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真实メモ
- 原文: https://zhuanlan.zhihu.com/p/66341173
- 发布日期: 2019-05-20
- 分类: 数学方法 / 物理数学工具箱
#这 nm 我草稿本, 别进来乱翻. #

- 光子さん, 待ちなさーい.
- コラッ光子さん, 待ちなさい.
- 今宵も, 嫁いびりの時間ですよ.
- おや, テーブル上にこんなにホコリが たまっていたよ.
- 掃除をしていれば, たまらないはずなのにぃぃいい.
- もぉ私が若い頃っつったら本当真面目だからねぇー.
- 東洋の二宮金治郎っち言われとったばい, ほっんと···
- なの近所のマサッ··· あーあの中村さんとこの倅たいほら.
- 近所のマサシ君って子からね.
- 豚骨ラーメンよりいいとーっちゃなかろーか言われてからね.
- 豚骨ラーメンよりは言い過ぎばいマサシ君つってねほんとふーたんぬるかー
- #!@%%&^%(%^^#@!%%^%^%^#$
- ブフォー
- ハー, 一日が終わるのをただ待つだけの毎日この苦しみから解放される日は来るのかしら?
- 光子さん電車の中もこげんほこりがもういやっ!
- もう私耐えられないマリファナとかコカインとかLSD とか買いに行こう!
- お待ちなさい··· えっ!
- アッあなたは···
- 私は自由の国の使い.
- あなたは人生に疲れています, まるで···
- ··· えっ··· あっ··· あっま, まるで寒さに震えた子ひつじのようね, うん···
- さあ, 一緒に参りましょう.
- 憎しみも悲しみもない, 自由の国へ.
- うわー···
- うっは! こ··· ここは一体.
- さあ, 顔を上げてごらんなさい.
- あなたは?
- 私は自由の国の使い··· ああそっか.
- そしてここが自由の国です!
- うおおお··· これはすごい.
- この世界にはあなたを縛る物は何もありません.
- あなたは今誰よりも自由なのです··· Music, come on!
- 愛しています.
- 自由よ, 光子よ.
- あなたはなぜ.
- 眩しいの.
- それはヒシのせいよ.
- 中性しぼうの分泌カタよ.
- 翼のはえた.
- セルライト.
- む き だ し の 光 子 よ.
- ふわあああ.
- 自由って···
- なんて素晴らしいのかしら, 溢れ出す肉欲.
- その快感の中で, 光子はこうこつの表情をうかべ··· 光子さん.
- あなたは?
- 私は自由の国の使い··· ああそっか.
- 実は光子さんに言い忘れていた事があるんです.
- 言い忘れていた事?
- あなたは自由の国に来たら今日でここのかが経ちました.
- 実はこの国の決まりでとおか超えると元の世界に帰らなくなるのです··· っえ?
- このまま一生この国で暮らすかそれとも元の苦しみに満ちた世界へ戻るか?
- 光子さん, あなた自身で決めってください.
- そっ··· そんな··· 元の世界へ戻れないなんて··· お母さま···
- そんなの決まってるじゃない?
- 帰るわ, 元の世界へ.
- フッ.
- みっみんな!
- 影があるから, 光が眩しい.
- 冬があるから, 春が暖かい.
- 自由だって, 一緒ですよ.
- みんな, ありがとう.
- 光子さん, 万歳.
- 光子さん, 万歳.
- 光子さん, 万歳, 光子さん, 万歳, 光子さん, 万歳, 光子さん, 万歳, 光子さん, 万歳···
1. 的 Young Diagram
下面说的 Young 图均指 {\rm{SU}(n) 的 Young 图.
基本定义:

- 最一般的 Young 图如上所示, 方框里填上数字后叫 Young 表, 但我还叫 Young 图.
- Young 图由一行行格子拼成, 上图共 行, 最多只画到第 行.
- 若将各行的格子数分别记为 {Y_1},{Y_2}, \cdots ,{Y_{n - 1}.
- Young 图只需满足左对齐行不增即可, 即必须满足 {Y_1} \geqslant {Y_2} \geqslant \cdots \geqslant {Y_{n - 1}.
1. \left[ {\begin{array}{*{20}{c} {\Xi _{\rm{c} \\ {\Xi {'_{\rm{c} \end{array} \right] = R\left[ {\begin{array}{*{20}{c} {\Xi _{\rm{c}^{\bar 3} \\ {\Xi _{\rm{c}^6} \end{array} \right]:
{\Xi }_{\text{c} 的价夸克为 , 其中 在味道 \text{SU}{\left( 3 \right)}_{\text{f} 近似对称性下被视为全同粒子.
全同费米子体系要求 系统呈反对称态, 其量子态 \left| {\text{ }\!\!\psi\!\!\text{ }_{\text{sq} \right\rangle 由四部分构成:
\left| {\text{ }\!\!\psi\!\!\text{ }_{\text{sq} \right\rangle =\left| \text{color} \right\rangle \otimes \left| \text{flavor} \right\rangle \otimes \left| \text{spin} \right\rangle \otimes \left| \text{spatial} \right\rangle .
- 其中颜色部分是 trivial 的, 一正一反即可, 为 \text{SU}{\left( 3 \right)}_{\text{c}:3\otimes \bar{3}={1}_{\text{a}\oplus {8}_{\operatorname{m} 中的反对称单态.
- 味道为 \text{SU}{\left( 3 \right)}_{\text{f}:3\otimes 3={\bar{3}_{\text{a}\oplus {6}_{\text{s} 二选一.
- 自旋显然是经典的 \text{SU}\left( 2 \right):2\otimes 2={1}_{\text{a}\oplus {3}_{\text{s}.
- 而轨道不激发为 即对称的.
- 所以要想保证整体反对称的话 就必须同为对称或反对称.
- 由此以 未标记将两种构型分别记为 \Xi _{\text{c}^{\bar{3},\Xi _{\text{c}^{6}.
- 而物理可观测的质量本征态 {\Xi }_{\text{c},\Xi {'}_{\text{c} 为上述二者的混合.
sym: 对称. asym: 反对称. msym: 混合对称, 交换其中俩对称另外俩则反对称. 对称性和表示的维度并非一一对应, 虽然很多时候这么认为都不会出错.
SU(2):
2 \otimes 2 = {1_{\rm{asym} \oplus {3_{\rm{sym}.
2 \otimes 2 \otimes 2 = {2_{\rm{msym} \oplus {2_{\rm{msym} \oplus {4_{\rm{sym}.
SU(3):
3 \otimes 3 = {\bar 3}_{\rm{asym} \oplus {6_{\rm{sym}?
3 \otimes 3 \otimes 3 = {1_{\rm{asym} \oplus {8_{\rm{msym} \oplus {8_{\rm{msym} \oplus {10_{\rm{sym}.
- \bar{\psi }(x)\psi (x)\to \bar{\psi }({x}_{\mathcal{P})\psi ({x}_{\mathcal{P}), 此即宇称为 的标量流.
- \bar{\psi }(x){\gamma }^{5}\psi (x)\to -\bar{\psi }({x}_{\mathcal{P}){\gamma }^{5}\psi ({x}_{\mathcal{P}), 此即宇称为 的赝标流.
- \bar{\psi }(x){\gamma }^{\mu }\psi (x)\to {\mathcal{P}^{\mu }_{\nu }\bar{\psi }({x}_{\mathcal{P}){\gamma }^{\nu }\psi ({x}_{\mathcal{P}), 此即宇称为 的矢量流.
准确来说上面这个流算符的宇称应该记作 {(-)}^{\mu }\equiv {\rm{tr}{\left| {\gamma }^{\mu } \right|}^{2}/4. 这里记作 是因为它和 Lorentz 矢量的宇称相同, 而三矢量的宇称就是 的.
- \bar{\psi }(x){\gamma }^{\mu }{\gamma }^{5}\psi (x)\to -{\mathcal{P}^{\mu }_{\nu }\bar{\psi }({x}_{\mathcal{P}){\gamma }^{\nu }{\gamma }^{5}\psi ({x}_{\mathcal{P}), 此即宇称为 的轴矢流.
- \bar{\psi }(x){\sigma }^{\mu \nu }\psi (x)\to {\mathcal{P}^{\mu }_{\rho }{\mathcal{P}^{\nu }_{\sigma }\bar{\psi }({x}_{\mathcal{P}){\sigma }^{\rho \sigma }\psi ({x}_{\mathcal{P}), 此即混合宇称的张量流.
反对称的 只有 两类分量, 二者的宇称分别为 往 里补个 上去也就只是把两类分量的宇称对调一下, 是等价的.



A Lie group is a group which is also a manifold that satisfying the following two conditions:
(a) 群乘映射 is
(b) 求逆映射 is
开头第一句中的 manifold 指的从来都是实流形, 哪怕是幺正群对应的流形. 因为这句话太洗脑了, 就不翻译了.
Symmetric Part:
Antisymmetric Part:
Claims:
\left( g \right).\left\{ \begin{align} & {T}_{abc}={T}_{\left( abc \right)}\Rightarrow {T}_{\left[ abc \right]}=0 \\ & {T}_{abc}={T}_{\left[ abc \right]}\Rightarrow {T}_{\left( abc \right)}=0 \\ \end{align} \right.
General Linear Group:
未注明 一般默认实空间.
为非连通流形, 实矢量空间 为 维.
为连通流形, 复矢量空间 为 维.
Orthogonal Group:
\text{O}\left( m \right):=\left\{ {Z}^{a}_{b}\in {\mathcal{T}_{V}\left( 1,1 \right)|\ \ {g}_{cd}={g}_{ab}{Z}^{a}_{c}{Z}^{b}_{d} \right\}\subset \text{GL}\left( \text{m},\mathbb{R} \right)
这里的条件称为保度规条件, 正交群保的度规 ${g}_{ab}$ 是正定度规[[1]](#ref_1).显然有 , 说明是一个非连通流形.
等价定义: \text{O}\left( m \right):=\left\{ Z|Z\in \text{GL}\left( m,\mathbb{R} \right),{Z}^{\text{T}Z=I \right\}
其 lie algebra
$\text{O}\left( 2 \right):=\left\{ \left. Z\left( \alpha \right)=\left[ \begin{matrix} \cos \alpha & -\sin \alpha \\ \sin \alpha & \cos \alpha \\ \end{matrix} \right],\ {Z}'\left( {\alpha }'} \right)=\left[ \begin{matrix} \cos {\alpha }' & \sin {\alpha }' \\ \sin {\alpha }' & -\cos {\alpha }' \\ \end{matrix} \right]\ \right|\ \alpha \in \left[ 0,2\pi \right) \right\}$ 默认笛卡尔坐标系下的二维欧氏空间, $Z,{Z}'$分别为转动与反射后转动.作为 manifold 是两个圆周.
Indefinite Orthogonal Group:
度规在一组标准正交基表达如下, 其中 为 的个数, 为 的个数.
\text{O}\left( {m}',{m}'' \right):=\left\{ \Lambda _{\ \ b}^{a}\in {\mathcal{T}_{V}\left( 1,1 \right)|\ \ {g}_{cd}={g}_{ab}\Lambda _{\ \ c}^{a}\Lambda _{\ \ d}^{b} \right\}
与正交群的要求类似, 也是全体保度规的 tensor. 显然 即正交群. 不难发现
Lorentz group:
群元 满足要求
洛伦兹度规 就是只有一个 的 .
Unitary Group:
这里的条件称为保(复)内积条件. 显然有 , Unitary group 都是连通 manifold.
其 lie algebra
其维度:
Special Group:
其 lie algebra
作为 manifold 是两个圆周, 其中一个包含恒等元的是他的子群 .
其 manifold 是个半径为 的对径认同的三维实心球. 补充: 球内点到球心距离大小表征旋转的角度大小, 与球心连线表征转轴.
其 lie algebra
与 和 对应的 情况不一样, 这里 .
其维度:
由 与结论" 内元素 对角元是纯虚数且 " 可知 是一个很显然的结论.
: 其基矢为泡利矩阵
一般为了结构常数好看, 实际上会选择 作为基矢.
这样选择基矢会得到满足具有轮换对称性的表达式 $\left[ {E}_{1},{E}_{2} \right]={E}_{3}$ .
结构张量(Structure Tensors)与结构常数(Structure Constants):
A. 结构张量(Structure Tensors):
给定李代数有与之对应的李括号 , 其本质是一个李代数上的双线性映射 .[2]
所以本质上来说李括号就是一个 型的张量 :
即 .
此时我们就称这个张量 为此李代数的结构张量, 其满足两条性质:[3]
B. 结构常数(Structure Constants):
李代数就是李群的恒等元的切空间, 就是说它本质上是一个线性空间, 那么对一个线性空间我们总可以选择一组基矢量 来刻画这个空间.
我们将结构张量作用在任意两个基矢上可得:
而这里的 就被称作此李代数的结构常数, 其自然满足性质:
显然, 结构常数是依赖于基底的选取的.
理论上给出一组满足上面两个关系的数, 就可以找到一个李群对应的李代数以其为结构常数.
普通导数算符(Ordinary Derivative Operaters)
符号定义:
{\partial }_{a}T_{\ \ c}^{b}:={\left( d{x}^{\mu } \right)}_{a}{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\nu } \right)}^{b}{\left( d{x}^{\sigma } \right)}_{c}{\partial }_{\mu }T_{\ \ \sigma }^{\nu }={\left( d{x}^{\mu } \right)}_{a}{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\nu } \right)}^{b}{\left( d{x}^{\sigma } \right)}_{c}\frac{\partial T_{\ \ \sigma }^{\nu }{\partial {x}^{\mu }
\left\{ \begin{align} & {\partial }_{a}{u}^{a}={\left( d{x}^{\mu } \right)}_{a}{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\nu } \right)}^{a}{\partial }_{\mu }{u}^{\nu }=\frac{\partial {x}^{\mu }{\partial {x}^{\nu }{\partial }_{\mu }{u}^{\nu }={\partial }_{\nu }{u}^{\nu }=\frac{\partial {u}^{\nu }{\partial {x}^{\nu } \\ & {\partial }_{a}{u}^{b}={\left( d{x}^{\mu } \right)}_{a}{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\nu } \right)}^{b}{\partial }_{\mu }{u}^{\nu }={\left( d{x}^{\mu } \right)}_{a}{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\nu } \right)}^{b}\frac{\partial {u}^{\nu }{\partial {x}^{\mu } \\ \end{align} \right. 其中上下标 也是包含求和操作的, 例: {\partial }_{a}f={\left( d{x}^{\mu } \right)}_{a}{\partial }_{\mu }f={\left( d{x}^{\mu } \right)}_{a}\frac{\partial f}{\partial {x}^{\mu }
矢量场对易子的定义:
守恒流:
Others:
闭子集的定义是补集为开集的子集.
✦General Linear Groups:
维实矢量空间 上全体可逆线性映射 的集合.
非连通流形
✦Orthogonal Groups:
O\left( m \right):=\left\{ Z_{\ \ b}^{a}\in {\mathcal{T}_{V}\left( 1,1 \right)|\ \ {g}_{cd}={g}_{ab}Z_{\ \ c}^{a}Z_{\ \ d}^{b} \right\}\subset GL\left( m \right)
显然有: , (说明非连通流形)
包括恒等映射 与 \left\{ \begin{align} &逆时针转动 Z\left( \alpha \right)=\left[ \begin{matrix} \cos \alpha & -\sin \alpha \\ \sin \alpha & \cos \alpha \\ \end{matrix} \right] \\ &反射后转动 {Z}'\left( {\alpha }'} \right)=\left[ \begin{matrix} \cos {\alpha }' & \sin {\alpha }' \\ \sin {\alpha }' & -\cos {\alpha }' \\ \end{matrix} \right] \\ \end{align} \right.
默认笛卡尔坐标系下的二维欧氏空间.
✦Indefinite orthogonal group:
度规在一组标准正交基表达如下, 其中 为 的个数, 为 的个数.
O\left( {m}',{m}'' \right):=\left\{ \Lambda _{\ \ b}^{a}\in {\mathcal{T}_{V}\left( 1,1 \right)|\ \ {g}_{cd}={g}_{ab}\Lambda _{\ \ c}^{a}\Lambda _{\ \ d}^{b} \right\}
与正交群的要求类似, 也是全体保度规的 tensor. 显然 即正交群. 不难发现
上式的特例Lorentz group: 群元 满足要求
洛伦兹度规 就是只有一个 的
✦Special Groups:
其 manifold 是俩圆, 其中一个包含恒等元是他的子群 .
其 manifold 是个圆.
其 manifold 是个半径为 的对径认同的三维实心球. 补充: 球内点到球心距离大小表征旋转的角度大小, 与球心连线表征转轴.
指的是流形 [4]上的 型张量场的集合, F for field.
指的向量空间 [5]上的 型张量的集合, T for tensor.
\begin{align} & T_{\ \ \ \nu }^{'\mu }=T_{\ \ \ b}^{a}{\left( d{x}'}^{\mu } \right)}_{a}{\left( \frac{\partial }{\partial {x}'}^{\nu } \right)}^{b}=T_{\ \ b}^{a}\frac{\partial {x}'}^{\mu }{\partial {x}^{\rho }{\left( d{x}^{\rho } \right)}_{a}\frac{\partial {x}^{\sigma }{\partial {x}'}^{\nu }{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\sigma } \right)}^{b}=\frac{\partial {x}'}^{\mu }{\partial {x}^{\rho }\frac{\partial {x}^{\sigma }{\partial {x}'}^{\nu }T_{\ \ \sigma }^{\rho } \\ & {\left( d{x}'}^{\mu } \right)}_{a}={\left( d{x}'}^{\mu } \right)}_{b}{\left( d{x}^{\rho } \right)}_{a}{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\rho } \right)}^{b}=\frac{\partial {x}'}^{\mu }{\partial {x}^{\rho }{\left( d{x}^{\rho } \right)}_{a} \\ & {\left( \frac{\partial }{\partial {x}'}^{\nu } \right)}^{b}={\left( \frac{\partial }{\partial {x}'}^{\nu } \right)}^{a}{\left( d{x}^{\sigma } \right)}_{a}{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\sigma } \right)}^{b}=\frac{\partial {x}^{\sigma }{\partial {x}'}^{\nu }{\left( \frac{\partial }{\partial {x}^{\sigma } \right)}^{b} \\ \end{align}


高量:
证明
构造
\frac{d}^{2}{d{x}^{2}f\left( x \right)={e}^{Ax}A\left[ A,B \right]{e}^{-Ax}-{e}^{Ax}\left[ A,B \right]A{e}^{-Ax}={e}^{Ax}\left[ A,\left[ A,B \right] \right]{e}^{-Ax}
\frac{d}^{n}{d{x}^{n}f\left( x \right)={e}^{Ax}\left[ {A}^{\left( n \right)},B \right]{e}^{-Ax}
上面可以使用数学归纳法证明.
{e}^{Ax}B{e}^{-Ax}=f\left( x \right)=\sum\limits_{n=0}{\left. \frac{1}{n!}\frac{d}^{n}{d{x}^{n}f\left( x \right) \right|}_{x=0}{x}^{n}=\sum\limits_{n=0}{\frac{1}{n!}\left[ {A}^{\left( n \right)},B \right]{x}^{n}
令上式 即得证.
喀兴林书上二次量子化部分定义的对称或反对称基矢为:
我则认为应该定义做:
\left| n;{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle =\frac{1}{\sqrt{n!{n}_{a}!{n}_{b}!\cdot \cdot \cdot {n}_{z}!}\sum\limits_{s}{P}_{s}{\varepsilon }^{p}_{s}{\left| {\lambda }_{a} \right\rangle }_{1}{\left| {\lambda }_{b} \right\rangle }_{2}\cdot \cdot \cdot {\left| {\lambda }_{z} \right\rangle }_{n}
二者对应关系为:
{\left| n;{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle }^{\prime }=\sqrt{\frac{n}_{a}!{n}_{b}!\cdot \cdot \cdot {n}_{z}!}{n!}\left| n;{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle
这样一来就会直接改变产生湮灭算符的定义:
咯书为:
利用我的定义的矢量就要改为: {a}^{\dagger }\left( {\lambda }_{i} \right)\sqrt{\frac{n}_{a}!{n}_{b}!\cdot \cdot \cdot {n}_{z}!}{n!}\left| n;{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle =\sqrt{n+1}\left[ \begin{align} & {\delta }_{ia}\sqrt{\frac{\left( {n}_{a}+1 \right)!{n}_{b}!\cdot \cdot \cdot {n}_{z}!}{\left( n+1 \right)!}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ & +{\delta }_{ib}\sqrt{\frac{n}_{a}!\left( {n}_{b}+1 \right)!\cdot \cdot \cdot {n}_{z}!}{\left( n+1 \right)!}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ & +\cdot \cdot \cdot \\ & +{\delta }_{iz}\sqrt{\frac{n}_{a}!{n}_{b}!\cdot \cdot \cdot \left( {n}_{z}+1 \right)!}{\left( n+1 \right)!}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ \end{align} \right]
化简后并不复杂 {a}^{\dagger }\left( {\lambda }_{i} \right)\left| n;{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle =\left[ \begin{align} & {\delta }_{ia}\sqrt{n}_{a}+1}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ & +{\delta }_{ib}\sqrt{n}_{b}+1}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ & +\cdot \cdot \cdot \\ & +{\delta }_{iz}\sqrt{n}_{z}+1}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ \end{align} \right]
但其实还有一种情况没考虑, 考虑上就是:
时:
时:
{a}^{\dagger }\left( {\lambda }_{i} \right)\left| n;{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle =\left[ \begin{align} & \ \ \ \ \ {\delta }_{ia}\sqrt{n}_{a}+1}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ & +{\delta }_{ib}\sqrt{n}_{b}+1}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ & +\cdot \cdot \cdot \\ & +{\delta }_{iz}\sqrt{n}_{z}+1}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle \\ \end{align} \right]
或者写作 {a}^{\dagger }\left( {\lambda }_{i} \right)\left| n;{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle =\sqrt{n}_{i}+1}\left| n+1;{\lambda }_{i},{\lambda }_{a},{\lambda }_{b},\cdot \cdot \cdot ,{\lambda }_{z} \right\rangle
量子力学:
双电子体系的自旋耦合:
单电子自旋算符记作 \vec{S}={S}_{x}{\vec{e}_{x}+{S}_{y}{\vec{e}_{y}+{S}_{z}{\vec{e}_{z}
其中自旋 方向分量算符 对应本征值 的本征态分别记作
现在定义算符 即
不难证明在 表象(或 表象)下, 相关算符与本征态的矩阵表达如下:
通过矩阵运算可以得到下列关系:
{\sigma }_{x}\left| \uparrow \right\rangle =\left[ \begin{matrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \\ \end{matrix} \right]\left[ \begin{matrix} 1 \\ 0 \\ \end{matrix} \right]=\left[ \begin{matrix} 0 \\ 1 \\ \end{matrix} \right]=\left| \downarrow \right\rangle \ ,\ {\sigma }_{x}\left| \downarrow \right\rangle =\left[ \begin{matrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \\ \end{matrix} \right]\left[ \begin{align} & 0 \\ & 1 \\ \end{align} \right]=\left[ \begin{matrix} 1 \\ 0 \\ \end{matrix} \right]=\left| \uparrow \right\rangle
双电子体系的对称基矢量有如下四种:
出于方便起见, 我们永远将电子 的算符与态放在张量积的左边, 即
三个对称三重态 \left\{ \begin{align} & \left| {\varphi }_{1} \right\rangle =\left| \uparrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \\ & \left| {\varphi }_{2} \right\rangle =\left| \downarrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle \\ & \left| {\varphi }_{3} \right\rangle =\frac{1}{\sqrt{2}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle +\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right) \\ \end{align} \right.
与一个反对称单重态 \left| {\varphi }_{4} \right\rangle =\frac{1}{\sqrt{2}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle -\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right)
容易证明它们两两正交, 全部归一, 双电子自旋是四维体系故不可能存在更多基矢.
对于哈密顿量为 \vec{H}=\alpha {\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2}=\alpha \left( {S}_{1x}{S}_{2x}+{S}_{1y}{S}_{2y}+{S}_{1z}{S}_{2z} \right) 的体系
我们可以通过关系 {\left( {\vec{S}_{1}+{\vec{S}_{2} \right)}^{2}=S_{1}^{2}+S_{2}^{2}+2{\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2} 得到 {\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2} 的表达式:
{\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2}=\frac{1}{2}\left[ {\left( {\vec{S}_{1}+{\vec{S}_{2} \right)}^{2}-S_{1}^{2}-S_{2}^{2} \right]=\frac{1}{2}\left[ {\left( {\vec{S}_{1}+{\vec{S}_{2} \right)}^{2}-\frac{1}{2}\left( \frac{3}{2} \right){\hbar }^{2}-\frac{1}{2}\left( \frac{3}{2} \right){\hbar }^{2} \right]=\frac{1}{2}\left[ {\left( {\vec{S}_{1}+{\vec{S}_{2} \right)}^{2}-\left( \frac{3}{2} \right){\hbar }^{2} \right]
显然 {S}^{2}={\left( {\vec{S}_{1}+{\vec{S}_{2} \right)}^{2} 的本征值有 所以分立的能谱有两条谱线:
E=\left\{ \begin{align} & {E}_{t}=\frac{1}{2}\left[ 2-\frac{3}{2} \right]{\hbar }^{2}=\frac{1}{4}{\hbar }^{2}\alpha \ \ \ \ \ {S}^{2}=2{\hbar }^{2} \\ & {E}_{s}=\frac{1}{2}\left[ 0-\frac{3}{2} \right]{\hbar }^{2}=-\frac{3}{4}{\hbar }^{2}\alpha \ \ \ {S}^{2}=0 \\ \end{align} \right. 其中 t for triplet, s for singlet.
为了进一步理解, 可以直接证明四个对称或反对称的基矢都是 {\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2} 的本征矢:
\begin{align} & {\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2}\left| {\varphi }_{1} \right\rangle =\left( {S}_{1x}{S}_{2x}+{S}_{1y}{S}_{2y}+{S}_{1z}{S}_{2z} \right)\left| \uparrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ={S}_{1x}{S}_{2x}\left| \uparrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle +{S}_{1y}{S}_{2y}\left| \uparrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle +{S}_{1z}{S}_{2z}\left| \uparrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{\hbar }^{2}{4}\left| \downarrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle -\frac{\hbar }^{2}{4}\left| \downarrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle +\frac{\hbar }^{2}{4}\left| \uparrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{\hbar }^{2}{4}\left| {\varphi }_{1} \right\rangle \\ \end{align} \begin{align} & {\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2}\left| {\varphi }_{2} \right\rangle =\left( {S}_{1x}{S}_{2x}+{S}_{1y}{S}_{2y}+{S}_{1z}{S}_{2z} \right)\left| \downarrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{\hbar }^{2}{4}\left| \uparrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle -\frac{\hbar }^{2}{4}\left| \uparrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle +\frac{\hbar }^{2}{4}\left| \downarrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{\hbar }^{2}{4}\left| {\varphi }_{2} \right\rangle \\ \end{align} \begin{align} & {\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2}\left| {\varphi }_{3} \right\rangle =\left( {S}_{1x}{S}_{2x}+{S}_{1y}{S}_{2y}+{S}_{1z}{S}_{2z} \right)\frac{1}{\sqrt{2}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle +\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right) \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{1}{\sqrt{2}\left[ {S}_{1x}{S}_{2x}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle +\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right)+{S}_{1y}{S}_{2y}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle +\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right)+{S}_{1z}{S}_{2z}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle +\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right) \right] \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{1}{\sqrt{2}\left[ \frac{\hbar }^{2}{4}\left( \left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle +\left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle \right)+\frac{\hbar }^{2}{4}\left( \left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle +\left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle \right)-\frac{\hbar }^{2}{4}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle +\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right) \right] \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{\hbar }^{2}{4}\left| {\varphi }_{3} \right\rangle \\ \end{align} \begin{align} & {\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2}\left| {\varphi }_{4} \right\rangle =\left( {S}_{1x}{S}_{2x}+{S}_{1y}{S}_{2y}+{S}_{1z}{S}_{2z} \right)\frac{1}{\sqrt{2}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle -\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right) \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{1}{\sqrt{2}\left[ {S}_{1x}{S}_{2x}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle -\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right)+{S}_{1y}{S}_{2y}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle -\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right)+{S}_{1z}{S}_{2z}\left( \left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle -\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right) \right] \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{1}{\sqrt{2}\left[ \frac{\hbar }^{2}{4}\left( \left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle -\left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle \right)+\frac{\hbar }^{2}{4}\left( \left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle -\left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle \right)+\frac{\hbar }^{2}{4}\left( -\left| \uparrow \right\rangle \left| \downarrow \right\rangle +\left| \downarrow \right\rangle \left| \uparrow \right\rangle \right) \right] \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =-\frac{3{\hbar }^{2}{4}\left| {\varphi }_{4} \right\rangle \\ \end{align}
显然他们也是算符 {S}^{\text{2}=\frac{3}{2}{\hbar }^{2}+2{\vec{S}_{1}\cdot {\vec{S}_{2} 的本征矢.
概率流密度与动量的联系:
\begin{align} & \int{\vec{j}\cdot d\vec{r}=\frac{\hbar }{2mi}\int{\left( {\psi }^{*}\nabla \psi -\nabla {\psi }^{*}\psi \right)\cdot d\vec{r} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{1}{2m}\int{\left( \left\langle \psi | {\vec{r} \right\rangle \left\langle {\vec{r} \right|P\left| \psi \right\rangle +\left\langle \psi \right|P\left| {\vec{r} \right\rangle \left\langle {\vec{r} | \psi \right\rangle \right)\cdot d\vec{r} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{1}{2m}\left[ \int{\left\langle \psi | {\vec{r} \right\rangle \left\langle {\vec{r} \right|P\left| \psi \right\rangle \cdot d\vec{r}+\int{\left\langle \psi \right|P\left| {\vec{r} \right\rangle \left\langle {\vec{r} | \psi \right\rangle \cdot d\vec{r} \right] \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\frac{1}{2m}\left[ \left\langle \psi \right|P\left| \psi \right\rangle +\left\langle \psi \right|P\left| \psi \right\rangle \right]=\frac{\left\langle P \right\rangle }{m} \\ \end{align}
其中第二步可看作 \left\langle {\vec{r} \right|P\left| \psi \right\rangle =\frac{\hbar }{i}\nabla \left\langle {\vec{r} | \psi \right\rangle \Rightarrow \left\langle \psi \right|{P}^{\dagger }\left| {\vec{r} \right\rangle =-\frac{\hbar }{i}\nabla \left\langle \psi | {\vec{r} \right\rangle
可以严格推导 \left\langle \psi \right|{P}^{\dagger }\left| {\vec{r} \right\rangle =\int{\left\langle \psi | {\vec{r}'} \right\rangle \left\langle {\vec{r}'} \right|{P}^{\dagger }\left| {\vec{r} \right\rangle d{\vec{r}'} \begin{align} & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\int{\psi }^{*}\left( {\vec{r}'} \right)\frac{\hbar }{i}\nabla \delta \left( \vec{r}-{\vec{r}' \right)d{\vec{r}'} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\int{\psi }^{*}\left( {\vec{r}'} \right)\frac{\hbar }{i}d\delta \left( \vec{r}-{\vec{r}' \right)} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =-\frac{\hbar }{i}\int{\delta \left( \vec{r}-{\vec{r}' \right)\frac{d{\psi }^{*}\left( {\vec{r}'} \right)}{d{\vec{r}'}d{\vec{r}'} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =-\frac{\hbar }{i}\int{\delta \left( \vec{r}-{\vec{r}' \right)\nabla {\psi }^{*}\left( {\vec{r}'} \right)d{\vec{r}'} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =-\frac{\hbar }{i}\nabla \left\langle \psi | {\vec{r} \right\rangle \\ \end{align}
热力学与统计物理:
\left\{ \begin{align} & \frac{\omega }_{l}\mp {a}_{l}{a}_{l}\text{=}{e}^{\alpha +\beta {\varepsilon }_{l} \\ & \frac{\omega }_{l}\mp {a}_{l}{\omega }_{l}\text{=}\frac{1}{1\pm {e}^{-\alpha -\beta {\varepsilon }_{l} \\ \end{align} \right.
{a}_{l}=\frac{\omega }_{l}{e}^{\alpha +\beta {\varepsilon }_{l}\pm 1}\Rightarrow {\omega }_{l}\mp {a}_{l}={\omega }_{l}\left( \frac{e}^{\alpha +\beta {\varepsilon }_{l}{e}^{\alpha +\beta {\varepsilon }_{l}\pm 1} \right)={e}^{\alpha +\beta {\varepsilon }_{l}{a}_{l}
在用巨正则分布计算物理量的时候通常都要先算出 来, 因为其他物理量求完总会有 , 再者就是需要 的关系来确定 的值.有时是从大热源确定的, 比如吸附现象的大热源: 气体环境.
正则系综理论:\left\{ \begin{align} & {\rho }_{s}=\frac{1}{Z}{e}^{-\beta {E}_{s}\ \ \ \ Z=\sum\limits_{s}{e}^{-\beta {E}_{s} \\ & \bar{E}=\sum\limits_{s}{E}_{s}{\rho }_{s}=-\frac{\partial \ln z}{\partial \beta } \\ & {\bar{Y}_{i}=\sum\limits_{s}{\frac{\partial {E}_{s}{\partial {y}_{i}{\rho }_{s}=-\frac{1}{\beta }\frac{\partial \ln Z}{\partial {y}_{i} \\ & S=k\left[ \ln Z-\beta \frac{\partial \ln Z}{\partial \beta } \right] \\ \end{align} \right.
玻尔兹曼分布: \left\{ \begin{align} & {a}_{l}={\omega }_{l}{e}^{-\alpha -\beta {\varepsilon }_{l}\ \ \ \ {Z}_{1}=\sum\limits_{l}{\omega }_{l}{e}^{-\beta {\varepsilon }_{l} \\ & N=\sum\limits_{l}{a}_{l}={e}^{-\alpha }{Z}_{1} \\ & E=\sum\limits_{l}{\varepsilon }_{l}{a}_{l}=-N\frac{\partial \ln {Z}_{1}{\partial \beta } \\ & {Y}_{i}=\sum\limits_{l}{\frac{\partial {\varepsilon }_{l}{\partial {y}_{i}{a}_{l}=-\frac{N}{\beta }\frac{\partial \ln {Z}_{1}{\partial {y}_{i} \\ & S=Nk\left[ \ln {Z}_{1}-\beta \frac{\partial \ln {Z}_{1}{\partial \beta } \right]-\left( k\ln N! \right) \\ \end{align} \right.
巨正则系综理论: \left\{ \begin{align} & {\rho }_{Ns}=\frac{1}{\Xi }{e}^{-\alpha N-\beta {E}_{s}\ \ \ \ \ \Xi =\sum\limits_{N}{\sum\limits_{s}{e}^{-\alpha N-\beta {E}_{s} \\ & \bar{N}=\sum\limits_{N}{\sum\limits_{s}{N{\rho }_{Ns}=-\frac{\partial \ln \Xi }{\partial \alpha } \\ & \bar{E}=\sum\limits_{N}{\sum\limits_{s}{E}_{s}{\rho }_{Ns}=-\frac{\partial \ln \Xi }{\partial \beta } \\ & {\bar{Y}_{i}=\sum\limits_{N}{\sum\limits_{s}{\frac{\partial {E}_{s}{\partial {y}_{i}{\rho }_{Ns}\text{=}-\frac{1}{\beta }\frac{\partial \ln \Xi }{\partial {y}_{i} \\ & S=k\left[ \ln \Xi -\alpha \frac{\partial \ln \Xi }{\partial \alpha }-\beta \frac{\ln \Xi }{\partial \beta } \right] \\ \end{align} \right.
费米/玻色分布: \left\{ \begin{align} & {a}_{l}=\frac{\omega }_{l}{e}^{\alpha +\beta {\varepsilon }_{l}\pm 1}\ \ \ \ \Xi =\prod\limits_{l}{\left( 1\pm {e}^{-\alpha -\beta {\varepsilon }_{l} \right)}^{\pm {\omega }_{l} \\ & \ln \Xi =\sum\limits_{l}{\pm {\omega }_{l}\ln \left( 1\pm {e}^{-\alpha -\beta {\varepsilon }_{l} \right)} \\ & N\text{=}\sum\limits_{l}{a}_{l}=\sum\limits_{l}{\frac{\omega }_{l}{e}^{-\alpha -\beta {\varepsilon }_{l}{1\pm {e}^{-\alpha -\beta {\varepsilon }_{l}=-\frac{\partial \ln \Xi }{\partial \alpha } \\ & E=\sum\limits_{l}{\varepsilon }_{l}{a}_{l}=\sum\limits_{l}{\varepsilon }_{l}\frac{\omega }_{l}{e}^{-\alpha -\beta {\varepsilon }_{l}{1\pm {e}^{-\alpha -\beta {\varepsilon }_{l}=-\frac{\partial \ln \Xi }{\partial \beta } \\ & {Y}_{i}=\sum\limits_{l}{\frac{\partial {\varepsilon }_{l}{\partial {y}_{i}{a}_{l}=-\frac{1}{\beta }\frac{\partial \ln \Xi }{\partial {y}_{i} \\ & S=k\left[ \ln \Xi -\alpha \frac{\partial \ln \Xi }{\partial \alpha }-\beta \frac{\partial \ln \Xi }{\partial \beta } \right] \\ \end{align} \right.
固体物理:
晶格振动:
格子波矢数目=原胞数 波矢数=\frac{V}{\left( \text{2}\pi \right)}^{\text{3}\int_{第一布里渊区}{d\vec{q}=\frac{N{\Omega }_{原胞体积}{\left( \text{2}\pi \right)}^{\text{3}\Omega _{倒格原胞体积}^{*}=N
色散关系 \omega =\omega \left( {\vec{q} \right) 数=声学支数+光学支数=一个原胞内的自由度数
振动模式 数=波矢数x色散关系数=固体自由度数