47.1

Problem 47.1

srednickiChapter 47

习题 47.1

来源: 第47章, PDF第297页


47.1 Verify eq. (47.16).


Referenced Equations:

Equation (47.16):

Tr[γ5γμγν]=0.(47.16)\text{Tr}[\gamma_5 \gamma^{\mu} \gamma^{\nu}] = 0 . \tag{47.16}

习题 47.1 - 解答


要证明等式 (47.16) Tr[γ5γμγν]=0\text{Tr}[\gamma_5 \gamma^{\mu} \gamma^{\nu}] = 0,我们需要利用 Dirac γ\gamma 矩阵的代数性质以及迹(Trace)的循环性质。

物理背景与基本性质: 在四维时空中,Dirac γ\gamma 矩阵满足 Clifford 代数关系: {γμ,γν}=γμγν+γνγμ=2ημνI\{ \gamma^\mu, \gamma^\nu \} = \gamma^\mu \gamma^\nu + \gamma^\nu \gamma^\mu = 2 \eta^{\mu\nu} I 其中 ημν\eta^{\mu\nu} 是 Minkowski 度规,当 μν\mu \neq \nu 时,γμ\gamma^\muγν\gamma^\nu 反对易。 手征矩阵 γ5\gamma_5 定义为 γ5=iγ0γ1γ2γ3\gamma_5 = i \gamma^0 \gamma^1 \gamma^2 \gamma^3,它具有以下关键性质:

  1. 与所有 γμ\gamma^\mu 反对易:{γ5,γμ}=0\{ \gamma_5, \gamma^\mu \} = 0
  2. 其自身的迹为零:Tr[γ5]=0\text{Tr}[\gamma_5] = 0

推导过程: 我们将证明分为两种情况:μ=ν\mu = \nuμν\mu \neq \nu

情况 1:μ=ν\mu = \nu 当两个指标相同时,利用 Clifford 代数关系 (γμ)2=ημμI(\gamma^\mu)^2 = \eta^{\mu\mu} I,可以直接计算其迹: Tr[γ5γμγμ]=Tr[γ5ημμI]=ημμTr[γ5]\text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\mu] = \text{Tr}[\gamma_5 \eta^{\mu\mu} I] = \eta^{\mu\mu} \text{Tr}[\gamma_5] 由于 Tr[γ5]=0\text{Tr}[\gamma_5] = 0,因此: Tr[γ5γμγμ]=0\text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\mu] = 0

情况 2:μν\mu \neq \nu 在四维时空中,指标 μ,ν{0,1,2,3}\mu, \nu \in \{0, 1, 2, 3\}。当 μν\mu \neq \nu 时,由于总共有 4 个不同的指标,我们总可以找到第三个指标 α\alpha,使得 αμ\alpha \neq \muαν\alpha \neq \nu。 对于这个选定的 γα\gamma^\alpha,它满足 (γα)2=ηααI=±I(\gamma^\alpha)^2 = \eta^{\alpha\alpha} I = \pm I,因此其逆矩阵 (γα)1(\gamma^\alpha)^{-1} 必然存在(且等于 ηααγα\eta_{\alpha\alpha}\gamma^\alpha)。

我们在迹中插入单位矩阵 I=γα(γα)1I = \gamma^\alpha (\gamma^\alpha)^{-1}Tr[γ5γμγν]=Tr[γ5γμγνγα(γα)1]\text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu] = \text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu \gamma^\alpha (\gamma^\alpha)^{-1}] 利用矩阵迹的循环性质 Tr[AB]=Tr[BA]\text{Tr}[A B] = \text{Tr}[B A],将 (γα)1(\gamma^\alpha)^{-1} 移到最左侧: Tr[γ5γμγν]=Tr[(γα)1γ5γμγνγα]\text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu] = \text{Tr}[(\gamma^\alpha)^{-1} \gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu \gamma^\alpha] 接下来,我们将最右侧的 γα\gamma^\alpha 依次向左穿过 γν\gamma^\nuγμ\gamma^\muγ5\gamma_5。由于 αν\alpha \neq \nuαμ\alpha \neq \muγα\gamma^\alphaγν\gamma^\nuγμ\gamma^\mu 均反对易;同时 γα\gamma^\alpha 也与 γ5\gamma_5 反对易。每次交换位置都会产生一个负号,总共需要交换 3 次: γνγα=γαγν\gamma^\nu \gamma^\alpha = - \gamma^\alpha \gamma^\nu γμγα=γαγμ\gamma^\mu \gamma^\alpha = - \gamma^\alpha \gamma^\mu γ5γα=γαγ5\gamma_5 \gamma^\alpha = - \gamma^\alpha \gamma_5 因此,连续交换得到: γ5γμγνγα=(1)3γαγ5γμγν=γαγ5γμγν\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu \gamma^\alpha = (-1)^3 \gamma^\alpha \gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu = - \gamma^\alpha \gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu 将此关系代回迹的表达式中: Tr[γ5γμγν]=Tr[(γα)1(γαγ5γμγν)]\text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu] = \text{Tr}[(\gamma^\alpha)^{-1} (-\gamma^\alpha \gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu)] 提取负号,并利用 (γα)1γα=I(\gamma^\alpha)^{-1} \gamma^\alpha = ITr[γ5γμγν]=Tr[Iγ5γμγν]=Tr[γ5γμγν]\text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu] = - \text{Tr}[I \cdot \gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu] = - \text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu]T=Tr[γ5γμγν]T = \text{Tr}[\gamma_5 \gamma^\mu \gamma^\nu],我们得到了 T=TT = -T,这必然意味着: T=0T = 0

结论: 综合上述两种情况,无论 μ\muν\nu 是否相等,该迹始终为零。

Tr[γ5γμγν]=0\boxed{ \text{Tr}[\gamma_5 \gamma^{\mu} \gamma^{\nu}] = 0 }
47.2

Problem 47.2

srednickiChapter 47

习题 47.2

来源: 第47章, PDF第297页


47.2 Verify eqs. (47.20) and (47.21).


Referenced Equations:

Equation (47.20):

γμabγμ=4(ab)(d4)ab(47.20)\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \gamma_\mu = 4(ab) - (d-4) \cancel{a} \cancel{b} \tag{47.20}

Equation (47.21):

γμabcγμ=2cba+(d4)abc;(47.21)\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \cancel{c} \gamma_\mu = 2\cancel{c} \cancel{b} \cancel{a} + (d-4) \cancel{a} \cancel{b} \cancel{c} ; \tag{47.21}

习题 47.2 - 解答


物理背景与约定说明

在量子场论的维数正规化(Dimensional Regularization)中,时空维数被解析延拓到 dd 维,Dirac 矩阵 γμ\gamma^\mu 满足 dd 维的 Clifford 代数。根据 Srednicki 教材的约定,度规符号为 (,+,+,+)(-,+,+,+),Clifford 代数的基本关系为: {γμ,γν}=γμγν+γνγμ=2gμν\{\gamma^\mu, \gamma^\nu\} = \gamma^\mu \gamma^\nu + \gamma^\nu \gamma^\mu = -2g^{\mu\nu} 度规的迹为 gμμ=dg^\mu_\mu = d。由此可得 γ\gamma 矩阵的收缩性质: γμγμ=12gμν{γμ,γν}=gμνgμν=d\gamma^\mu \gamma_\mu = \frac{1}{2} g_{\mu\nu} \{\gamma^\mu, \gamma^\nu\} = -g_{\mu\nu} g^{\mu\nu} = -d 对于任意矢量 aμa^\mu,定义 Feynman slash 记号 a=γμaμ\cancel{a} = \gamma^\mu a_\mu。由 Clifford 代数可得任意两个 slash 矩阵的反对易关系: ab+ba=2(ab)\cancel{a}\cancel{b} + \cancel{b}\cancel{a} = -2(ab) 以及 γ\gamma 矩阵与 slash 矩阵的反对易关系: γμa+aγμ=2aμ    aγμ=2aμγμa\gamma^\mu \cancel{a} + \cancel{a} \gamma^\mu = -2a^\mu \implies \cancel{a} \gamma_\mu = -2a_\mu - \gamma_\mu \cancel{a}

计算技巧(引理)

在证明目标公式前,先计算单 slash 矩阵的收缩 γμaγμ\gamma^\mu \cancel{a} \gamma_\mu。利用上述反对易关系将 γμ\gamma_\mu 向左移动: γμaγμ=γμ(2aμγμa)=2γμaμ(γμγμ)a\gamma^\mu \cancel{a} \gamma_\mu = \gamma^\mu (-2a_\mu - \gamma_\mu \cancel{a}) = -2\gamma^\mu a_\mu - (\gamma^\mu \gamma_\mu) \cancel{a} 代入 γμaμ=a\gamma^\mu a_\mu = \cancel{a}γμγμ=d\gamma^\mu \gamma_\mu = -dγμaγμ=2a(d)a=(d2)a\gamma^\mu \cancel{a} \gamma_\mu = -2\cancel{a} - (-d)\cancel{a} = (d-2)\cancel{a}


(a) 证明公式 (47.20)

利用反对易关系 bγμ=2bμγμb\cancel{b} \gamma_\mu = -2b_\mu - \gamma_\mu \cancel{b},将最右侧的 γμ\gamma_\mu 向左移动: γμabγμ=γμa(2bμγμb)\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \gamma_\mu = \gamma^\mu \cancel{a} (-2b_\mu - \gamma_\mu \cancel{b}) 展开并利用 γμbμ=b\gamma^\mu b_\mu = \cancel{b},可得: γμabγμ=2ba(γμaγμ)b\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \gamma_\mu = -2\cancel{b}\cancel{a} - (\gamma^\mu \cancel{a} \gamma_\mu) \cancel{b} 代入引理 γμaγμ=(d2)a\gamma^\mu \cancel{a} \gamma_\mu = (d-2)\cancel{a}γμabγμ=2ba(d2)ab\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \gamma_\mu = -2\cancel{b}\cancel{a} - (d-2)\cancel{a}\cancel{b} 再利用 ba=2(ab)ab\cancel{b}\cancel{a} = -2(ab) - \cancel{a}\cancel{b} 替换第一项中的 ba\cancel{b}\cancel{a}γμabγμ=2[2(ab)ab](d2)ab\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \gamma_\mu = -2[-2(ab) - \cancel{a}\cancel{b}] - (d-2)\cancel{a}\cancel{b} =4(ab)+2abdab+2ab= 4(ab) + 2\cancel{a}\cancel{b} - d\cancel{a}\cancel{b} + 2\cancel{a}\cancel{b} 合并同类项,即得: γμabγμ=4(ab)(d4)ab\boxed{ \gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \gamma_\mu = 4(ab) - (d-4) \cancel{a} \cancel{b} }


(b) 证明公式 (47.21)

同理,利用 cγμ=2cμγμc\cancel{c} \gamma_\mu = -2c_\mu - \gamma_\mu \cancel{c},将最右侧的 γμ\gamma_\mu 向左移动: γμabcγμ=γμab(2cμγμc)\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \cancel{c} \gamma_\mu = \gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} (-2c_\mu - \gamma_\mu \cancel{c}) 展开并利用 γμcμ=c\gamma^\mu c_\mu = \cancel{c},可得: γμabcγμ=2cab(γμabγμ)c\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \cancel{c} \gamma_\mu = -2\cancel{c}\cancel{a}\cancel{b} - (\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \gamma_\mu) \cancel{c} 代入已在 (a) 中证明的公式 (47.20) γμabγμ=4(ab)(d4)ab\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \gamma_\mu = 4(ab) - (d-4)\cancel{a}\cancel{b}γμabcγμ=2cab[4(ab)(d4)ab]c\gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \cancel{c} \gamma_\mu = -2\cancel{c}\cancel{a}\cancel{b} - [4(ab) - (d-4)\cancel{a}\cancel{b}] \cancel{c} =2cab4(ab)c+(d4)abc= -2\cancel{c}\cancel{a}\cancel{b} - 4(ab)\cancel{c} + (d-4)\cancel{a}\cancel{b}\cancel{c} 为了化简前两项,提取公因子 2c-2\cancel{c}2cab4(ab)c=2c[ab+2(ab)]-2\cancel{c}\cancel{a}\cancel{b} - 4(ab)\cancel{c} = -2\cancel{c} [\cancel{a}\cancel{b} + 2(ab)] 根据 Clifford 代数 ab+ba=2(ab)\cancel{a}\cancel{b} + \cancel{b}\cancel{a} = -2(ab),移项可得 ab+2(ab)=ba\cancel{a}\cancel{b} + 2(ab) = -\cancel{b}\cancel{a}。将其代入上式: 2c[ab+2(ab)]=2c(ba)=2cba-2\cancel{c} [\cancel{a}\cancel{b} + 2(ab)] = -2\cancel{c} (-\cancel{b}\cancel{a}) = 2\cancel{c}\cancel{b}\cancel{a} 将此结果代回原式,即得: γμabcγμ=2cba+(d4)abc\boxed{ \gamma^\mu \cancel{a} \cancel{b} \cancel{c} \gamma_\mu = 2\cancel{c} \cancel{b} \cancel{a} + (d-4) \cancel{a} \cancel{b} \cancel{c} }

47.3

Problem 47.3

srednickiChapter 47

习题 47.3

来源: 第47章, PDF第297页


47.3 Show that the most general 4×44 \times 4 matrix can be written as a linear combination (with complex coefficients) of 11, γμ\gamma^\mu, SμνS^{\mu\nu}, γμγ5\gamma^\mu \gamma_5, and γ5\gamma_5, where 11 is the identity matrix and Sμν=i4[γμ,γν]S^{\mu\nu} = \frac{i}{4} [\gamma^\mu, \gamma^\nu]. Hint: if AA and BB are two different members of this set, prove linear independence by showing that Tr AB=0\text{Tr } A^\dagger B = 0 vanishes. Then count.

习题 47.3 - 解答


习题分析与物理背景 在相对论量子力学中,狄拉克方程的解需要用到 4×44 \times 4 的狄拉克矩阵(γ\gamma 矩阵)。由于 4×44 \times 4 复矩阵构成的线性空间维数为 1616,如果我们能找到 16 个线性无关的矩阵,它们就可以作为该空间的一组基。题目给出的集合 S={1,γμ,Sμν,γμγ5,γ5}\mathcal{S} = \{1, \gamma^\mu, S^{\mu\nu}, \gamma^\mu\gamma_5, \gamma_5\} 正是基于 γ\gamma 矩阵构造的 16 个矩阵(即克利福德代数的生成元及其乘积)。通过引入 Frobenius 内积 A,B=Tr(AB)\langle A, B \rangle = \text{Tr}(A^\dagger B),我们可以利用矩阵的迹的性质来证明这 16 个矩阵是相互正交的,从而证明它们线性无关并构成完备基。

推导与解答过程

第 1 步:统计矩阵的数量 我们首先统计集合 S\mathcal{S} 中矩阵的个数:

  • 标量(恒等矩阵) 1111
  • 矢量 γμ\gamma^\muμ=0,1,2,3\mu = 0, 1, 2, 3):44
  • 张量 Sμν=i4[γμ,γν]S^{\mu\nu} = \frac{i}{4}[\gamma^\mu, \gamma^\nu]:由于 Sμν=SνμS^{\mu\nu} = -S^{\nu\mu}Sμμ=0S^{\mu\mu} = 0,独立的矩阵对应于 μ<ν\mu < \nu,共有 (42)=6\binom{4}{2} = 6
  • 轴矢 γμγ5\gamma^\mu\gamma_544
  • 赝标 γ5\gamma_511

总矩阵数为 1+4+6+4+1=161 + 4 + 6 + 4 + 1 = 16。这恰好等于 4×44 \times 4 复矩阵空间的维数。因此,只需证明这 16 个矩阵线性无关,即可说明它们构成一组基。

第 2 步:分析矩阵乘积的性质 为了方便,将这 16 个矩阵记为 ΓA\Gamma_A (A=1,2,,16A = 1, 2, \dots, 16)。注意到集合中的每一个矩阵本质上都正比于不同 γ\gamma 矩阵的乘积:

  • 1I1 \propto I
  • γμγμ\gamma^\mu \propto \gamma^\mu
  • SμνγμγνS^{\mu\nu} \propto \gamma^\mu\gamma^\nu (μν\mu \neq \nu)
  • γμγ5γμγ0γ1γ2γ3ϵμνρσγνγργσ\gamma^\mu\gamma_5 \propto \gamma^\mu\gamma^0\gamma^1\gamma^2\gamma^3 \propto \epsilon^{\mu\nu\rho\sigma}\gamma_\nu\gamma_\rho\gamma_\sigma
  • γ5γ0γ1γ2γ3\gamma_5 \propto \gamma^0\gamma^1\gamma^2\gamma^3

由于 γ\gamma 矩阵满足反对易关系 {γμ,γν}=2ημν\{\gamma^\mu, \gamma^\nu\} = 2\eta^{\mu\nu},任意两个基矩阵的乘积 ΓAΓB\Gamma_A \Gamma_B 必然正比于集合中的另一个矩阵 ΓC\Gamma_CΓAΓBΓC\Gamma_A \Gamma_B \propto \Gamma_C 如果 ABA \neq B,则 ΓA\Gamma_AΓB\Gamma_B 包含的 γ\gamma 矩阵子集不同,它们的乘积化简后必然至少包含一个 γ\gamma 矩阵(即对应于两个子集的对称差)。因此,当 ABA \neq B 时,ΓC1\Gamma_C \neq 1

第 3 步:证明除恒等矩阵外,所有基矩阵的迹为零 对于任意 ΓCS{1}\Gamma_C \in \mathcal{S} \setminus \{1\},我们总能找到一个 γλ\gamma^\lambda 与之反对易,即 {ΓC,γλ}=0\{\Gamma_C, \gamma^\lambda\} = 0

  • ΓC=γμ\Gamma_C = \gamma^\mu,选择 λμ\lambda \neq \mu
  • ΓC=Sμνγμγν\Gamma_C = S^{\mu\nu} \propto \gamma^\mu\gamma^\nu,选择 λ=μ\lambda = \mu
  • ΓC=γμγ5\Gamma_C = \gamma^\mu\gamma_5,选择 λ=μ\lambda = \mu
  • ΓC=γ5\Gamma_C = \gamma_5,选择 λ=0\lambda = 0

利用反对易关系 ΓCγλ=γλΓC\Gamma_C \gamma^\lambda = -\gamma^\lambda \Gamma_C,可得 ΓC=γλΓC(γλ)1\Gamma_C = -\gamma^\lambda \Gamma_C (\gamma^\lambda)^{-1}。对两边取迹,并利用迹的循环不变性: Tr(ΓC)=Tr(γλΓC(γλ)1)=Tr((γλ)1γλΓC)=Tr(ΓC)\text{Tr}(\Gamma_C) = -\text{Tr}(\gamma^\lambda \Gamma_C (\gamma^\lambda)^{-1}) = -\text{Tr}((\gamma^\lambda)^{-1} \gamma^\lambda \Gamma_C) = -\text{Tr}(\Gamma_C) 这表明对于所有 ΓC1\Gamma_C \neq 1,都有 Tr(ΓC)=0\text{Tr}(\Gamma_C) = 0

第 4 步:利用内积证明线性无关性 根据 γ\gamma 矩阵的厄米共轭性质(γ0=γ0\gamma^{0\dagger} = \gamma^0γi=γi\gamma^{i\dagger} = -\gamma^i),任意 ΓA\Gamma_A 的厄米共轭都正比于其自身,即 ΓA=cAΓA\Gamma_A^\dagger = c_A \Gamma_A,其中 cA{1,1}c_A \in \{1, -1\}

对于 ABA \neq B,计算其内积: Tr(ΓAΓB)=cATr(ΓAΓB)Tr(ΓC)\text{Tr}(\Gamma_A^\dagger \Gamma_B) = c_A \text{Tr}(\Gamma_A \Gamma_B) \propto \text{Tr}(\Gamma_C) 由第 2 步知,当 ABA \neq BΓC1\Gamma_C \neq 1;再由第 3 步知 Tr(ΓC)=0\text{Tr}(\Gamma_C) = 0。因此: Tr(ΓAΓB)=0(当 AB 时)\text{Tr}(\Gamma_A^\dagger \Gamma_B) = 0 \quad (\text{当 } A \neq B \text{ 时})

对于 A=BA = BTr(ΓAΓA)=i,j(ΓA)ij2\text{Tr}(\Gamma_A^\dagger \Gamma_A) = \sum_{i,j} |(\Gamma_A)_{ij}|^2 因为 ΓA\Gamma_A 是可逆矩阵的乘积,绝不是零矩阵,所以其各项绝对值平方和严格大于零,即 Tr(ΓAΓA)>0\text{Tr}(\Gamma_A^\dagger \Gamma_A) > 0

结论 上述推导表明,这 16 个矩阵在 Frobenius 内积下是相互正交且非零的。正交的非零向量必然线性无关。由于 4×44 \times 4 复矩阵空间的维数恰好为 16,这 16 个线性无关的矩阵构成该空间的一组完备基。

因此,最一般的 4×44 \times 4 矩阵 MM 都可以写成这 16 个矩阵的复系数线性组合: M=cI+cμγμ+cμνSμν+dμγμγ5+eγ5\boxed{ M = c I + c_\mu \gamma^\mu + c_{\mu\nu} S^{\mu\nu} + d_\mu \gamma^\mu \gamma_5 + e \gamma_5 } (其中 cμνc_{\mu\nu} 满足反对称性,求和对独立分量进行)。