Главная > ТЕОРИЯ ГРУПП И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ К КВАНТОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ АТОМНЫХ СПЕКТРОВ (Е.Вигнер)
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

Условия вещественности неприводимых представлений играют существенную роль в дальненшем анализе. Эти результаты были получены впервые двумя основателями теории представленийФробениусом и Шуром ${ }^{1}$ ), и мы воспользуемся ими также в гл. 26.

В предыдущих главах были описаны различные способы получения новых представлений из заданного представления или из пары представлений. К ним будет добавлен новый, хотя и вполне очевидный путь: переход к комплексному сопряжению. Если $\mathrm{D}(R)$ образуют представление группы, то и (D $(R))^{*}$ образует представление, т. е. представление образуют матрицы, элементы которых являются комплексно-сопряженными элементам $\mathrm{D}(R)$. Ясно, что из соотношения $\mathrm{D}(R) \mathrm{D}(S)=\mathrm{D}(R S)$ следует $\mathrm{D}(R)^{*} \mathrm{D}(S)^{*}=\mathrm{D}(R S)^{*}$. Далее, если представление $\mathbf{D}(R)$ неприводимо, то это же относится и к комплексно-сопряженному представлению $\mathbf{D}(R)^{*}$. Если преобразование с матрицей $\mathbf{S}$ преобразует все $\mathbf{D}(R)$ к приведенному виду, показанному на стр. 105 , то $\mathbf{S}^{*}$ будет приводить $\mathbf{D}(R)^{*}$ к аналогичному виду.

Комплексное сопряжение приводит к важному различию между неприводимыми представлениями: представление $\mathbf{D}(R)^{*}$ может быть либо эквивалентным, либо неэквивалентным представлению $\mathbf{D}(R)$. Так как характер представления $\mathbf{D}(R)^{*}$ является комплексно-сопряженным характеру $\chi(R)$ представления $\mathrm{D}(R)$ и так как два представления эквивалентны, если совпадают их характеры (см. стр. 106), то представление $\mathrm{D}(R)$ будет эквивалентным комплексно-сопряженному представлению $\mathrm{D}(R)^{*}$, если его характер веществен, т. е. если все числа $\chi(R)$ вещественны. В противном случае $\mathbf{D}(R)$ и $\mathbf{D}(R)^{*}$ будут неэквивалентными.

Формулы (15.26) и (15.28) показывают, что все неприводимые представления трехмерной группы вращений, а также двумерной унимодулярной унитарной группы, имеют вещественные характеры. То же самое относится ко всем группам, в которых каждый элемент находится в том же классе, что и обратный ему. В этом легче всего убедиться, если рассматривать представления в унитарном виде. Тогда из соотношения
\[
\mathbf{D}\left(R^{-1}\right)=\mathbf{D}(R)^{\dagger}
\]

следует, что характеры матриц для $R$ и $R^{-1}$ являются комплексно-сопряженными. Если $R$ и $R^{-1}$ принадлежат одному и тому же классу, характеры $R$ и $R^{-1}$ также равны. Следовательно, они вещественны. Такое положение имеет место в случае трехмерной группы вращений, двумерной унимодулярной унитарной группы, а также в случае группы всех двумерных вещественных ортогональных матриц. Оно не относится к группе двумерных чистых вращений, и эта последняя имеет представления как с вещественными, так и с комплексными характерами (см. гл. 14).
1) G. Frobenius, I. Schur, Berl. Ber., 1906, S. 186.
Если D $(R)$ унитарно и имеет вещественный характер, то существует такая унитарная матрица $\mathbf{C}$, которая преобразует $\mathbf{D}(R)^{*}$ в $\mathbf{D}(R)$. Тогда
\[
\mathrm{CD}(R)=\mathrm{D}(R)^{*} \mathrm{C} .
\]

Если представление $\mathbf{D}(R)$ неприводимо, то $\mathbf{C}$ в (24.3) определяется однозначно, с точностью до постоянного множителя. Кроме того, матрица С либо симметрична, либо антисимметрична. Чтобы доказать эту теорему, возьмем соотношение, комплексно-сопряженное соотношению (24.3), и умножим его на С слева. Тогда
\[
\mathrm{CC}^{*} \mathrm{D}(R)^{*}=\mathrm{CD}(R) \mathrm{C}^{*}=\mathrm{D}(R)^{*} \mathrm{CC}^{*} .
\]

Последнее выражение получается, если снова использовать (24.3). Если представление $\mathrm{D}(R)^{*}$ неприводимо, то матрица $\mathrm{CC}^{*}$, которая коммутирует с ним, должна быть кратной единичной матрице: $\mathbf{C C}^{*}=c \mathbf{1}$. Кроме того, поскольку $\mathbf{C}$ унитарна, $\mathbf{C}^{T} \mathbf{C}^{*}=1$; отсюда вытекает, что $\mathbf{C}=c \mathbf{C}^{T}$. Транспонирование этого соотношения дает $\mathbf{C}^{T}=c \mathbf{C}$, так что $\mathbf{C}=c^{2} \mathbf{C}, c= \pm 1$. Это дает
\[
\mathbf{C}= \pm \mathrm{C}^{T} \text {. }
\]

Далее, легко убедиться в том, что если C симметрична для представления $\mathrm{D}(R)$, то она будет симметрична и для эквивалентного представления $\mathbf{S}^{-1} \mathbf{D}(R) \mathbf{S}$. Аналогичное утверждение относится и к тому случаю, когда C антисимметрична, так что возможность, следующая из (24.3б), дает классификацию неприводимых представлений с вещественными характерами на представления, для которых $\mathbf{C}=\mathbf{C}^{T}$, и представления, для которых $\mathbf{C}=-\mathbf{C}^{T}$.

Резюмируем полученные выше результаты. Ecли D $(R)$ ecть унитарное неприводимое представление, то таким же будет представление $\mathrm{D}(R)^{*}$. Представления $\mathrm{D}(R)$ и $\mathrm{D}(R)^{*}$ неэквивалентны, если $\chi(R)$ комплексны для любых $R$. Неприводимое представление этого рода будет называться комплексным. Ecлu $\chi(R)$ вещественны, то $\mathrm{D}(R)$ и $\mathrm{D}(R)^{*}$ эквивалентны. Унитарная матрица $\mathrm{C}$, которая преобразует одно из них в другое, либо симметрична, либо антисимметрична. В первом случае представление будет называться потенциально-вещественным, а во втором случае – псевдовещественным.

Основание для такой терминологии заключается в том, что D $(R)$ фактически можно придать вещественный вид, если матрица C в соотношении (24.3) симметрична. Это следует из следующей леммы ${ }^{1}$ ). Если матрица $\mathbf{C}$ одновременно симметриина
1) Эта лемма играет важную роль в теории матрицы рассеяния.
и унитарна, то можно считать ее собственные векторы вещественными. Из
\[
\mathrm{C} v=\omega \boldsymbol{v}
\]

при умножении слева на $\mathbf{C}^{-1}=\mathbf{C}^{\dagger}=\mathbf{C}^{*}$ следует, что $\boldsymbol{v}=\omega \mathbf{C}^{*} \boldsymbol{v}$. Поскольку модуль собственного значения унитарной матрицы равен 1 , комплексное сопряжение последнего соотношения дает
\[
\mathbf{C v}^{*}=\omega \boldsymbol{v}^{*} .
\]

Если $\boldsymbol{v}$ и $\boldsymbol{v}^{*}$ различны, то они могут быть заменены их вещественной $\boldsymbol{u}$ мнимой частями. Если $\boldsymbol{v}$ и $\boldsymbol{v}^{*}$ различаются лишь постоянным множителем, они могут быть заменены их вещественной или мнимой частями. Отсюда вытекает, что симметричная унитарная матрица $\mathbf{C}$ может быть записана в виде
\[
\mathbf{C}=\mathbf{r}^{-1} \omega \mathbf{r},
\]

где $\mathbf{r}$ – вещественная ортогональная матрица, $\mathbf{r}^{\prime} \mathbf{r}=1$, а $\omega$ – диагональная матрица. Запишем $\omega$ в виде квадрата другой диагональной матрицы $\omega_{1}$; модуль диагональных элементов матрицы $\omega_{1}$ равен 1, причем $\omega_{1}^{-1}=\omega_{1}^{*}$. Следовательно, (24.3) принимает вид
\[
\mathbf{r}^{-1} \omega_{1}^{2} \mathrm{rD}(R)=\mathrm{D}(R)^{*} \mathbf{r}^{-1} \omega_{1}^{2} \mathbf{r}
\]

или, если умножить это равенство на $\omega_{1}^{-1} \mathbf{r}=\omega_{1}^{*} \mathbf{r}$ слева и на $\mathbf{r}^{-1} \omega_{1}^{-1}=\mathbf{r}^{-1} \omega_{1}^{*}$ справа,
\[
\omega_{1} \mathrm{rD}(R) \mathrm{r}^{-1} \omega_{1}^{*}=\omega_{1}^{*} \mathrm{rD}(R)^{*} \mathbf{r}^{-1} \omega_{1} .
\]

Левая и правая части последнего равенства являются комплексносопряженными друг другу; следовательно, обе части равенства вещественны. Отсюда следует, что $\mathrm{D}(R)$ становится вещественным, если его подвергнуть преобразованию $\mathbf{r}^{-1} \omega_{1}^{*}=\left(\omega_{1} \mathbf{r}\right)^{-1}$. Обратно, если $\mathrm{D}(R)$ может быть преобразовано к вещественному представлению, матрица C должна быть симметричной. Ясно, что C симметрична (а именно, является постоянной матрицей), если $\mathbf{D}(R)$ уже вещественно. Поэтому она симметрична для всякой другой формы этого представления. Далее, отсюда следует, что если С в (24.3) антисимметрична, то $\mathrm{D}(R)$ не может быть сделано вещественным с помощью преобразования подобия.

Определим, наконец, матрицу $\mathbf{C}^{(j)}$, которая преобразует неприводимое представление $\mathfrak{D}^{(j)}$ трехмерной группы вращений в комплексно-сопряженное представление $\mathfrak{D}^{(j)^{*}}$. Матрицы $\mathbf{C}^{(j)}$ играют также важную роль в квантовой теории поля. Так как соотношение (24.3) должно выполняться для всякого вращения, применим его прежде всего к вращению на угол $\alpha$ вокруг оси $Z$. В этом
$\begin{array}{lll}\text { Глав } & 24\end{array}$
случае $\mathfrak{D}^{(j)}$ является диагональной матрицей и $n m$-элементы левои и правой частей (24.3) равны
\[
C_{n m}^{(j)} e^{i m \alpha}=e^{-i n \alpha} C_{n m}^{(l)} .
\]

Так как это равенство должно выполняться для любого $\alpha$, матричный элемент $C_{n m}^{(j)}$ обращается в нуль во всех случаях, кроме случая $n+m=0$,
\[
C_{n m}^{(j)}=c_{m}^{(j)} \delta_{n,-m} .
\]

Применим затем (24.3) к произвольному элементу группы, но выпишем только ( $-j, \mu)$-элемент (24.3). Соответствующие $\mathfrak{D}^{(j)}$ особенно просты. Имеем
\[
c\}^{(j)} \mathfrak{D}^{(j)}(\{\alpha \beta \gamma\})_{j \mu}=\mathfrak{D}^{(j)}(\{\alpha \beta \gamma\})_{-j-\mu}^{*} c_{\mu}^{(j)},
\]

или, в силу (15.27a) и (15.27б),
$c{ }^{(j)} \sqrt{(j-\mu)} e^{i j \alpha} \cos ^{j+\mu} \frac{1}{2} \beta \sin ^{j-\mu} \frac{1}{2} \beta e^{i \mu \gamma}=$
\[
=(-1)^{j-\mu} \sqrt{\left(\begin{array}{c}
2 j \\
j+\mu
\end{array}\right)} e^{i j \alpha} \cos ^{j+\mu} \frac{1}{2} \beta \sin ^{j-\mu} \frac{1}{2} \beta e^{i \mu \psi} c_{\mu}^{(j)},
\]

откуда
\[
c_{\mu}^{(j)}=c_{j}^{(j)}(-1)^{j-\mu},
\]

так как $j-\mu$ всегда является целым числом ${ }^{1}$ ). Поскольку $\mathbf{C}$ определяется из соотношения (24.3) только с точностью до множителя, выберем $c^{(j)}=1$; тогда из (24.5а) получим
\[
C_{n m}^{(j)}=(-1)^{j-m} \delta_{n,-m}=(-1)^{j+n} \delta_{n,-m} .
\]

Все элементы матрицы $\mathbf{C}^{(j)}$ равны нулю, кроме тех, которые лежат на косой диагонали. Эти элементы равны поочередно +1 и -1 , начиная с +1 в верхнем правом углу и кончая в нижнем левом углу числом +1 , если $j$-целое число, и – 1 , если $j$ – полуцелое:
\[
\mathbf{C}^{(j)}=\left(\begin{array}{rrrrr}
0 & \ldots & 0 & 0 & 1 \\
0 & \ldots & 0 & -1 & 0 \\
0 & \ldots & 1 & 0 & 0 \\
. & \ldots & . & . & . \\
. & \ldots & . & . & . \\
. & \ldots & . & . & .
\end{array}\right) .
\]

Поэтому С симметрична для целых $j$ и антисимметрична для полуцелых $j$; первые из этих представлений потенциально-веще-
1) В настоящей книге все показатели основания (-1) являются целыми числами.
ственны, а последние – псевдовещественны. Мы замечаем также, что прямое произведение двух потенциально-вещественных представлений или двух псевдовещественных представлений содержит только потенциально-вещественные неприводимые компоненты. Неприводимые части прямого произведения потенциально-вещественного представления и псевдовещественного представления все псевдовещественны ${ }^{1}$ ). То обстоятельство, что представления $\mathfrak{D}^{(j)}$ с целыми $j$ могут быть приведены к вещественному виду, можно было бы усмотреть из того факта, что мы могли бы использовать в (15.5) вещественные линейные комбинации $Y_{m}^{l}+Y_{-m}^{l}$ и $i\left(Y_{m}^{l}-Y_{-m}^{l}\right)$ сферических функций. Соответствующие $\mathfrak{D}^{l}$ имели бы вещественный вид. Если в соотношение (24.3) подставить явное выражение матрицы $\mathbf{C}$, оно принимает вид
\[
\mathfrak{D}^{(j)}(R)_{m^{\prime} m}^{*}=(-1)^{m-m^{\prime}} \mathfrak{D}^{(j)}(R)_{-m^{\prime},-m} ;
\]

это может быть показано также непосредственно. Естественно, что вид $\mathbf{C}^{(j)}$ зависит от того, в какой форме взяты $\mathfrak{D}^{(j)}$, но симметричность или антисимметричность их не могут измениться.

Categories

1
Оглавление
email@scask.ru