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科普格拉斯曼代数与杨米尔斯场

已有 12157 次阅读 2016-8-5 09:57 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

前些天看一本书,里面提到一牛人的经历,名叫Grassmann ,学过一定数学或者理论物理的人应该知道的。我在北大本科写毕业论文时,教授让我看了几篇文章用到 grassmann,我当时看了个稀里糊涂,平方等于零,积分、导数都很奇特,也没有心情去找本书来弄清楚,更没有去追究此人的生平。

他的代数叫做 Grassmann代数,其核心理念可以归结为一条,一个变量的平方总是等于0(从几何上这么理解,两个重叠线段的面积为0)。

也就是说 $a^2=0$ ,这意味着

$(a+b)^2 = a^2 + ab+ba +b^2= ab+ba=0$

因此, $ab =-ba$ .  两个 Grassmann 数乘法,如果颠倒顺序,符号相反。

假设 a,b 各有两个分量, $a = a_1 e_1 + a_2 e_2$ , $b = b_1 e_1 + b_2 e_2$

则 $ab = (a_1 b_2 - a_2 b_1) e_1e_2$

这应该对有点数学概念的很熟悉,是a与b构成的平行四边形的面积。有兴趣的可以继续。如果用 三个数一乘就得出体积。记住格拉斯曼的乘法,你都不需要记住面积、体积怎么算了。

这是格拉斯曼代数的科普,其代数在微分几何中、物理、工程中都可能用到。但此人最神奇的地方在于,他没有受过正规的数学教育,自学成才当了初中数学教师,然后写了一本书,介绍他的新代数。不幸的是,没有人对他的成果表示关注,他只好又重新写了一本书,结果还是没有人理睬。格拉斯曼于是写到:

我感觉有义务宣布(冒着被视为自大的危险)就算这些成果在17年或者更长时间内不被采用,最终它还是会从尘封的记忆中迈入科学发展的殿堂,今天休眠的思想将结出果实...因为真理是永恒而又神圣的...真理永在,即使包裹它的外衣化为尘埃”。

感觉有点狂吧?

1954年,杨振宁着手构造其规范场理论,为了找到规范场的动力学方程,杨耗费了大量时间,试了各种各样的组合,终于凑出了正确的拉格朗日。但如果用到 Grassmann 的乘法,问题就可以在三分钟内解决。如下。

先记住乘法换为符号改变: $dx \hspace{1mm}dy = - dy\hspace{1mm} dx$

规范场是

$A = A_{\mu} dx^\mu$

微分一次,

$dA = \partial_\nu A_{\mu} dx^\nu dx^\mu = \frac{1}{2} (\partial_\nu A_\mu dx^\nu dx^\mu - \partial_\nu A_\mu dx^\mu dx^\nu) \\ = \frac{1}{2} (\partial_\nu A_\mu - \partial_\mu A_\nu)\hspace{1mm} dx^\nu dx^\mu$

上面第三步仅仅是重新标记上下标。结果是熟悉的,这类似 Maxwell 电磁场。记住格拉斯曼,麦克斯韦尔方程也不用记了,随时推出来。

但是,我们还有这样的项

$A^2 = (A_{\mu} dx^\mu )^2 = A_\mu A_\nu dx^\mu dx^\nu \\ = \frac{1}{2} (A_\mu A_\nu dx^\mu dx^\nu - A_\mu A_\nu dx^\nu dx^\mu) \\ =\frac{1}{2} (A_\mu A_\nu - A_\nu A_\mu) \hspace {1mm}dx^\mu dx^\nu$

如果是电磁场,A只是数字,上面这一项为0 ,所以电磁场没有这一项。但是在杨米尔斯场中,A是矩阵,上面 A^2 不为零,用数学术语说是非阿贝尔 (non-Abelian)。这就是杨振宁据说花了几个月时间才找到的那一项

另外补充一点,物理界曾有人认为在杨振宁之前 Oscar Klein 在1938年在一次会议中讲解了非阿贝尔规范场但没有发表论文,这说法已经被推翻了。杨振宁是第一人。



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