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自旋为1/2的粒子是什么形状的?优质

761次浏览| 2021-11-15 11:50:04 更新
来源:互联网
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想了想,发现自己完全不知道旋量到底是什么,下面举几个例子吧。这是个在发展的问题,还可以看到计算机视觉等领域提供的新运用和新直观,很期待。

关于旋转群SO(3)的结构

可以这样做实验:在一根宽胶带两头各粘一个硬币,然后平转其中一个,会发现每转一圈胶带都会积累一个螺旋,因为总要越过胶带才能转完一圈,向上越过积累一个正螺旋,向下越过积累一个反螺旋。所以只有转两圈,其中一次向上越过,另一次向下越过,才能使得胶带上又没有螺旋,硬币又转回原位。

这两个硬币代表两个局部旋转,胶带代表两个局部旋转间的一个同伦变换,所以至少局部旋转两圈才能等同于不转。这件事说明全体三维旋转SO(3)构成的拓扑结构中间有个类似双叶的坑,代表单向转一圈的封闭曲线会套在上面。

还可以这样实验:一个硬币沿着另一个固定硬币的边缘从上边转到下边(180度),会发现运动硬币已经旋转了360度了。

以上实验共同的特点就是需要某个东西扯住粒子,记录下它经过的旋转(积分曲线),这样尽管粒子自身的旋转上已经复原了,但还是会留下一些变化(而且这些变化应该在转两圈时可以还原)。

问题是我们没看到有这些扯住粒子的东西,但是实验上却证明有自旋。这说明粒子有内部自由度,旋转操作诱导了内部自由度的变化。至于这个自由度具体是什么形状,是怎么回事,那看不到只好根据对称性来猜了。

而既然是旋转群诱导的,那就用包含了它的对称性,而且比它大一些的对称群试试,这就是SU(2)。你说万一SU(2)的性质不符合实验怎么办,那没办法,再猜过。只能说人能从简单到复杂去理解自然真是件神奇的事情。

首先,如果我们把旋转操作不看作一个群作用,而是一系列无穷小操作的组合,即转一圈相当于N次旋转(180/N)°,以示与”不转“的区别。这样,一个旋转就变成了群流形上的一条线(contour),任何回到原位(群单位元)的旋转体现为群流形上的一个圈(loop)。然后我们去看被转的对象:我们做以下识别(distinguish),即两个不同的旋转操作,对于任意对象而言,必然等同的条件是,它们所代表的contour之间同伦(这一结论适用于任意群)。对于转圈,则是它们所代表的loop同伦。”不转“即一个收缩至一点的loop,那么和”不转“等同的”转圈“,就必须能够(在群流形上)收缩至一点。如果假设群的实现是可微的,那么这样的识别是逻辑上可能的最细致的识别。

量子态可以做这种识别,因为它可以有内部自由度(比如相位)。经典态无法做这么细致的识别,因为它的自由度是固定的。

问题来了:SO(3)群的拓扑性质(形状)很特殊,是一个对径认同的球体,它上面有两类不等价的loop,其中一类等价于点(”不转“),而另一类和它并不等价,而”转一圈“这个操作就属于这个非平凡的类里面。简单来说,”转一圈“这个操作无法连续得变化为”不转“的操作。

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要从纤维丛的角度去理解。

1. 场的时空坐标在闵科夫斯基时空中,场的取值在纤维里面。

2. 在闵科夫斯基时空中,对称性由洛伦兹群Lo描述。

3. 在物理学理论中,要保持这个对称性,即洛伦兹群的作用。所以,洛伦兹群在纤维里面,会有一个表示,这个表示就是SL(2,C)。

4. 在闵科夫斯基时空中,对于转动来说(就是我们常见的转动)由SO(3)给出。这个对称性在纤维里面,要由SU(2)来描述。两者之间有个关系,你会发现,SO(3)下,转动了 heta角度,转换到纤维里面,就变成了在SU(2)下转动了 heta/2。两者差一个1/2.

(这就是你想问的转两圈才重合的问题。实际上,是闵科夫斯基时空中转了一圈,纤维里面转了两圈。数学上,管这个叫做two-fold covering space)。

如电子分为基本粒子引力子、纳电子、纳轨子最小质子裂解出光子、重粒子、道子 电子和光子、纳轨子和道子、引力子和重粒子两两有亲和力,质子是电子的1836.5倍质子超高温递增下裂解三组基本粒子裂解7次余4.5个单位6种基本粒子裂解7次得“42”,4.5除42得0.107142857的142857有限循环的一种万能粒子107142857除以142857得750000有限循环,142857乘以7无限接近1。

自旋1/2在QFT中是旋量场的激发,旋量比标量(自旋0)、向量(自旋1)、张量(自旋2)都要抽象,所谓的“旋转多少度角与原来重合”不是指粒子本身,而是指粒子真空态的数学性质,Pauli矩阵就是用来描述自旋1/2粒子的,旋量往往有4个分量(我想这就是它需要旋转720°才能和自身重合的原因)所以你的问题其实本身就有问题!科普书上的解释太浅了!

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