特殊酉群
在数学中,n 阶特殊酉群(英语:special unitary group),记作 SU(n),是行列式为1 的 n×n 酉矩阵组成的群(一般酉矩阵的行列式是绝对值为1的复数)。群运算是矩阵乘法。特殊酉群是由 n×n 酉矩阵组成的酉群 U(n) 的一个子群,酉群又是一般线性群 GL(n, C) 的一个子群。
群 SU(n) 在粒子物理中标准模型中有广泛的应用,特别是 SU(2) 在电弱相互作用与 SU(3) 在量子色动力学中。
最简单的情形 SU(1),是平凡群,只有一个元素。群 SU(2) 同构于範數为 1 的四元数,从而微分同胚于三维球面。因为单位四元数可表示三维空间中的旋转(差一个符号),我们有一个满同态从 SU(2) 到旋转群 SO(3),其核为 {+I,−I}{displaystyle {+I,-I}}。
目录
1 性质
2 生成元
2.1 基本表示
2.2 伴随表示
3 SU(2)
4 SU(3)
5 李代数
6 广义特殊酉群
6.1 例子
7 重要子群
8 相关条目
9 注释
10 参考文献
11 外部链接
性质
特殊酉群 SU(n) 是一个 n2-1 维实矩阵李群。在拓扑上是紧及单连通的。在代数上,它是一个单李群(意为它的李代数是单的,见下)。SU(n) 的中心同构于循环群 Zn。当 n ≥ 3,它的外自同构群是 Z2,而 SU(2) 的外自同构群是平凡群。
SU(n) 代数由 n2 个算子生成,满足交换关系(对 i, j, k, l = 1, 2, ..., n):
- [O^ij,O^kl]=δjkO^il−δilO^kj{displaystyle left[{hat {O}}_{ij},{hat {O}}_{kl}right]=delta _{jk}{hat {O}}_{il}-delta _{il}{hat {O}}_{kj}}
另外,算子
- N^=∑i=1nO^ii{displaystyle {hat {N}}=sum _{i=1}^{n}{hat {O}}_{ii}}
满足
- [N^,O^ij]=0{displaystyle left[{hat {N}},{hat {O}}_{ij}right]=0}
这意味着 SU(n) 独立的生成元个数是 n2-1[1]。
生成元
一般地,SU(n) 的无穷小生成元 T,由一个无迹埃尔米特矩阵表示。即
- tr(Ta)=0,{displaystyle operatorname {tr} (T_{a})=0,,}
- tr(Ta)=0,{displaystyle operatorname {tr} (T_{a})=0,,}
以及
- Ta=Ta†.{displaystyle T_{a}=T_{a}^{dagger }.,}
- Ta=Ta†.{displaystyle T_{a}=T_{a}^{dagger }.,}
基本表示
在定义或基本表示中,由 n×n 矩阵表示的生成元是:
- TaTb=12nδabIn+12∑c=1n2−1(ifabc+dabc)Tc{displaystyle T_{a}T_{b}={frac {1}{2n}}delta _{ab}I_{n}+{frac {1}{2}}sum _{c=1}^{n^{2}-1}{(if_{abc}+d_{abc})T_{c}},}
- TaTb=12nδabIn+12∑c=1n2−1(ifabc+dabc)Tc{displaystyle T_{a}T_{b}={frac {1}{2n}}delta _{ab}I_{n}+{frac {1}{2}}sum _{c=1}^{n^{2}-1}{(if_{abc}+d_{abc})T_{c}},}
- 这里系数 f 是结构常数,它对所有指标都是反对称的,而系数 d 对所有指标都是对称的。
从而
- [Ta,Tb]+=1nδab+∑c=1n2−1dabcTc{displaystyle left[T_{a},T_{b}right]_{+}={frac {1}{n}}delta _{ab}+sum _{c=1}^{n^{2}-1}{d_{abc}T_{c}},}
- [Ta,Tb]−=i∑c=1n2−1fabcTc{displaystyle left[T_{a},T_{b}right]_{-}=isum _{c=1}^{n^{2}-1}{f_{abc}T_{c}},}
- [Ta,Tb]+=1nδab+∑c=1n2−1dabcTc{displaystyle left[T_{a},T_{b}right]_{+}={frac {1}{n}}delta _{ab}+sum _{c=1}^{n^{2}-1}{d_{abc}T_{c}},}
我们也有
- ∑c,e=1n2−1dacedbce=n2−4nδab{displaystyle sum _{c,e=1}^{n^{2}-1}d_{ace}d_{bce}={frac {n^{2}-4}{n}}delta _{ab},}
- ∑c,e=1n2−1dacedbce=n2−4nδab{displaystyle sum _{c,e=1}^{n^{2}-1}d_{ace}d_{bce}={frac {n^{2}-4}{n}}delta _{ab},}
作为一个正规化约定。
伴随表示
在伴随表示中,生成元表示由 (n2−1)×(n2−1){displaystyle (n^{2}-1)times (n^{2}-1)} 矩阵表示,其元素由结构常数定义:
- (Ta)jk=−ifajk{displaystyle (T_{a})_{jk}=-if_{ajk},}
- (Ta)jk=−ifajk{displaystyle (T_{a})_{jk}=-if_{ajk},}
SU(2)
SU2(C){displaystyle operatorname {SU} _{2}(mathbb {C} )} 一个一般矩阵元素形如
- U=(α−β¯βα¯){displaystyle U={begin{pmatrix}alpha &-{overline {beta }}\beta &{overline {alpha }}end{pmatrix}}}
这里 α,β∈C{displaystyle alpha ,beta in mathbb {C} } 使得 |α|2+|β|2=1{displaystyle |alpha |^{2}+|beta |^{2}=1}
。我们考虑如下映射 φ:C2→M(2,C){displaystyle varphi :mathbb {C} ^{2}to operatorname {M} (2,mathbb {C} )}
,(这里 M(2,C){displaystyle operatorname {M} (2,mathbb {C} )}
表示 2×2 复矩阵集合),定义为
- φ(α,β)=(α−β¯βα¯).{displaystyle varphi (alpha ,beta )={begin{pmatrix}alpha &-{overline {beta }}\beta &{overline {alpha }}end{pmatrix}}.}
考虑到 C2{displaystyle mathbb {C} ^{2}} 微分同胚于 R4{displaystyle mathbb {R} ^{4}}
和 M(2,C){displaystyle operatorname {M} (2,mathbb {C} )}
同胚于 R8{displaystyle mathbb {R} ^{8}}
,我们可看到 φ{displaystyle varphi }
是一个实线性单射,从而是一个嵌入。现在考虑 φ{displaystyle varphi }
限制在三维球面上,记作 S3{displaystyle S^{3}}
,我们可发现这是三维球面到 M(2,C){displaystyle operatorname {M} (2,mathbb {C} )}
的一个紧子流形的一个嵌入。但显然有 φ(S3)=SU2(C){displaystyle varphi (S^{3})=operatorname {SU} _{2}(mathbb {C} )}
,作为一个流形微分同胚于 SU2(C){displaystyle operatorname {SU} _{2}(mathbb {C} )}
,使 SU2(C){displaystyle operatorname {SU} _{2}(mathbb {C} )}
成为一个紧连通李群。
现在考虑李代数 su2(C){displaystyle {mathfrak {su}}_{2}(mathbb {C} )},一个一般元素形如
- U′=(ix−β¯β−ix){displaystyle U'={begin{pmatrix}ix&-{overline {beta }}\beta &-ixend{pmatrix}}}
这里 x∈R{displaystyle xin mathbb {R} } 以及 β∈C{displaystyle beta in mathbb {C} }
。易验证这样形式的矩阵的迹是零并为反埃尔米特的。从而李代数由如下矩阵生成
- u1=(0ii0)u2=(0−110)u3=(i00−i){displaystyle u_{1}={begin{pmatrix}0&i\i&0end{pmatrix}}qquad u_{2}={begin{pmatrix}0&-1\1&0end{pmatrix}}qquad u_{3}={begin{pmatrix}i&0\0&-iend{pmatrix}}}
易见它具有上面提到的一般元素的形式。它们满足关系 u3u2=−u2u3=u1{displaystyle u_{3}u_{2}=-u_{2}u_{3}=u_{1}} 和 u2u1=−u1u2=u3{displaystyle u_{2}u_{1}=-u_{1}u_{2}=u_{3}}
。从而交换子括号由
- [u1,u3]=2u2,[u2,u1]=2u3,[u3,u2]=2u1.{displaystyle [u_{1},u_{3}]=2u_{2},qquad [u_{2},u_{1}]=2u_{3},qquad [u_{3},u_{2}]=2u_{1}.}
确定。上述生成元与泡利矩阵有关,u1=iσ1{displaystyle u_{1}=isigma _{1}}, u2=−iσ2{displaystyle u_{2}=-isigma _{2}}
及 u3=iσ3{displaystyle u_{3}=isigma _{3}}
。
SU(3)
SU(3) 的生成元 T,在定义表示中为
- Ta=λa2.{displaystyle T_{a}={frac {lambda _{a}}{2}}.,}
- Ta=λa2.{displaystyle T_{a}={frac {lambda _{a}}{2}}.,}
这里 λ{displaystyle lambda ,} 为盖尔曼矩阵,是 SU(2) 泡利矩阵在 SU(3) 之类比:
λ1=(010100000){displaystyle lambda _{1}={begin{pmatrix}0&1&0\1&0&0\0&0&0end{pmatrix}}}
λ2=(0−i0i00000){displaystyle lambda _{2}={begin{pmatrix}0&-i&0\i&0&0\0&0&0end{pmatrix}}}
λ3=(1000−10000){displaystyle lambda _{3}={begin{pmatrix}1&0&0\0&-1&0\0&0&0end{pmatrix}}}
λ4=(001000100){displaystyle lambda _{4}={begin{pmatrix}0&0&1\0&0&0\1&0&0end{pmatrix}}}
λ5=(00−i000i00){displaystyle lambda _{5}={begin{pmatrix}0&0&-i\0&0&0\i&0&0end{pmatrix}}}
λ6=(000001010){displaystyle lambda _{6}={begin{pmatrix}0&0&0\0&0&1\0&1&0end{pmatrix}}}
λ7=(00000−i0i0){displaystyle lambda _{7}={begin{pmatrix}0&0&0\0&0&-i\0&i&0end{pmatrix}}}
λ8=13(10001000−2){displaystyle lambda _{8}={frac {1}{sqrt {3}}}{begin{pmatrix}1&0&0\0&1&0\0&0&-2end{pmatrix}}}
注意它们都是无迹埃尔米特矩阵。
它们服从关系
- [Ta,Tb]=i∑c=18fabcTc{displaystyle left[T_{a},T_{b}right]=isum _{c=1}^{8}{f_{abc}T_{c}},}
- [Ta,Tb]=i∑c=18fabcTc{displaystyle left[T_{a},T_{b}right]=isum _{c=1}^{8}{f_{abc}T_{c}},}
- 这里 f 是结构常数,如上所定义,它们的值为
- f123=1{displaystyle f^{123}=1,}
- f147=−f156=f246=f257=f345=−f367=12{displaystyle f^{147}=-f^{156}=f^{246}=f^{257}=f^{345}=-f^{367}={frac {1}{2}},}
- f458=f678=32{displaystyle f^{458}=f^{678}={frac {sqrt {3}}{2}},}
- f123=1{displaystyle f^{123}=1,}
d 的取值:
- d118=d228=d338=−d888=13{displaystyle d^{118}=d^{228}=d^{338}=-d^{888}={frac {1}{sqrt {3}}},}
- d448=d558=d668=d778=−123{displaystyle d^{448}=d^{558}=d^{668}=d^{778}=-{frac {1}{2{sqrt {3}}}},}
- d146=d157=−d247=d256=d344=d355=−d366=−d377=12{displaystyle d^{146}=d^{157}=-d^{247}=d^{256}=d^{344}=d^{355}=-d^{366}=-d^{377}={frac {1}{2}},}
- d118=d228=d338=−d888=13{displaystyle d^{118}=d^{228}=d^{338}=-d^{888}={frac {1}{sqrt {3}}},}
李代数
SU(n){displaystyle mathrm {SU} (n)} 对应的李代数记作 su(n){displaystyle {mathfrak {su}}(n)}
。它的标准数学表示由无迹反埃尔米特 n×n{displaystyle ntimes n}
复矩阵组成,以通常交换子为李括号。粒子物理学家通常增加一个因子 i{displaystyle i}
,从而所有矩阵成为埃尔米特的。这只不过是同一个实李代数一个不同的更方便的表示。注意 su(n){displaystyle {mathfrak {su}}(n)}
是 R{displaystyle mathbb {R} }
上一个李代数。
例如,下列量子力学中使用的矩阵组成 su(2){displaystyle {mathfrak {su}}(2)} 在 R{displaystyle mathbb {R} }
上的一组基:
- iσx=[0ii0]{displaystyle isigma _{x}={begin{bmatrix}0&i\i&0end{bmatrix}}}
- iσy=[01−10]{displaystyle isigma _{y}={begin{bmatrix}0&1\-1&0end{bmatrix}}}
- iσz=[i00−i]{displaystyle isigma _{z}={begin{bmatrix}i&0\0&-iend{bmatrix}}}
(这里 i{displaystyle i} 是虚数单位。)
这个表示经常用于量子力学(参见泡利矩阵以及盖尔曼矩阵)表示基本粒子比如电子的自旋。它们也作为我们三维空间量子相对论描述中的单位向量。
注意任意两个不同生成元的乘积是另一个生成元,以及生成元反交换。与单位矩阵(乘以 i{displaystyle i})一起
- iI2=[i00i]{displaystyle iI_{2}={begin{bmatrix}i&0\0&iend{bmatrix}}}
它们也是 su(2){displaystyle {mathfrak {su}}(2)} 的生成元。
当然这里它取决于我们最终处理的问题,比如在非相对论量子力学中为 2-旋量;或在相对论狄拉克理论中,我们需要到 4-旋量的一个扩张;或在数学中甚至是克利福德代数。
注:在矩阵乘法下(在此情形是反交换的),生成克利福德代数 Cl3{displaystyle mathrm {Cl} _{3}},而在交换子括号下生成李代数 su(2){displaystyle {mathfrak {su}}(2)}
。
回到一般的 SU(n){displaystyle mathrm {SU} (n)}:
如果我们选择(任意)一个特定的基,则纯虚数无迹对角 n×n{displaystyle ntimes n} 矩阵子空间组成一个 n−1{displaystyle n-1}
维嘉当子代数。
将这个李代数复化,从而现在允许任何无迹 n×n{displaystyle ntimes n} 矩阵。权本征向量是嘉当子代数自己,只有一个非零元素的矩阵不是对角的。尽管嘉当子代数 h{displaystyle mathrm {h} }
只是 n−1{displaystyle n-1}
维,但为了化简计算,经常引入一个辅助元素,与所有元素交换的单位矩阵(它不能视为这个李代数的一个元素)。故我们有一个基,其中第 i{displaystyle i}
个基向量是在第 i{displaystyle i}
个对角元素为 1{displaystyle 1}
而在其它处为零的矩阵。则权由 n{displaystyle n}
个坐标给出,而且在所有 n{displaystyle n}
个坐标求和为零(因为单位矩阵只是辅助的)。
故 SU(n){displaystyle mathrm {SU} (n)} 的秩是 n−1{displaystyle n-1}
,它的邓肯图由 An−1{displaystyle A_{n-1}}
给出,有 n−1{displaystyle n-1}
个顶点的链。
它的根系由 n(n−1){displaystyle n(n-1)} 个根组成,生成一个 n−1{displaystyle n-1}
欧几里得空间。这里,我们使用 n{displaystyle n}
冗余坐标而不是 n−1{displaystyle n-1}
坐标来强调根系的对称(n{displaystyle n}
坐标之和为零)。换句话说,我们是将这个 n−1{displaystyle n-1}
维向量空间嵌入 n{displaystyle n}
-维中。则根由所有 n(n−1){displaystyle n(n-1)}
置换 (1,−1,0,…,0){displaystyle (1,-1,0,dots ,0)}
。两段以前的构造解释了为什么。单根的一个选取为
(1,−1,0,…,0){displaystyle (1,-1,0,dots ,0)},
(0,1,−1,…,0){displaystyle (0,1,-1,dots ,0)},
- …,
(0,0,0,…,1,−1){displaystyle (0,0,0,dots ,1,-1)}.
它的嘉当矩阵是
(2−10…0−12−1…00−12…0⋮⋮⋮⋱⋮000…2){displaystyle {begin{pmatrix}2&-1&0&dots &0\-1&2&-1&dots &0\0&-1&2&dots &0\vdots &vdots &vdots &ddots &vdots \0&0&0&dots &2end{pmatrix}}}.
它的外尔群或考克斯特群是对称群 Sn{displaystyle S_{n}},(n−1){displaystyle (n-1)}
-单形的对称群。
广义特殊酉群
对一个域 F,F 上广义特殊酉群 SU(p,q;F),F 上一个秩为 n=p+q 的向量空间上使得一个符号为 (p,q) 的非退化埃尔米特形式不变的所有行列式为 1 线性变换组成的群。这个么正群经常称为 F 上符号为 (p,q) 的特殊酉群。域 F 可以换为一个交换环,在这种情形向量空间换为自由模。
特别地,固定 GL(n,R) 中一个符号为 (p,q) 的埃尔米特矩阵,则所有
- M∈SU(p,q,R){displaystyle Min SU(p,q,R)}
满足
- M∗AM=A{displaystyle M^{*}AM=A,}
- detM=1.{displaystyle det M=1.,}
经常可以见到记号 SUp,q{displaystyle SU_{p,q}} 略去环或域,在这种形式环或域是指 C,这给出一个典型李群。当 F=C 时,A 的标准选取是
- A=[00i0In−20−i00].{displaystyle A={begin{bmatrix}0&0&i\0&I_{n-2}&0\-i&0&0end{bmatrix}}.}
对某些维数 A 可能有更好的选择,当限制为 C 的一个子环时有更好表现。
例子
这类群的一个重要例子是皮卡模群 SU(2,1;Z[i]),(射影地)作用在二度复双曲空间上,同样地 SL(2,Z) (射影地)作用在二维实双曲空间上。2003年,Gábor Francsics 与彼得·拉克斯算出了这个群在 HC2{displaystyle HC^{2}} 上作用的基本域,参见 [1]。
另一个例子是 SU(1,1;C),同构于 SL(2,R)。
重要子群
在物理学中,特殊酉群用于表示波色对称。在对称性破缺理论中寻找特殊酉群的子群很重要。在大一统理论中 SU(n) 重要的子群是,对 p>1,n-p>1:
- SU(n)⊃SU(p)×SU(n−p)×U(1).{displaystyle SU(n)supset SU(p)times SU(n-p)times U(1).}
为了完整性,还有正交与辛子群:
- SU(n)⊃O(n){displaystyle SU(n)supset O(n)}
- SU(2n)⊃USp(2n).{displaystyle SU(2n)supset USp(2n).}
因为 SU(n) 的秩是 n-1,U(1) 是 1,一个有用的检验是看子群的秩是小于还是等于原来群的秩。SU(n) 是多个其它李群的子群:
- SO(2n)⊃SU(n){displaystyle SO(2n)supset SU(n)}
- USp(2n)⊃SU(n){displaystyle USp(2n)supset SU(n)}
Spin(4)=SU(2)×SU(2){displaystyle Spin(4)=SU(2)times SU(2)}(参见自旋群)
- E6⊃SU(6){displaystyle E_{6}supset SU(6)}
- E7⊃SU(8){displaystyle E_{7}supset SU(8)}
G2⊃SU(3){displaystyle G_{2}supset SU(3)}(关于 E6, E7 与 G2 参见单李群)。
有同构 SU(4)=Spin(6),SU(2)=Spin(3)=USp(2) 以及 U(1)=Spin(2)=SO(2)。
最后值得指出的是 SU(2) 是 SO(3) 的二重覆叠群,这个关系在非相对论量子力学 2-旋量的旋转中起着重要的作用。
相关条目
- SU(2)的表示论
射影特殊酉群 PSU(n)
注释
^ R.R. Puri, Mathematical Methods of Quantum Optics, Springer, 2001.
参考文献
Halzen, Francis; Martin, Alan. Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. 1984. ISBN 0-471-88741-2.
- Maximal Subgroups of Compact Lie Groups
外部链接
- Physics 558 - Lecture 1, Winter 2003
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