziqlari (orbitalar) oddiy tavsifga ega: inressentsial koordinatani bostirish $y$ , har bir orbit a ning kesishmasidir nol tekislik, $t = z + c 2$ , bilan giperboloid, $t 2 - x 2 - z 2 = v 3$ . Ish $v$ ₃ = 0 giperboloidni degeneratsiyadan o'tgan engil konusga, orbitalari esa mos null tekisliklarda yotgan parabolalarga aylanadi.

Yorug'lik konusida yotadigan ma'lum bir nol chiziq qoldirildi o'zgarmas; bu yuqorida aytib o'tilgan Riman sferasidagi noyob (qo'shaloq) sobit nuqtaga to'g'ri keladi. Boshlang'ich orqali boshqa bo'sh chiziqlar konusning atrofida "konusning atrofida aylanadi". Sifatida shunday bitta null chiziqning harakatidan so'ng $a$ ortishi yuqoridagi kabi osmon sferasidagi aylanma oqim chiziqlaridan biri bo'ylab bir nuqtaning harakatini kuzatishga to'g'ri keladi.

Tanlov $Qayta (a) = 0$ o'rniga, shunga o'xshash orbitalarni ishlab chiqaradi, endi rollari bilan $x$ va $y$ almashtirildi.

Parabolik transformatsiyalar massasiz zarrachalarning o'lchash simmetriyasiga olib keladi (masalan) fotonlar ) bilan merosxo'rlik | $h$ | ≥ 1. Yuqoridagi aniq misolda, ichida harakatlanadigan massasiz zarracha $z$ yo'nalish, shuning uchun 4 impuls bilan P=(p, 0, 0, p) ga umuman ta'sir qilmaydi $x$ - oshirish va $y$ - aylanish kombinatsiyasi $K x - J y$ quyida, uning harakatining "kichik guruhida" aniqlangan. Bu muhokama qilingan aniq transformatsiya qonunidan ko'rinib turibdi: har qanday nurga o'xshash vektor kabi, P o'zi endi o'zgarmasdir, ya'ni barcha izlari yoki ta'siri $a$ g'oyib bo'ldi. $v$ ₁ = $v$ ₂ = $v$ ₃ = 0, muhokama qilingan maxsus holatda. (Boshqa shunga o'xshash generator, $K y + J x$ shuningdek u va $J$ _z umuman izomorfik nurli vektorning kichik guruhini o'z ichiga oladi $E$ (2).)

Kecha osmonining ko'rinishi

Bu izomorfizmning natijasi shundaki, Riemann sferasidagi Mobiyus o'zgarishlari Lorents kontseptsiyalarining tungi osmon ko'rinishini o'zgartirishi, manevr qilayotgan kuzatuvchi tomonidan ko'rinib turibdi. relyativistik "sobit yulduzlar" ga nisbatan tezliklar.

Faraz qilaylik, "sobit yulduzlar" Minkovskiy fazoda yashaydilar va osmon sferasidagi nuqtalar bilan modellashtirilgan. Keyin osmon sharidagi berilgan nuqta bilan bog'lanish mumkin $b = u + iv$ , -dagi nuqtaga mos keladigan kompleks son Riman shar, va a bilan aniqlanishi mumkin nol vektor (a nurga o'xshash vektor ) Minkovskiy makonida

{ displaystyle { begin {bmatrix} u ^ {2} + v ^ {2} +1 2u - 2v u ^ {2} + v ^ {2} -1 end {bmatrix}} }

yoki Veyl vakili (spinor xaritasi) da Ermit matritsasi

{ displaystyle N = 2 { begin {bmatrix} u ^ {2} + v ^ {2} & u + iv u-iv & 1 end {bmatrix}}.}

A deb nomlangan ushbu nol vektorning haqiqiy skalar ko'paytmalari to'plami null chiziq kelib chiqishi orqali a ni ifodalaydi ko'rish chizig'i ma'lum bir joyda va vaqtdagi kuzatuvchidan (o'zboshimchalik bilan biz Minkovskiyning bo'sh vaqtining kelib chiqishini aniqlay olamiz) yulduzlar kabi har xil uzoq ob'ektlarga. U holda samoviy shar (ekvivalent ravishda, ko'rish liniyalari) ma'lum Hermit matritsalari bilan aniqlanadi.

Yolg'on algebra

Har qanday Lie guruhida bo'lgani kabi, Lorents guruhining ko'p jihatlarini o'rganishning foydali usuli bu Yolg'on algebra. Lorents guruhi SO (1,3) a bo'lganligi sababli matritsa Yolg'on guruhi, uning algebra so (1,3) matritsalar algebrasi bo'lib, u shunday hisoblanishi mumkin^[5]

{ displaystyle mathrm {so} (1,3) = chap {4 times 4 , mathrm {matrices} , X mid e ^ {tX} in mathrm {SO} (1,3) ) , mathrm {for} , mathrm {all} , t right }}

.

Agar ${ displaystyle eta}$ diagonal yozuvlari bo'lgan diagonali matritsa ${ displaystyle (1, -1, -1, -1)}$ , keyin u (1,3) Lie algebra iborat ${ displaystyle 4 marta 4}$ matritsalar ${ displaystyle X}$ shu kabi^[6]

{ displaystyle eta X eta = -X ^ {T}}

.

Shubhasiz, shuning uchun (1,3) quyidagilardan iborat ${ displaystyle 4 marta 4}$ shaklning matritsalari

{ displaystyle { begin {pmatrix} 0 & a & b & c a & 0 & d & e b & -d & 0 & f c & -e & -f & 0 end {pmatrix}}}

,

qayerda ${ displaystyle a, b, c, d, e, f}$ ixtiyoriy haqiqiy sonlar. Ushbu algebra olti o'lchovli. Undagi elementlardan tashkil topgan so (1,3) subalgebra ${ displaystyle a}$ , ${ displaystyle b}$ va ${ displaystyle c}$ teng nol so (3) ga izomorfik bo'ladi.

E'tibor bering, Lorents guruhi to'liq O (1,3), tegishli Lorents guruhi SO (1,3) va tegishli orxron Lorents guruhi ${ displaystyle mathrm {SO} ^ {+} (1,3)}$ barchasi bir xil Lie algebrasiga ega, bu odatda shunday belgilanadi (1,3).

Lorents guruhining identifikator komponenti SL (2, C) ning cheklangan qismi uchun izomorf bo'lganligi sababli (yuqoridagi Lorents guruhining Mobius guruhiga ulanishi bo'limiga qarang), Lorents guruhining Lie algebrasi Yolg'on algebra sl (2, C). Sl (2, C) murakkab Lie algebra sifatida qaralganda uch o'lchovli, ammo haqiqiy Lie algebra sifatida qaralganda olti o'lchovli ekanligini unutmang.

Mobius guruhining generatorlari

Mobiyus guruhiga izomorfizm orqali yana bir hosil qiluvchi to'plam paydo bo'ladi. Quyidagi jadvalda oltita generator ko'rsatilgan

Birinchi ustun Mobius harakati ostidagi oqim generatorini (Riman sferasidan stereografik proektsiyadan so'ng) haqiqiy vector field on the Euclidean plane.
The second column gives the corresponding one-parameter subgroup of Möbius transformations.
The third column gives the corresponding one-parameter subgroup of Lorentz transformations (the image under our homomorphism of preceding one-parameter subgroup).
The fourth column gives the corresponding generator of the flow under the Lorentz action as a real vector field on Minkowski spacetime.

Notice that the generators consist of

Two parabolics (null rotations)
One hyperbolic (boost in the ∂_z yo'nalish)
Three elliptics (rotations about the x, y, z axes, respectively)

Vector field on R²	One-parameter subgroup of SL(2,C), representing Möbius transformations	One-parameter subgroup of SO⁺(1,3), representing Lorentz transformations	Vector field on R⁴
Parabolik
${displaystyle partial _{u},!}$	${displaystyle {egin{bmatrix}1&alpha �&1end{bmatrix}}}$	${displaystyle {egin{bmatrix}1+{frac {1}{2}}alpha ^{2}&alpha &0&-{frac {1}{2}}alpha ^{2}alpha &1&0&-alpha �&0&1&0{frac {1}{2}}alpha ^{2}&alpha &0&1-{frac {1}{2}}alpha ^{2}end{bmatrix}}}$	${displaystyle {egin{aligned}X_{1}={}&x(partial _{t}+partial _{z})+&(t-z)partial _{x}end{aligned}}}$
${displaystyle partial _{v},!}$	${displaystyle {egin{bmatrix}1&ialpha �&1end{bmatrix}}}$	${displaystyle {egin{bmatrix}1+{frac {1}{2}}alpha ^{2}&0&alpha &-{frac {1}{2}}alpha ^{2}�&1&0&0alpha &0&1&-alpha {frac {1}{2}}alpha ^{2}&0&alpha &1-{frac {1}{2}}alpha ^{2}end{bmatrix}}}$	${displaystyle {egin{aligned}X_{2}={}&y(partial _{t}+partial _{z})+&(t-z)partial _{y}end{aligned}}}$
Giperbolik
${displaystyle {frac {1}{2}}left(upartial _{u}+vpartial _{v} ight)}$	${displaystyle {egin{bmatrix}exp left({frac {eta }{2}} ight)&0�&exp left(-{frac {eta }{2}} ight)end{bmatrix}}}$	${displaystyle {egin{bmatrix}cosh(eta )&0&0&sinh(eta )�&1&0&0�&0&1&0sinh(eta )&0&0&cosh(eta )end{bmatrix}}}$	${displaystyle X_{3}=zpartial _{t}+tpartial _{z},!}$
Elliptik
${displaystyle {frac {1}{2}}left(-vpartial _{u}+upartial _{v} ight)}$	${displaystyle {egin{bmatrix}exp left({frac {i heta }{2}} ight)&0�&exp left({frac {-i heta }{2}} ight)end{bmatrix}}}$	${displaystyle {egin{bmatrix}1&0&0&0�&cos( heta )&-sin( heta )&0�&sin( heta )&cos( heta )&0�&0&0&1end{bmatrix}}}$	${displaystyle X_{4}=-ypartial _{x}+xpartial _{y}}$
${displaystyle {frac {v^{2}-u^{2}-1}{2}}partial _{u}-uv,partial _{v}}$	${displaystyle {egin{bmatrix}cos left({frac { heta }{2}} ight)&-sin left({frac { heta }{2}} ight)sin left({frac { heta }{2}} ight)&cos left({frac { heta }{2}} ight)end{bmatrix}}}$	${displaystyle {egin{bmatrix}1&0&0&0�&cos( heta )&0&sin( heta )�&0&1&0�&-sin( heta )&0&cos( heta )end{bmatrix}}}$	${displaystyle X_{5}=-xpartial _{z}+zpartial _{x}}$
${displaystyle uv,partial _{u}+{frac {1-u^{2}+v^{2}}{2}}partial _{v}}$	${displaystyle {egin{bmatrix}cos left({frac { heta }{2}} ight)&isin left({frac { heta }{2}} ight)isin left({frac { heta }{2}} ight)&cos left({frac { heta }{2}} ight)end{bmatrix}}}$	${displaystyle {egin{bmatrix}1&0&0&0�&1&0&0�&0&cos( heta )&-sin( heta )�&0&sin( heta )&cos( heta )end{bmatrix}}}$	${displaystyle X_{6}=-zpartial _{y}+ypartial _{z}}$

Let's verify one line in this table. Bilan boshlang

{displaystyle sigma _{2}={egin{bmatrix}0&i-i&0end{bmatrix}}.}

Exponentiate:

{displaystyle exp left({frac {i heta }{2}},sigma _{2} ight)={egin{bmatrix}cos left({frac { heta }{2}} ight)&-sin left({frac { heta }{2}} ight)sin left({frac { heta }{2}} ight)&cos left({frac { heta }{2}} ight)end{bmatrix}}.}

This element of SL(2,C) represents the one-parameter subgroup of (elliptic) Möbius transformations:

{displaystyle xi mapsto xi '={frac {cos left({frac { heta }{2}} ight),xi -sin left({frac { heta }{2}} ight)}{sin left({frac { heta }{2}} ight),xi +cos left({frac { heta }{2}} ight)}}.}

Keyingisi,

{displaystyle left.{frac {dxi '}{d heta }} ight|_{ heta =0}=-{frac {1+xi ^{2}}{2}}.}

The corresponding vector field on C (thought of as the image of S² under stereographic projection) is

{displaystyle -{frac {1+xi ^{2}}{2}},partial _{xi }.}

Yozish ${displaystyle xi =u+iv}$ , this becomes the vector field on R²

{displaystyle -{frac {1+u^{2}-v^{2}}{2}},partial _{u}-uv,partial _{v}.}

Returning to our element of SL(2,C), writing out the action ${displaystyle Xmapsto PXP^{dagger }}$ and collecting terms, we find that the image under the spinor map is the element of SO⁺(1,3)

{displaystyle {egin{bmatrix}1&0&0&0�&cos( heta )&0&sin( heta )�&0&1&0�&-sin( heta )&0&cos( heta )end{bmatrix}}.}

Nisbatan farqlash $θ$ da $θ$ =0, yields the corresponding vector field on R⁴,

{displaystyle zpartial _{x}-xpartial _{z}.,!}

This is evidently the generator of counterclockwise rotation about the $y$ o'qi.

Subgroups of the Lorentz group

The subalgebras of the Lie algebra of the Lorentz group can be enumerated, up to conjugacy, from which the yopiq kichik guruhlar of the restricted Lorentz group can be listed, up to conjugacy. (See the book by Hall cited below for the details.) These can be readily expressed in terms of the generators ${ displaystyle X_ {n}}$ given in the table above.

The one-dimensional subalgebras of course correspond to the four conjugacy classes of elements of the Lorentz group:

${ displaystyle X_ {1}}$ generates a one-parameter subalgebra of parabolics SO(0,1),
${ displaystyle X_ {3}}$ generates a one-parameter subalgebra of boosts SO(1,1),
${ displaystyle X_ {4}}$ generates a one-parameter of rotations SO(2),
${displaystyle X_{3}+aX_{4}}$ (har qanday kishi uchun ${ displaystyle a neq 0}$ ) generates a one-parameter subalgebra of loxodromic transformations.

(Strictly speaking the last corresponds to infinitely many classes, since distinct ${ displaystyle a}$ give different classes.)The two-dimensional subalgebras are:

${displaystyle X_{1},X_{2}}$ generate an abelian subalgebra consisting entirely of parabolics,
${displaystyle X_{1},X_{3}}$ generate a nonabelian subalgebra isomorphic to the Lie algebra of the afin guruhi Aff(1),
${displaystyle X_{3},X_{4}}$ generate an abelian subalgebra consisting of boosts, rotations, and loxodromics all sharing the same pair of fixed points.

The three-dimensional subalgebras use the Byanki tasnifi sxema:

${displaystyle X_{1},X_{2},X_{3}}$ generate a Bianchi V subalgebra, isomorphic to the Lie algebra of Hom(2), the group of euclidean homotheties,
${displaystyle X_{1},X_{2},X_{4}}$ generate a Bianchi VII_0 subalgebra, isomorphic to the Lie algebra of E(2), the euclidean group,
${displaystyle X_{2},X_{2},X_{3}+aX_{4}}$ , qayerda ${ displaystyle a neq 0}$ , generate a Bianchi VII_a subalgebra,
${displaystyle X_{1},X_{3},X_{5}}$ generate a Bianchi VIII subalgebra, isomorphic to the Lie algebra of SL(2,R), the group of isometries of the giperbolik tekislik,
${displaystyle X_{4},X_{5},X_{6}}$ generate a Bianchi IX subalgebra, isomorphic to the Lie algebra of SO(3), the rotation group.

The Bianchi types refer to the classification of three-dimensional Lie algebras by the Italian mathematician Luidji Byanki.The four-dimensional subalgebras are all conjugate to

${displaystyle X_{1},X_{2},X_{3},X_{4}}$ generate a subalgebra isomorphic to the Lie algebra of Sim(2), the group of Euclidean similitudes.

The subalgebras form a lattice (see the figure), and each subalgebra generates by exponentiation a closed subgroup of the restricted Lie group. From these, all subgroups of the Lorentz group can be constructed, up to conjugation, by multiplying by one of the elements of the Klein four-group.

The lattice of subalgebras of the Lie algebra SO(1,3), up to conjugacy.

As with any connected Lie group, the coset spaces of the closed subgroups of the restricted Lorentz group, or bir hil bo'shliqlar, have considerable mathematical interest. A few, brief descriptions:

The group Sim(2) is the stabilizer of a null line, i.e., of a point on the Riemann sphere—so the homogeneous space SO⁺(1,3)/Sim(2) is the Kleinian geometry bu nimani anglatadi konformal geometriya on the sphere S².
The (identity component of the) Euclidean group SE(2) is the stabilizer of a nol vektor, so the homogeneous space SO⁺(1,3)/SE(2) is the impuls maydoni of a massless particle; geometrically, this Kleinian geometry represents the buzilib ketgan geometry of the light cone in Minkowski spacetime.
The rotation group SO(3) is the stabilizer of a timelike vector, so the homogeneous space SO⁺(1,3)/SO(3) is the impuls maydoni of a massive particle; geometrically, this space is none other than three-dimensional giperbolik bo'shliq H³.

Generalization to higher dimensions

The concept of the Lorentz group has a natural generalization to spacetime of any number of dimensions. Mathematically, the Lorentz group of n+1-dimensional Minkowski space is the noaniq ortogonal guruh O (n,1) of linear transformations of Rⁿ⁺¹ that preserves the quadratic form

{displaystyle (x_{1},x_{2},ldots ,x_{n},x_{n+1})mapsto x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+cdots +x_{n}^{2}-x_{n+1}^{2}.}

The group O(1, n) preserves the quadratic form

{displaystyle (x_{1},x_{2},ldots ,x_{n},x_{n+1})mapsto x_{1}^{2}-x_{2}^{2}-cdots -x_{n+1}^{2}}

It is isomorphic to O(n,1) but enjoys greater popularity in mathematical physics, primarily because the algebra of the Dirak tenglamasi, and more generally, spinors and Clifford algebras, are "more natural" with this signature.

Many of the properties of the Lorentz group in four dimensions (where n = 3) generalize straightforwardly to arbitrary n. For instance, the Lorentz group O(n,1) has four connected components, and it acts by conformal transformations on the celestial (n−1)-sphere in n+1-dimensional Minkowski space. The identity component SO⁺(n,1) is an SO(n)-bundle over hyperbolic n-space Hⁿ.

The low-dimensional cases n = 1 va n = 2 are often useful as "toy models" for the physical case n = 3, while higher-dimensional Lorentz groups are used in physical theories such as torlar nazariyasi that posit the existence of hidden dimensions. The Lorentz group O(n,1) is also the isometry group of n- o'lchovli Sitter maydoni dS_n, which may be realized as the homogeneous space O(n,1)/O(n−1,1). In particular O(4,1) is the isometry group of the de Sitter koinot dS₄, a cosmological model.

Shuningdek qarang

Izohlar

^ Maqolaga qarang Veyl tenglamasi for explicit derivations.

Adabiyotlar

^ Vaynberg 2002 yil
^ Varićak V 1910 "Theory of Relativity and Lobachevskian geometry",Phys Z 1910 §3 'Lorentz-Einstein transformation as translation'. Engl.tr in Wikipedia
^ Gelfand, Minlos va Shapiro 1963 yil
^ Wigner 1939 yil
^ Zal 2015 Definition 3.18
^ Zal 2015 Proposition 3.25

O'qish ro'yxati

Artin, Emil (1957). Geometrik algebra. Nyu-York: Vili. ISBN 978-0-471-60839-4. See Chapter III for the orthogonal groups O(p,q).
Karmeli, Moshe (1977). Group Theory and General Relativity, Representations of the Lorentz Group and Their Applications to the Gravitational Field. McGraw-Hill, Nyu-York. ISBN 978-0-07-009986-9. A canonical reference; see chapters 1–6 for representations of the Lorentz group.
Frankel, Theodore (2004). The Geometry of Physics (2nd Ed.). Kembrij: Kembrij universiteti matbuoti. ISBN 978-0-521-53927-2. An excellent resource for Lie theory, fiber bundles, spinorial coverings, and many other topics.
Fulton, Uilyam; Xarris, Jou (1991). Vakillik nazariyasi. Birinchi kurs. Matematikadan aspirantura matnlari, Matematikadan o'qishlar. 129. Nyu-York: Springer-Verlag. doi:10.1007/978-1-4612-0979-9. ISBN 978-0-387-97495-8. JANOB 1153249. OCLC 246650103. See Lecture 11 for the irreducible representations of SL(2,C).
Gelfand, I.M.; Minlos, R.A.; Shapiro, Z.Ya. (1963), Rotatsion va Lorents guruhlari vakolatxonalari va ularning qo'llanilishi, New York: Pergamon Press
Hall, Brian C. (2015), Yolg'on guruhlari, yolg'on algebralar va vakolatxonalar: boshlang'ich kirish, Matematikadan magistrlik matnlari, 222 (2-nashr), Springer, ISBN 978-3319134666.
Hall, G. S. (2004). Symmetries and Curvature Structure in General Relativity. Singapur: Jahon ilmiy. ISBN 978-981-02-1051-9. See Chapter 6 for the subalgebras of the Lie algebra of the Lorentz group.
Hatcher, Allen (2002). Algebraik topologiya. Kembrij: Kembrij universiteti matbuoti. ISBN 978-0-521-79540-1. Shuningdek qarang The "onlayn versiya". Olingan 3 iyul, 2005. See Section 1.3 for a beautifully illustrated discussion of covering spaces. See Section 3D for the topology of rotation groups.
Misner, Charles; Torn, Kip S.; Wheeler, John (1973). Gravitatsiya. W. H. Freeman va kompaniyasi. ISBN 978-0-7167-0344-0. §41.3
Naber, Gregory (1992). Minkovskiyning bo'sh vaqtining geometriyasi. Nyu-York: Springer-Verlag. ISBN 978-0486432359. (Dover reprint edition.) An excellent reference on Minkowski spacetime and the Lorentz group.
Needham, Tristan (1997). Vizual kompleks tahlil. Oksford: Oksford universiteti matbuoti. ISBN 978-0-19-853446-4. See Chapter 3 for a superbly illustrated discussion of Möbius transformations.
Vaynberg, S. (2002), Maydonlarning kvant nazariyasi, 1, Kembrij universiteti matbuoti, ISBN 978-0-521-55001-7
Wigner, E. P. (1939), "On unitary representations of the inhomogeneous Lorentz group", Matematika yilnomalari, 40 (1): 149–204, Bibcode:1939AnMat..40..149W, doi:10.2307/1968551, JSTOR 1968551, JANOB 1503456.

[5] Maqolaga qarang Veyl tenglamasi for explicit derivations.

[1] Vaynberg 2002 yil

[2] Varićak V 1910 "Theory of Relativity and Lobachevskian geometry",Phys Z 1910 §3 'Lorentz-Einstein transformation as translation'. Engl.tr in Wikipedia

[Gelfand_1-3] Gelfand, Minlos va Shapiro 1963 yil

[4] Wigner 1939 yil

[6] Zal 2015 Definition 3.18

[7] Zal 2015 Proposition 3.25

[1]

[2]

[3]

[4]

[a]

[5]

[6]