Very early in my study of physics, Weyl became one of my gods. I use the word “god” rather than, say, “outstanding teacher” for the ways of gods are mysterious, inscrutable, and beyond the comprehension of ordinary mortals.
——Schwinger
Weyl是研究量子物理与表示论联系的第一人。这个领域至今依然非常迷人:表示论、代数几何、复几何、弦论乃至数论都交织在一起。
Weyl Quantenmechanik und Gruppentheorie
From Weyl Algebra to Heisenberg Lie Algebra
一般地,“量子化问题”可以陈述为:给定描述物理过程的经典模型(辛流形上的Hamilton系统,Riemann流形上的Lagrange系统,etc.),将可观测量函数系统地替换为某个Hilbert空间上的算子,使其满足特定的量子化条件。
1926年,Heisenberg发现了位置算子和动量算子的如下对易关系(CCR):
,为约化Planck常数 (1)
视(1)为量子化条件,Weyl研究了和生成的算子环:对维线性空间,(1)中Kronecker delta函数可以实现为上的辛形式,定义了上的Weyl代数。在这个意义上,经典力学对应对称代数,而Weyl代数(物理文献中又称为CCR代数)是对称代数的“量子化”。
从Lie群的角度看,(1)又可以理解为某个Lie代数的结构方程:以辛形式定义Lie括号,在Weyl代数的生成元中加入单位元(一维中心扩张)后生成的实Lie代数称为Heisenberg代数。其对应的幂零Lie群即著名的Heisenberg群。可以在上实现为:
Heisenberg群出现在数学的各个领域:从Abel簇的构造 (Mumford) 到3维流形的分类 (Thurston)。其与theta函数的天然联系指向数论、模形式和数学物理。
Unitary Representations of the Heisenberg Group
数学家的谨慎使Weyl不愿意处理这样的无界算子;另一方面,量子力学的物理诠释要求可观测量对应自共轭算子,于是过渡到Lie群层面后,为酉算子(至少在形式上),这是特别令人满意的。
一般地,对于构型空间和算子,,引入参数并定义
,,向量相乘理解为内积
由此可以将对易关系(1)写成指数形式(又称Weyl形式):
(2)
此处的计算是形式的,可视为Baker–Campbell–Hausdorff公式的一个特例。
是的酉表示。Weyl的创辟之处在于他坚持统一处理共轭量的表示:
由于和不可交换,不是的酉表示,却诱导一个射影酉表示:满足,Schur乘子在单位圆上取值。
物理上,这个射影酉表示非常令人满意:它对应量子力学中的波函数归一化。数学上我们有一个等价描述:定义,,并取
此时扩张为Heisenberg群的酉表示。乘子项得到了更好的解释:它对应的“挠部分”。
Three Models
尽管有非常简单的矩阵模型,它的酉表示却不可能是有限维的。下面是3个无穷维酉表示的例子。
模型1(theta表示) 给定上半平面的复数,赋予整函数如下范数:
满足的整函数构成Hilbert空间,在上有不可约酉表示
特别地,的Abel子群作用于上有唯一的不变向量,即Jacobi theta函数。
模型2(Fock表示)视,赋予全纯函数如下范数:
满足的全纯函数构成Segal-Bargmann空间.
将和诠释为阶梯算子1,我们有
,
自共轭算子给出Weyl代数在上的不可约表示。
模型3(Weyl表示;Schrödinger模型) 取为表示空间,有不可约酉表示
这个表示被称为Schrödinger模型,由此可以获得量子力学的波动力学描述:例如,取为Hamilton算子,。相因子无关紧要,我们可以认为波函数在单参数酉群的作用下不变(能量守恒)。取微分过渡到Lie代数层面,即得到Schrödinger方程。
Stone-von Neumann Theorem
Weyl提出了如下问题:是否Heisenberg群的任意不可约酉表示均酉等价于Schrödinger模型?1930年前后,Stone和von Neumann各自独立地给出了肯定的回答——从而给出了矩阵力学等价于波动力学的又一个证明。
(Stone-von Neumann定理) 的任意酉表示均酉等价于若干个的直和。
von Neumann的原始证明可以在以下著作中找到
Folland Harmonic analysis in phase space
实Heisenberg群是局部紧Abel群的中心扩张。Weyl提出可以将替换为有限群,作为玩具模型来研究。另一方面,根据Lefschetz原理,也有理由将替换为其他局部域 (尤其是p-adic数域) 的加法群进行研究。这都要求我们推广局部紧Abel群上的调和分析。
具体来说,我们以局部紧Abel群取代,以2-闭上链取代辛形式。中心扩张给出抽象Heisenberg群。
从群上同调论的角度看,Schur乘子作为2-闭上链的结构是清楚的:
对于抽象Heisenberg群,Stone-von Neumann定理有一个深远的推广:Mackey理论。关于其主定理,一个细致且清晰的证明可以在下面这本书中找到:
Mumford Tata Lecture on Theta III
当然也可以参看Mackey本人的著作,以及
Varadarajan Geometry of quantum mechanics, Vol.2
Weyl Quantization
局部紧Abel群满足Pontryagin对偶。对于相空间而言,这个对偶关系是.
经典物理量是的函数。Weyl量子化,或者,Weyl变换,指的是(1)通过Fourier逆变换将经典物理量变为的函数;(2)通过Weyl表示将的函数变为算子的函数,也即.
不难证明,(1)自共轭当且仅当是实函数; (2) 若为速降函数,则为迹类算子并有一个积分核表示。
对于一般的局部紧Abel群,我们也可以定义Weyl变换。p-adic数域的情况或许是最有趣的,不仅和数论紧密相关,而且有可能应用于物理上:某些数学物理学家(例如Volovich)怀疑Planck尺度下的时空是非Archimedes的。
Weyl变换的逆变换称为Wigner变换。这是一个非常有趣的变换:量子概念的经典“对应”常常有意料之外的物理意义。
Weyl-Moyal Algebra
1940年前后,Moyal对Weyl量子化进行了更深入的考察。和Weyl不同,他感兴趣的对象不是算子,而是经典函数空间:Weyl忽略了经典函数空间的Poisson结构,而这正是Moyal希望研究的。
定义Moyal积为算子复合运算在Wigner变换下的拉回2:
定义Moyal括号,我们有:
这在经典函数空间(不妨取成Schwartz空间)上定义了一个Poisson代数结构,我们称其为Moyal代数。
时,Moyal代数趋于退化,这对应经典物理的假定:测量顺序不影响结果。一般地,我们希望研究Moyal代数对参数的依赖。
展开到一阶:
事实上,展开到二阶后,3.
为了将Moyal代数的结构看得更加清楚,我们必须推广对Poisson括号的定义:取2组变元。定义上的微分算子,定义的对角算子,Poission括号相当于这两个算子的复合:
由此我们可以定义Poisson括号的“幂”:
于是形式上我们有
这就是Moyal括号又被称为“正弦括号”的原因。
Deformation Quantization
通过上述对Moyal代数的考察,我们发现以为形变参数,量子代数可以视为经典代数的形变。这个观点由Flato等人首次提出。特别地,他们证明了对于上的经典Poisson代数结构,Moyal代数在规范等价的意义上是唯一可能的形变——也就是说,量子力学是经典力学唯一可能的“形变”。
一般地,令为某光滑流形上所有光滑函数的代数。上的Moyal积定义为
此处为形式变元,为双微分算子。
为了进行形变,我们要求Moyal积不仅仅是一个形式的渐进展开,而是一个真正的解析展开。这一点并没有先验的保证。
由Darboux定理,辛流形上的局部Poisson代数结构总能形变为Moyal代数。我们只需在装备一个平坦的辛联络之后,将这个局部形变扩张到整个流形上。对于一般的Poisson流形,情况要复杂得多。此时Kontsevich量子化公式给出一个Moyal积的形式定义(这是Kontsevich获得1998年Fields奖的原因之一),但尚不清楚它是否在规范等价的意义上给出唯一可能的形变量子化。
Kontsevich Deformation quantization of Poisson manifolds
物理学家将Kontsevich量子化公式及作为其推广的形式化猜想(formality conjecture)理解为某种扰动弦论。尽管这个想法在物理上非常自然,但和“量子数学”中的诸多结果一样,我们要面临在数学上严格处理Feynman路径积分的困难。
Cattaneo, Felder A path integral approach to the Kontsevich quantization formula
- 这个数学模型在量子场论中有着全然不同的物理意义:和被称为消灭和创生算子,Hamilton算子的特征分解给出Fock空间的分次结构,量子数代表粒子数。这是Fock表示命名的由来。 ↩
-
Moyal积的定义首次出现于Groenewold的博士论文中:
Groenewold On the Principles of elementary quantum mechanics ↩ - Dirac提出的正则量子化 (更确切地,对应于单粒子的一次量子化,或者,辛流形的几何量子化)以Poisson括号描述非交换性,上式指出这只在二阶近似的意义上成立。历史上人们很早就发现作为量子论的半经典近似,正则量子化会导致不可避免的内在矛盾。例如,Groenewold-van Hove不可行定理(no-go theorem)指出对于次数大于2的多项式,一个自洽的正则量子化是不可能的。 ↩