SU(2)群的不可约表示

SU(2)群的表示

SO(3)\text{SO}(3) 本身就是 SU(2)\text{SU}(2) 群的一个三维不可约表示。接下来我们研究 SU(2)\text{SU}(2) 群的所有不等价不可约表示。

为了得到表示,我们可以先构造一组基,然后用 SU(2)\text{SU}(2) 群元作用在这组基上,就可以得到一个表示矩阵。令变量 u=(u1u2)\boldsymbol{u}= \begin{pmatrix} u_{1} \\[0.5em] u_{2} \end{pmatrix},我们可以把 u\boldsymbol{u} 看作是二维复空间中的一个坐标点,则算符 Γg\Gamma_{g} 作用在 u\boldsymbol{u} 的标量函数 f(u)f(\boldsymbol{u}) 有:

Γgf(u)=f(g−1u)\Gamma_gf(\boldsymbol{u})=f(g^{-1}\boldsymbol{u})

其中括号内部分为

g(a,b)−1u=(ab−b∗a∗)−1(u1u2)=(a∗−bb∗a)(u1u2)=(a∗u1−bu2b∗u1+au2)g(a,b)^{-1}\boldsymbol{u}= \begin{pmatrix} a & b \\[0.5em] -b^* & a^* \end{pmatrix}^{-1} \begin{pmatrix} u_1 \\[0.5em] u_2 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} a^* & -b \\[0.5em] b^* & a \end{pmatrix} \begin{pmatrix} u_1 \\[0.5em] u_2 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} a^*u_1-bu_2 \\[0.5em] b^*u_1+au_2 \end{pmatrix}

构造函数:取如下 2l+12l+1(ll 为整数或半奇数)个齐次单项式函数

fm(l)(u1,u2)=u1l+mu2l−m(l+m)!(l−m)!(m=l,l−1,⋯ ,−l)f_m^{(l)}(u_1,u_2)=\frac{u_1^{l+m}u_2^{l-m}}{\sqrt{(l+m)!\left(l-m\right)!}}\quad(m=l,l-1,\cdots,-l)

也就是在给定 ll 的基础下,mm 从 ll 变化到 −l-l,2l+12l+1 个 mm 构成了一组基。但并非所有的基函数都能荷载 SU(2)\text{SU}(2) 群的表示,一组函数作为基的条件:任意群元对基变换后得到的新函数还能够表示为基函数的线性组合。

经过计算,上述函数确实满足基函数的条件

Γg(a,b)fm(l)(u)=∑m′=−llfm′(l)(u)Dm′ml(g(a,b))\Gamma_{g(a,b)}f_m^{(l)}(\boldsymbol{u})=\sum_{m^{\prime}=-l}^lf_{m^{\prime}}^{(l)}(u)D_{m^{\prime}m}^l(g(a,b))

并得到组合系数,也就是 SU(2)SU(2) 群元 g(a,b)g(a,b) 在这组基下的不可约表示为:

Dm′ml(a,b)≡Dm′ml(g(a,b))=∑k=0l+m(−1)k(l+m)!(l−m)!(l+m′)!(l−m′)!k!(l+m−k)!(l−m′−k)!(m′−m+k)!al−m′−k(a∗)l+m−kbk(b∗)m′−m+k\boxed{\begin{aligned} & D_{m^{\prime}m}^l(a,b)\equiv D_{m^{\prime}m}^l\left(g(a,b)\right)= \\[1em] & \sum_{k=0}^{l+m}\frac{(-1)^k\sqrt{(l+m)!\left(l-m\right)!\left(l+m^{\prime}\right)!\left(l-m^{\prime}\right)!}}{k!\left(l+m-k\right)!\left(l-m^{\prime}-k\right)!\left(m^{\prime}-m+k\right)!}a^{l-m^{\prime}-k}(a^*)^{l+m-k}b^k(b^*)^{m^{\prime}-m+k} \end{aligned}}

其中上标 ll 是表示的指标,下标 m,m′m,m^{\prime} 是矩阵的行列指标。

l=1l=1 时为恒等表示,D0(a,b)≡1D^0(a,b)\equiv1
l=12l=\dfrac{1}{2} 时,D12(a,b)=(a∗b∗−ba)=g(a,b)∗D^{\frac{1}{2}}(a,b)= \begin{pmatrix} a^{*} & b^{*} \\[0.5em] -b & a \end{pmatrix}=g(a,b)^{*} (矩阵指标顺序:m=12,−12m=\dfrac{1}{2},-\dfrac{1}{2})
l=1l=1 时,D1(a,b)=(a∗22a∗b∗b∗2−2a∗baa∗−bb∗2ab∗b2−2aba2)D^1(a,b)= \begin{pmatrix} a^{*2} & \sqrt{2}a^*b^* & b^{*2} \\[0.5em] -\sqrt{2}a^*b & aa^*-bb^* & \sqrt{2}ab^* \\[0.5em] b^2 & -\sqrt{2}ab & a^2 \end{pmatrix} (矩阵指标顺序:m=1,0,−1m=1,0,-1)

当 l=12l=\dfrac{1}2 时,表示矩阵 D12(a,b)D^{\frac{1}{2}}(a,b) 恰好是 SU(2)\text{SU}(2) 群元 g(a,b)g(a,b) 的复共轭,又因为表示的复共轭依然是表示,为了让 l=12l=\dfrac{1}2 时 SU(2)\text{SU}(2) 的表示就是群元本身,需对上述表示取复共轭。若定义 D(l)(a,b)=[Dl(a,b)]∗D^{(l)}(a,b)=[D^l(a,b)]^*,此时便有 D(12)(a,b)=g(a,b)D^{\left(\frac{1}{2}\right)}(a,b)=g(a,b)。

SU(2)表示的幺正性

∑m=−ll∣fm(l)(u1,u2)∣2=∑m=−ll∣u1l+mu2l−m∣2(l+m)!(l−m)!=1(2l)!∑k=02l(2l)!k!(2l−k)!=(∣u12∣+∣u22∣)2l(2l)!\sum_{m=-l}^l\left|f_m^{(l)}(u_1,u_2)\right|^2=\sum_{m=-l}^l\frac{\left|u_1^{l+m}u_2^{l-m}\right|^2}{(l+m)!\left(l-m\right)!}=\frac{1}{(2l)!}\sum_{k=0}^{2l}\frac{(2l)!}{k!\left(2l-k\right)!}=\frac{\left(\left|u_1^2\right|+\left|u_2^2\right|\right)^{2l}}{(2l)!}

根据上式可以证明 DlDl+=I2l+1D^lD^{l+}=I_{2l+1},所以 D(l)(a,b)D^{(l)}(a,b) 是幺正表示。

SU(2)表示的不可约性

现在我们确定表示 Dm′m(l)(a,b)D_{m^{\prime}m}^{(l)}(a,b) 的不可约性

D(12)(a,b)=(ab−b∗a∗)=g(a,b)D(1)(a,b)=(a22abb2−2ab∗aa∗−bb∗2a∗bb∗2−2a∗b∗a∗2)\begin{aligned} D^{(\frac{1}{2})}(a,b) & = \begin{pmatrix} a & b \\[1em] -b^* & a^* \end{pmatrix} & =g(a,b) \end{aligned} \qquad \qquad D^{(1)}(a,b)= \begin{pmatrix} a^2 & \sqrt{2}ab & b^2 \\[1em] -\sqrt{2}ab^* & aa^*-bb^* & \sqrt{2}a^*b \\[1em] b^{*2} & -\sqrt{2}a^*b^* & a^{*2} \end{pmatrix}

我们知道,互为共轭的两个表示是等价的,那么就存在一个相似变换矩阵 SS,若令 Smm′l=(−1)mδm,−m′S_{mm^{\prime}}^l=(-1)^m\delta_{m,-m^{\prime}},并取 (−1)12=i(-1)^{\frac{1}{2}}=i,则有

(Sl)−1=Sl,SlDlSl=D(l)=(Dl)∗\left(S^l\right)^{-1}=S^l,\qquad S^lD^lS^l=D^{(l)}=\left(D^l\right)^*

写出前几个 SlS^l 矩阵,都是次对角线上不为零:

S12=(0i−i0)S1=(00−1010−100)S32=(000−i00i00−i00i000)S2=(1S11)S^{\frac{1}{2}}= \begin{pmatrix} 0 & i \\[1em] -i & 0 \end{pmatrix}\qquad S^1= \begin{pmatrix} 0 & 0 & -1 \\[1em] 0 & 1 & 0 \\[1em] -1 & 0 & 0 \end{pmatrix}\qquad S^{\frac{3}{2}}= \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & -i \\[0.5em] 0 & 0 & i & 0 \\[0.5em] 0 & -i & 0 & 0 \\[0.5em] i & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}\qquad S^2= \begin{pmatrix} & & 1 \\[1em] & S^1 \\[1em] 1 \end{pmatrix}

为了保证 l=12l=\dfrac{1}{2} 时的表示等于 g(a,b)g(a,b) 这种形式上的统一,下面的讨论皆以 D(l)(a,b)D^{(l)}(a,b) 为准。

当 a=exp⁡(−iα2),b=0a=\exp\left(-i\dfrac{\alpha}{2}\right),b=0 时,仅当 k=0,m′−m+k=0k=0,m^{\prime}-m+k=0 时有非零矩阵元,表示矩阵只有对角元

Dm′m(l)(e−iα2,0)=δm′me−imα\boxed{D_{m^{\prime}m}^{(l)}(e^{-i\frac{\alpha}{2}},0)=\delta_{m^{\prime}m}e^{-im\alpha}}

当 bb 不再等于零时,我们只能求出第一行 m′=lm^{\prime}=l 的元素,为了 l−m′−k≥0l-m^{\prime}-k\geq0,此时只能有 k=0k=0,计算得到表示矩阵第一行的表达式为

Dlm(l)(a,b)=(2l)!(l+m)!(l−m)!al+mbl−mD_{lm}^{(l)}(a,b)=\sqrt{\frac{(2l)!}{(l+m)!(l-m)!}}a^{l+m}b^{l-m}

根据这两种特殊的表示矩阵形式,我们接下来就可以证明表示矩阵的不可约性,根据舒尔定理,若只有单位矩阵常数倍与所有表示矩阵对易,则表示矩阵为不可约表示。

假设存在矩阵 AA 与所有表示矩阵 D(l)(a,b)D^{(l)}(a,b) 对易,那么必然与矩阵之一 D(l)(e−iα2,0)D^{(l)}(e^{-i\frac{\alpha}{2}},0) 对易,根据对易关系得到

Anm(e−imα−e−inα)=0A_{nm}(e^{-im\alpha}-e^{-in\alpha})=0

所以当 n≠mn\neq m 时,Anm=0A_{nm}=0,说明矩阵 Anm=anδnmA_{nm}=a_n\delta_{nm} 是对角矩阵。

接下来当 b≠0b\neq0 时,矩阵 AA 还必须与 D(l)(a,b)D^{(l)}(a,b) 对易,根据对易关系可得

Dm′m(l)(am′−am)=0D^{(l)}_{m'm}(a_{m'}-a_m)=0

取 m′=lm^{\prime}=l 则有 Dlm(l)(al−am)=0D^{(l)}_{lm}(a_{l}-a_m)=0,由于 ll 取确定值,根据前面求出的表示矩阵第一行的表达式可知,Dlm(l)(a,b)≠0D^{(l)}_{lm}(a,b)\neq0,所以 al=ama_l=a_m 对任意 mm 都成立,说明 AA 的所有对角元都相等,因此矩阵 AA 必然是单位矩阵的常数倍 A=alI2l+1A=a_l I_{2l+1}。

根据舒尔引理推论二,除单位矩阵常数倍外不存在与所有表示矩阵对易的矩阵,那么该表示是不可约的。

SU(2)类的结构及特征标

我们已经证明了 D(l)(a,b)D^{(l)}(a,b) 是 SU(2)\text{SU}(2) 群的不可约幺正表示,接下来我们研究 SU(2)\text{SU}(2) 群的类结构及特征标。

求 g(a,b)=(ab−b∗a∗)g(a,b)=\begin{pmatrix}a & b \\[0.5em] -b^{*} & a^{*}\end{pmatrix} 的本征值可得

λ±=a+a∗2±12(a+a∗)2−4=Re(a)±i1−Re(a)2\lambda_\pm=\frac{a+a^*}{2}\pm\frac{1}{2}\sqrt{(a+a^*)^2-4}=\mathrm{Re}(a)\pm i\sqrt{1-\mathrm{Re}(a)^2}

本征值只和 aa 的实部有关,而与 bb 无关,所有 Re(a)\text{Re}(a) 相同的群元具有相同的本征值。又幺正矩阵必可通过幺正相似变换对角化,即存在 g′∈SU(2)g′ \in \text{SU}(2) 使得

g′−1g(a,b)g′=(λ−00λ+)∈SU(2)g^{\prime{-1}}g(a,b)g^{\prime}= \begin{pmatrix} \lambda_- & 0 \\[0.5em] 0 & \lambda_+ \end{pmatrix}\in\mathrm{SU}(2)

说明 g(a,b)g(a,b) 和其本征值组成的对角矩阵属于同一个类,因此所有 Re(a)\text{Re}(a) 相同的群元属于同一类。

那么不妨设 Re(a)=cos⁡α2\textcolor{red}{\mathrm{Re}(a)=\cos\frac{\alpha}{2}},则 λ±=e±iα2\lambda_{\pm}=e^{\pm i\frac{\alpha}{2}},代入上式

g′−1g(a,b)g′=(e−iα200eiα2)=g(e−iα2,0)g^{\prime{-1}}g(a,b)g^{\prime}= \begin{pmatrix} e^{-i\frac{\alpha}{2}} & 0 \\[0.5em] 0 & e^{i\frac{\alpha}{2}} \end{pmatrix}=g(e^{-i\frac{\alpha}{2}},0)

而这样的群元表示矩阵恰好就是我们刚刚证明的 b=0b=0 时的对角矩阵。而同一类群元具有相同的特征标

χ(l)(a,b)=χ(l)(e−iα2,0)=TrD(l)(e−iα2,0)=∑m=−lle−imα=eilα(1−e−i(2l+1)α)1−e−iα=sin⁡[(l+12)α]/sin⁡(α2)\begin{aligned} \chi^{(l)}(a,b) & =\chi^{(l)}\left(e^{-i\frac{\alpha}{2}},0\right)=\mathrm{Tr}D^{(l)}\left(e^{-i\frac{\alpha}{2}},0\right)=\sum_{m=-l}^{l}e^{-im\alpha}=\frac{e^{il\alpha}\left(1-e^{-i(2l+1)\alpha}\right)}{1-e^{-i\alpha}} \\ & =\textcolor{red}{\sin\left[\left(l+\frac{1}{2}\right)\alpha\right]/\sin\left(\frac{\alpha}{2}\right)} \end{aligned}

SU(2)表示的完备性

我们还想知道 D(l)(a,b)D^{(l)}(a,b) 是否构成了 SU(2)\text{SU}(2) 群的所有不等价不可约表示。

根据

χ(l+1)−χ(l)=sin⁡[(l+3/2)α]−sin⁡[(l+1/2)α]sin⁡(α/2)=2cos⁡[(l+1)α]\chi^{(l+1)}-\chi^{(l)}=\frac{\sin[(l+3/2)\alpha]-\sin[(l+1/2)\alpha]}{\sin(\alpha/2)}=2\cos[(l+1)\alpha]

那么有

χ(0)=1,χ(12)=2cos⁡α2,χ(1)−χ(0)=2cos⁡α,χ(32)−χ(12)=2cos⁡3α2,⋯\chi^{(0)}=1,\chi^{\left(\frac{1}{2}\right)}=2\cos\frac{\alpha}{2},\chi^{(1)}-\chi^{(0)}=2\cos\alpha,\chi^{\left(\frac{3}{2}\right)}-\chi^{\left(\frac{1}{2}\right)}=2\cos\frac{3\alpha}{2},\cdots

上述结果 {1,cos⁡α2,cos⁡α,cos⁡3α2,cos⁡2α,⋯ }\{1,\cos\dfrac{\alpha}{2},\cos\alpha,\cos\dfrac{3\alpha}{2},\cos2\alpha,\cdots\} 构成了 α∈[−2π,2π]\alpha\in[-2\pi,2\pi] 上偶函数的完备基,也就是说该区间的任意偶函数都能写为这些结果的线性组合。若存在一个与所有 D(l)D^{(l)} 不等价的不可约表示 D′D^{\prime},设其特征标为 f(α)f(\alpha),因为 g(e−iα2,0)g(e^{-i\frac{\alpha}{2}},0) 和 g(eiα2,0)g(e^{i\frac{\alpha}{2}},0) 属于同一类,所以 f(α)f(\alpha) 必为偶函数。由紧致李群的不变积分和特征标的正交性

∫−2π2πχ(l)(α)∗f(α)ρ(α)dα=0⇒∫−2π2πcos⁡lαf(α)ρ(α)dα=0(l=0,12,1,⋯ )\int_{-2\pi}^{2\pi}\chi^{(l)}(\alpha)^*f(\alpha)\rho(\alpha)d\alpha=0\quad \Rightarrow \quad \int_{-2\pi}^{2\pi}\cos l\alpha f(\alpha)\rho(\alpha)d\alpha=0\quad(l=0,\frac{1}{2},1,\cdots)

上式中 cos⁡lα\cos l\alpha 由完备基线性表示,由于每一项都为零,所以得到第二个积分式。因李群是解析的,g(α)g(\alpha) 邻域内群元一一映射到其逆元 g(α)−1=g(−α)g(\alpha)^{-1}=g(-\alpha) 的邻域内,因而在群空间中的密度一样,ρ(g)=ρ(g−1)⇒ρ(α)=ρ(−α)\rho(g)=\rho(g^{-1})\Rightarrow\rho(\alpha)=\rho(-\alpha)。

既然权函数也是偶函数,那么偶函数 f(α)ρ(α)f(\alpha)\rho(\alpha) 与完备基正交,所以该偶函数只能是零函数,又因为 ρ(α)≠0\rho(\alpha)\neq0,所以 f(α)=0f(\alpha)=0,说明不存在与所有 D(l)D^{(l)} 不等价的不可约表示 D′D^{\prime}。

D(l)(l=0,1/2,1,⋯ )D^{(l)}\left(l=0,1/2,1,\cdots\right) 就是 SU(2)\text{SU}(2) 群的所有不等价不可约幺正表示。

由表示的公式我们可以发现

D(l)(−g)=(−1)2lD(l)(g)D^{(l)}(-g)=(-1)^{2l}D^{(l)}(g)

{l 为整数时 D(l)(−g)=D(l)(g),二对一同态,非忠实表示l 为半奇数时 D(l)(−g)=−D(l)(g), 一对一同构,忠实表示\left\{ \begin{array} {l}l\text{ 为整数时 }\quad \quad D^{(l)}(-g)=D^{(l)}(g),\quad\text{二对一同态,非忠实表示} \\[1em] l\text{ 为半奇数时 } \quad D^{(l)}(-g)=-D^{(l)}(g),\ \text{一对一同构,忠实表示} \end{array}\right.

若以欧拉角作为 SU(2)\text{SU}(2) 群的参数,则 D(l)D^{(l)} 表示成为

g(α,β,γ)=(e−iα+γ2cos⁡β2−e−iα−γ2sin⁡β2eiα−γ2sin⁡β2eiα+γ2cos⁡β2)=g(a=e−iα+γ2cos⁡β2,b=−e−iα−γ2sin⁡β2)g(\alpha,\beta,\gamma)= \begin{pmatrix} e^{-i\frac{\alpha+\gamma}{2}}\cos\frac{\beta}{2} & -e^{-i\frac{\alpha-\gamma}{2}}\sin\frac{\beta}{2} \\[1em] e^{i\frac{\alpha-\gamma}{2}}\sin\frac{\beta}{2} & e^{i\frac{\alpha+\gamma}{2}}\cos\frac{\beta}{2} \end{pmatrix}=g\left(a=e^{-i\frac{\alpha+\gamma}{2}}\cos\frac{\beta}{2},b=-e^{-i\frac{\alpha-\gamma}{2}}\sin\frac{\beta}{2}\right)

此时表示的公式变为

Dm′m(l)(α,β,γ)≡Dm′m(l)(e−iα+γ2cos⁡β2,−e−iα−γ2sin⁡β2)=∑k=0l+m(−1)m′−m+k(l+m)!(l−m)!(l+m′)!(l−m′)!k!(l+m−k)!(l−m′−k)!(m′−m+k)!×(cos⁡β2)2l+m−m′−2k(sin⁡β2)m′−m+2ke−im′αe−imγ\begin{aligned} D^{(l)}_{m'm}(\alpha,\beta,\gamma) &\equiv D^{(l)}_{m'm}\left(e^{-i\frac{\alpha+\gamma}{2}}\cos\frac{\beta}{2},-e^{-i\frac{\alpha-\gamma}{2}}\sin\frac{\beta}{2}\right) \\[1em] &=\sum_{k=0}^{l+m}(-1)^{m'-m+k}\frac{\sqrt{(l+m)!(l-m)!(l+m')!(l-m')!}}{k!(l+m-k)!(l-m'-k)!(m'-m+k)!} \times\left(\cos\frac{\beta}{2}\right)^{2l+m-m'-2k}\left(\sin\frac{\beta}{2}\right)^{m'-m+2k}e^{-im'\alpha}e^{-im\gamma} \end{aligned}

withα∈[0,4π]β∈[0,π]γ∈[0,2π]\text{with} \qquad \alpha\in[0,4\pi] \qquad \beta\in[0,\pi] \qquad \gamma\in[0,2\pi]

在欧拉角参数下,SU(2)\text{SU}(2) 群的不变积分测度为

π216sin⁡β dαdβdγ\frac{\pi^2}{16}\sin\beta\mathrm{~d}\alpha d\beta d\gamma

有了积分测度我们便可以计算表示 D(l)D^{(l)} 的正交性关系

π216∫04πdα∫0πsin⁡βdβ∫02πdγDmn(l)(α,β,γ)Dm′n′(l′)(α,β,γ)=12l+1δll′δmm′δnn′\frac{\pi^{2}}{16}\int_{0}^{4\pi}d\alpha\int_{0}^{\pi}\sin\beta d\beta\int_{0}^{2\pi}d\gamma D_{mn}^{(l)}(\alpha,\beta,\gamma)D_{m^{\prime}n^{\prime}}^{(l^{\prime})}(\alpha,\beta,\gamma)=\frac{1}{2l+1}\delta_{ll^{\prime}}\delta_{mm^{\prime}}\delta_{nn^{\prime}}

π216∫04πdα∫0πsin⁡βdβ∫02πdγχ(l)∗(α,β,γ)χ(l′)(α,β,γ)=12l+1δll′\frac{\pi^2}{16}\int_0^{4\pi}d\alpha\int_0^{\pi}\sin\beta d\beta\int_0^{2\pi}d\gamma\chi^{(l)^*}(\alpha,\beta,\gamma)\chi^{(l^{\prime})}(\alpha,\beta,\gamma)=\frac{1}{2l+1}\delta_{ll^{\prime}}

l,l′=0,12,1,32,2,⋯l,l^{\prime}=0,\frac{1}{2},1,\frac{3}{2},2,\cdots

SO(3)群的不可约表示及双群

SO(3)群的表示

SO(3)\text{SO}(3) 可以看作是 SU(2)\text{SU}(2) 的一个三维表示,而 D(1)(a,b)D^{(1)}(a,b) 也是一个三维表示,我们已经证明了 D(l)(a,b)D^{(l)}(a,b) 是 SU(2)\text{SU}(2) 群的所有不等价不可约幺正表示,这就意味着:SO(3)\text{SO}(3) 转动矩阵和 D(1)(a,b)D^{(1)}(a,b) 是等价的。

已知 SU(2)\text{SU}(2) 到 SO(3)\text{SO}(3) 间存在二对一的同态

一个R对应一个D

当 ll 为整数时,RR 和 D(l)D^{(l)} 之间存在某种关系

R和D之间的关系

当 ll 为整数时 SO(3)\text{SO}(3) 群元 RR 通过 g∈SU(2)g\in\mathrm{SU}(2) 与 D(l)D^{(l)} 一一同构。若 g1g2=g3g_1g_2=g_3,

R(±g1)R(±g2)=R(±g3)D(l)(±g1)D(l)(±g2)=D(l)(±g3)\begin{aligned} & R(\pm g_1)R(\pm g_2)=R(\pm g_3) \\[1em] & D^{(l)}(\pm g_1)D^{(l)}(\pm g_2)=D^{(l)}(\pm g_3) \end{aligned}

上面两式是对应的,于是当 ll 为非零整数时 SO(3)\text{SO}(3) 与 SU(2)\text{SU}(2) 的表示 D(l)D^{(l)} 同构,D(l)D^{(l)} 同时也是 SO(3)\text{SO}(3) 的不可约幺正表示,并且是忠实表示。

用与 SU(2)\text{SU}(2) 类似的方法可以证明:

D(l)D^{(l)}(l=0,1,2,⋯l=0,1,2,\cdots)是 SO(3)\text{SO}(3) 的所有不等价不可约幺正表示。

SO(3)\text{SO}(3) 中绕 nn 轴转 ϕ\phi 角的算符可用轨道角动量算符写为

R^n(ϕ)=exp⁡(ϕn⋅X^)=exp⁡(−iℏϕn⋅L^)[L^i,L^2]=0⇒[R^n(ϕ),L^2]=0\hat{R}_{n}(\phi)=\exp(\phi\boldsymbol{n}\cdot\hat{\boldsymbol{X}})=\exp\left(-\frac{i}{\hbar}\phi\boldsymbol{n}\cdot\hat{\boldsymbol{L}}\right) \\[1em] \left[\hat{L}_{i},\hat{L}^{2}\right]=0\quad\Rightarrow\quad\left[\hat{R}_{n}(\phi),\hat{L}^{2}\right]=0

又因为 L^2\hat{L}^{2} 的本征态为球谐函数 ∣lm⟩=Yml(θ,φ):L^2∣lm⟩=l(l+1)ℏ2∣lm⟩|lm\rangle=Y_{m}^{l}(\theta,\varphi){:}\quad\widehat{L}^{2}|lm\rangle=l(l+1)\hbar^{2}|lm\rangle,那么

L^2R^n∣lm⟩=R^nL^2∣lm⟩=R^nl(l+1)ℏ2∣lm⟩=l(l+1)ℏ2R^n∣lm⟩\hat{L}^2\hat{R}_n|lm\rangle=\hat{R}_n\hat{L}^2|lm\rangle=\hat{R}_nl(l+1)\hbar^2|lm\rangle=l(l+1)\hbar^2\hat{R}_n|lm\rangle

说明 R^n∣lm⟩\hat{R}_n|lm\rangle 仍然是 L^2\hat{L}^2 的本征态,且本征值不变,但是我们已知 ∣lm⟩\ket{lm} 是全部的本征态,所以 R^n∣lm⟩\hat{R}_n|lm\rangle 必然可以表示为 ∣lm⟩\ket{lm} 的线性组合

R^n(ϕ)∣lm⟩=∑m′=−ll∣lm′⟩Dm′m(Rn(ϕ))\hat{R}_n(\phi)|lm\rangle=\sum_{m^{\prime}=-l}^l|lm^{\prime}\rangle D_{m^{\prime}m}(R_n(\phi))

上式满足基函数的定义,可以证明,上式中的表示 D=D(l)D=D^{(l)},于是 {∣lm⟩}\{\ket{lm}\} 构成了 SO(3)\text{SO}(3) 群的 2l+12l+1 维不可约表示 D(l)D^{(l)} 的一组基函数。

SO(3)群表示的特征标

D(l)D^{(l)} 中所有 ll 为整数(奇数维)的表示为 SO(3)\text{SO}(3) 群的表示,特征标必然还是沿用 D(l)D^{(l)} 的特征标,即

χ(l)(α)=sin⁡(l+12)αsin⁡α2\chi^{(l)}(\alpha)=\frac{\sin\left(l+\frac{1}{2}\right)\alpha}{\sin\frac{\alpha}{2}}

转角相同的旋转具有相同的特征标,因 R(n′,ω)=SR(n,ω)S−1R(\boldsymbol{n}^{\prime},\omega)=SR(\boldsymbol{n},\omega)S^{-1},其中 SS 是把 n\boldsymbol{n} 转动到 n′\boldsymbol{n}' 方向的旋转(不唯一),即 n′=Sn\boldsymbol{n}^{\prime}=S\boldsymbol{n}。

所以任意轴转动的特征标都可以表示为绕 zz 轴转动相同角度的特征标

χ(l)(n,α)=χ(l)(z^,α)=χ(l)(α,0,0)\chi^{(l)}(\boldsymbol{n},\alpha)=\chi^{(l)}(\hat{\mathbf{z}},\alpha)=\chi^{(l)}(\alpha,0,0)

双群

我们说 SO(3)\text{SO}(3) 群不可约表示只取 SU(2)\text{SU}(2) 中 ll 等于整数部分,但是当 ll 为半奇数时,若仍把 D(l)D^{(l)} 看作 SO(3)\text{SO}(3) 群的表示矩阵,那么此时同样的转动矩阵 RR 会对应 SU(2)\text{SU}(2) 的两个不同表示矩阵

一个R对应两个D

此时同一 SO(3)\text{SO}(3) 群元 R(±g)R(\pm g) 无法映射到单一表示矩阵,因而 SU(2)\text{SU}(2) 的偶数维表示 D(l)D^{(l)} 不是 SO(3)\text{SO}(3) 的表示。但如果规定一个 R(g)∈SO(3)R(g) \in \text{SO}(3) 可以对应 ±D(l)(g)\pm D^{(l)}(g) 两个表示矩阵的话,那么此时 D(l)D^{(l)} 可以看做 SO(3)\text{SO}(3) 的一个特殊的表示,称之为双值表示。

双值表示不是原先意义下的表示!相应的,原先意义下的表示则可称为单值表示。

以欧拉角表示时,DSU(2)=2DSO(3)\mathcal{D}_{\mathrm{SU}(2)}=2\mathcal{D}_{\mathrm{SO}(3)},那么若将 SU(2)\text{SU}(2) 的取值范围限定在 Dso(3)\mathcal{D}_{so(3)} 内,这样就有一一对应了,那么这种情况下的 D(l)D^{(l)} 可以作为 SO(3)\text{SO}(3) 的表示矩阵吗?

SU(2)与SO(3)的对应-限制范围

答案是否定的,因为这样是不封闭的,例如

R(3π4,0,0)R(3π4,0,0)=R(−π2,0,0)D(l)(3π4,0,0)D(l)(3π4,0,0)=D(l)(3π2,0,0)\begin{aligned} &R(\textcolor{red}{\frac{3\pi}{4},0,0})R(\textcolor{red}{\frac{3\pi}{4},0,0})=R(\textcolor{green}{-\frac{\pi}{2},0,0})\\[1em] &D^{(l)}(\textcolor{red}{\frac{3\pi}{4},0,0})D^{(l)}(\textcolor{red}{\frac{3\pi}{4},0,0})=D^{(l)}(\textcolor{blue}{\frac{3\pi}{2},0,0}) \end{aligned}

上式中红色群元对应图中红点,绿色群元对应图中绿点,蓝色群元对应图中蓝点,可以看到,虽然转动矩阵的红点满足封闭性,但是表示矩阵的红点相乘后得到的蓝点并不在限制的范围内。

所以只能一个 RR 对应两个 D(l)D^{(l)},但是双值表示使用起来并不方便。为了回到传统意义下的单值表示,我们不再让一个群元对应两个表示矩阵,而是让群元翻倍,这样就先在数量上实现了一一对应。

如果在 SO(3)\text{SO}(3) 的群元基础上把群元数扩充一倍,并重新定义绕某轴转 2π2\pi 角的操作不再是单位元 ee 而是一个二阶元 eˉ\bar{e} (即 eˉeˉ=e\bar{e}\bar{e}=e),且与所有群元对易,那么可以证明这个群和 SU(2)\text{SU}(2) 同构,叫做 SO(3)\text{SO}(3) 的双群,记为 SOD(3)\text{SO}^D(3)。

这样我们就重新定义了一种乘法,如下图中 c3c_3 和 c34c_3^4 不再相等,c32c_3^2 和 c35c_3^5 也不再相等,也确实实现了群元数量的翻倍。

SO(3)双群群元

双群的单位元 ee 是绕某轴转 4π4\pi 角的操作:cnn=eˉ, cn2n=ec_n^n = \bar{e}, \ c_n^{2n} = e,此时群乘定义改变了,失去了封闭性,所以原来 SO(3)\text{SO}(3) 中的所有群元不再构成群。

因为群乘定义改变了,所以 SO(3)\text{SO}(3) 不是 SOD(3)\text{SO}^D(3) 的子群

现在就可以在 SOD(3)\text{SO}^D(3) 上的群元和表示矩阵 D(l)D^{(l)} 之间建立一一对应关系了,也就是说,引入双群之后,其双值表示替代了了单群的双值表示。

若规定在 SO(3)\text{SO}(3) 的参数范围 α∈[0,2π), β∈[0,π], γ∈[0,2π)\alpha \in [0,2\pi), \ \beta \in [0,\pi], \ \gamma \in [0,2\pi),则 ±g(α,β,γ)\pm g(\alpha,\beta,\gamma) 给出所有 SU(2)\text{SU}(2) 的群元,原 ±g↦R\pm g \mapsto R 对应规则变为

g(α,β,γ)↦R(α,β,γ)−g(α,β,γ)=g(α+2π,β,γ)↦eˉR(α,β,γ)=Rˉ(α,β,γ)\begin{aligned} g(\alpha,\beta,\gamma) &\quad \mapsto \quad R(\alpha,\beta,\gamma) \\ -g(\alpha,\beta,\gamma) = g(\alpha+2\pi,\beta,\gamma) &\quad \mapsto \quad \bar{e}R(\alpha,\beta,\gamma) = \bar{R}(\alpha,\beta,\gamma) \end{aligned}

SO(3)双群与SU(2)的对应关系

从参数空间上看就是 g(DSO(3))g(\mathcal{D}_{\text{SO}(3)}) 与 R(DSO(3))R(\mathcal{D}_{\text{SO}(3)}) 对应
−g(DSO(3))=g(DSU(2)−DSO(3))-g(\mathcal{D}_{\text{SO}(3)}) = g(\mathcal{D}_{\text{SU}(2)} - \mathcal{D}_{\text{SO}(3)}) 与 eˉR(DSO(3))=Rˉ(DSO(3))\bar{e}R(\mathcal{D}_{\text{SO}(3)}) = \bar{R}(\mathcal{D}_{\text{SO}(3)}) 对应

我们构造出的 SOD(3)\text{SO}^D(3) 与 SU(2)\text{SU}(2) 是同构的,因而不论 ll 为整数还是半奇数 D(l)D^{(l)} 总是 SOD(3)\text{SO}^D(3) 的单值表示。

若将 α\alpha 取值范围扩大到 [0,4π)[0, 4\pi),则 g(α,β,γ)g(\alpha, \beta, \gamma) 直接给出所有 SU(2)\text{SU}(2) 群元,与 SOD(3)\text{SO}^D(3) 群元的对应规则为

α∈[0,2π)时g(α,β,γ)↦R(α,β,γ)α∈[2π,4π)时g(α,β,γ)↦eˉR(α,β,γ)=Rˉ(α,β,γ)\begin{aligned} \alpha \in [0, 2\pi) \quad &\text{时} \quad g(\alpha, \beta, \gamma) \quad \mapsto \quad R(\alpha, \beta, \gamma) \\[1em] \alpha \in [2\pi, 4\pi) \quad &\text{时} \quad g(\alpha, \beta, \gamma) \quad \mapsto \quad \bar{e}R(\alpha, \beta, \gamma) = \bar{R}(\alpha, \beta, \gamma) \end{aligned}

类似的,通过规定转 2π2\pi 角的操作不是单位元 ee 而是与所有元对易二阶元 eˉ\bar{e},可以定义双点群、双空间群以及 O(3)\text{O}(3) 的双群 OD(3)\text{O}^\text{D}(3)。

自旋空间的旋转

引入双群以后,就可以方便地描述自旋空间中的旋转了。

SU(2)\text{SU}(2) 群元代表自旋空间中的转动

我们说 SU(2)\text{SU}(2) 群与 SO(3)\text{SO}^(3) 的对应为

gσg−1=σR(g)g−1σg=σR(g−1)=σR(g)−1g\boldsymbol{\sigma}g^{-1}=\boldsymbol{\sigma}R(g) \\[1em] g^{-1}\boldsymbol{\sigma}g=\boldsymbol{\sigma}R(g^{-1})=\boldsymbol{\sigma}R(g)^{-1}

设一自旋态为

∣ξ(u1,u2)⟩=u1∣↑⟩+u2∣↓⟩=(u1u2)=u\begin{aligned} |\xi(u_1,u_2)\rangle & =u_1|\uparrow\rangle+u_2|\downarrow\rangle= \begin{pmatrix} u_1 \\[0.5em] u_2 \end{pmatrix}=u \end{aligned}

则该态在 ii 方向上分量的自旋算符 S^=ℏ2σ\hat{\boldsymbol{S}}=\dfrac{\hbar}{2}\boldsymbol{\sigma} 的期望值为

ξi=⟨ξ∣ℏ2σi∣ξ⟩=ℏ2u+σiu\xi_i=\left\langle\xi\left|\frac{\hbar}{2}\sigma_i\right|\xi\right\rangle=\frac{\hbar}{2}u^+\sigma_iu

我们可以把平均值写成三个方向上的分量,看作是三维实空间中的矢量,空间旋转对平均值的作用为 ξ→ξ′=Rξ\xi\to\xi^{\prime}=R\xi,写成分量形式就是
ξi′=∑jRijξj\xi_i^{\prime}=\sum_jR_{ij}\xi_j

(ξ1′ξ2′ξ3′)=R(ξ1ξ2ξ3)\begin{pmatrix} \xi_1^{\prime} \\[0.5em] \xi_2^{\prime} \\[0.5em] \xi_3^{\prime} \end{pmatrix}=R \begin{pmatrix} \xi_1 \\[0.5em] \xi_2 \\[0.5em] \xi_3 \end{pmatrix}

计算

ξi′=∑jRijξj=∑jRijℏ2u+σju=ℏ2u+(∑jσjRjiT)u=ℏ2u+(∑jσj(R−1)ji)u=ℏ2u+(g−1σig)u=ℏ2(gu)+σi(gu)=ℏ2u′+σiu′\begin{aligned} \xi_{i}^{\prime}&=\sum_{j}R_{ij}\xi_{j}=\sum_{j}R_{ij}\frac{\hbar}{2}u^{+}\sigma_{j}u=\frac{\hbar}{2}u^{+}\left(\sum_{j}\sigma_{j}R_{ji}^{T}\right)u=\frac{\hbar}{2}u^{+}\left(\sum_{j}\sigma_{j}(R^{-1})_{ji}\right)u \\[1em] & =\frac{\hbar}{2}u^{+}(g^{-1}\sigma_{i}g)u=\frac{\hbar}{2}(gu)^{+}\sigma_{i}(gu)=\frac{\hbar}{2}u^{\prime+}\sigma_{i}u^{\prime} \end{aligned}

得到

ξ′=R(g)ξ⇔u′=gu\xi^{\prime}=R(g)\xi\quad\Leftrightarrow\quad u^{\prime}=gu

也就是说,RR 旋转对平均值的作用等价于 gg 变换对自旋态的作用。gg 即自旋空间的旋转(对 uu 的变换)且唯一对应坐标空间的一个旋转 R(g)R(g),或者说旋转 RR 对自旋空间也是有作用的,只不过是以 gg 的形式体现在自旋空间,而且同一个 RR 对应 ±g\pm g 两个变换。


为了让这种对应变为一一对应的,我们可以把 RR 由单群变为双群,即 g↦Rg \mapsto R,−g↦Rˉ-g \mapsto \bar{R}。

设旋转 R(α,β,γ)∈SO(3)R(\alpha, \beta, \gamma) \in \text{SO}(3),则有 R(2π,0,0)=I3R(2\pi, 0, 0) = I_3。当体系不含自旋或不考虑自旋时,旋转 R(2π,0,0)R(2\pi, 0, 0) 所对应的体系的变换算符 P^R\hat{P}_R 就是单位算符,即不变,或变回原状态。

当体系含有 12\dfrac{1}{2} 自旋时,旋转 R(2π,0,0)R(2\pi, 0, 0) 对应的变换算符 P^R\hat{P}_R 就不再是单位算符,因旋转不仅对坐标空间有作用,对自旋空间也有作用,而自旋空间中的变换则是相应的 SU(2)\text{SU}(2) 的群元 ±g(2π,0,0)=±I2\pm g(2\pi, 0, 0) = \pm I_2。那么这时便出现问题,若体系原来的自旋态是 u=(u1u2)u = \begin{pmatrix} u_1 \\ u_2 \end{pmatrix},那么旋转后的态到底是 I2uI_2u 还是 −I2u-I_2u 呢?虽然二者在可观察量意义下代表同一量子态,但是却反映出体系的不同对称性。为了描述这种不同,必须区分这两个变换,于是引入与 SU(2)\text{SU}(2) 同构的双群 SOD(3)\text{SO}^\text{D}(3) 便成为必要。引入双群后,RR 分裂为 RR 和 Rˉ\bar{R} 两个旋转,二者对坐标空间的旋转效果一样,但对自旋空间的旋转效果不同。

当要描述体系在坐标空间和自旋空间协同旋转下的对称性时(比如电子的自旋轨道耦合),需使用双群。