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 4×4 的狄拉克矩阵(γ 矩阵)。由于 4×4 复矩阵构成的线性空间维数为 16,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} 正是基于 γ 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(A†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 中矩阵的个数:
- 标量(恒等矩阵) 1:1 个
- 矢量 γμ(μ=0,1,2,3):4 个
- 张量 Sμν=4i[γμ,γν]:由于 Sμν=−Sνμ 且 Sμμ=0,独立的矩阵对应于 μ<ν,共有 (24)=6 个
- 轴矢 γμγ5:4 个
- 赝标 γ5:1 个
总矩阵数为 1+4+6+4+1=16。这恰好等于 4×4 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 (A=1,2,…,16)。注意到集合中的每一个矩阵本质上都正比于不同 γ 矩阵的乘积:
- 1∝I
- γμ∝γμ
- Sμν∝γμγν (μ=ν)
- γμγ5∝γμγ0γ1γ2γ3∝ϵμνρσγνγργσ
- γ5∝γ0γ1γ2γ3
由于 γ 矩阵满足反对易关系 {γμ,γν}=2ημν,任意两个基矩阵的乘积 ΓAΓB 必然正比于集合中的另一个矩阵 ΓC:
ΓAΓB∝ΓC
如果 A=B,则 ΓA 和 ΓB 包含的 γ 矩阵子集不同,它们的乘积化简后必然至少包含一个 γ 矩阵(即对应于两个子集的对称差)。因此,当 A=B 时,ΓC=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 ΓC∈S∖{1},我们总能找到一个 γλ 与之反对易,即 {ΓC,γλ}=0:
- 若 ΓC=γμ,选择 λ=μ。
- 若 ΓC=Sμν∝γμγν,选择 λ=μ。
- 若 ΓC=γμγ5,选择 λ=μ。
- 若 ΓC=γ5,选择 λ=0。
利用反对易关系 ΓCγλ=−γλΓC,可得 ΓC=−γλΓC(γλ)−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)
这表明对于所有 ΓC=1,都有 Tr(ΓC)=0。
第 4 步:利用内积证明线性无关性
根据 γ 矩阵的厄米共轭性质(γ0†=γ0 且 γi†=−γi),任意 ΓA 的厄米共轭都正比于其自身,即 ΓA†=cAΓA,其中 cA∈{1,−1}。
对于 A=B,计算其内积:
Tr(ΓA†ΓB)=cATr(ΓAΓB)∝Tr(ΓC)
由第 2 步知,当 A=B 时 ΓC=1;再由第 3 步知 Tr(ΓC)=0。因此:
Tr(ΓA†ΓB)=0(当 A=B 时)
对于 A=B:
Tr(ΓA†ΓA)=∑i,j∣(ΓA)ij∣2
因为 ΓA 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(ΓA†ΓA)>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 4×4 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 4×4 矩阵 M 都可以写成这 16 个矩阵的复系数线性组合:
M=cI+cμγμ+cμνSμν+dμγμγ5+eγ5
(其中 cμν 满足反对称性,求和对独立分量进行)。