Спин-взвешенные сферические гармоники

редактировать

В специальных функциях, тема в математике, Взвешенные по спину сферические гармоники являются обобщением стандартных сферических гармоник и, как обычные сферические гармоники, являются функциями на сфере. В отличие от обычных сферических гармоник, спин-взвешенные гармоники - это U(1) калибровочные поля, а не скалярные поля : математически они принимают значения в комплексе линейный пакет. Взвешенные по спину гармоники организованы по степени l, как обычные сферические гармоники, но имеют дополнительный спиновый вес s, который отражает дополнительную симметрию U (1). Специальная основа гармоник может быть получена из сферических гармоник Лапласа Y lm и обычно обозначается sYlm, где l и m - обычные параметры, знакомые по стандартным сферическим гармоникам Лапласа. В этом особом базисе взвешенные по спину сферические гармоники появляются как фактические функции, потому что выбор полярной оси фиксирует неоднозначность калибровки U (1). Взвешенные по спину сферические гармоники могут быть получены из стандартных сферических гармоник путем применения операторов повышения и понижения спина. В частности, взвешенные по спину сферические гармоники спинового веса s = 0 - это просто стандартные сферические гармоники:

0 Y l m = Y l m. {\ displaystyle {} _ {0} Y_ {lm} = Y_ {lm} \.}{\ displaystyle {} _ {0} Y_ {lm} = Y_ {lm} \.}

Пространства взвешенных по спину сферических гармоник были впервые идентифицированы в связи с теорией представления Группа Лоренца (Гельфанд, Минлос и Шапиро 1958). Впоследствии они были независимо повторно открыты Ньюманом и Пенроузом (1966) и применены для описания гравитационного излучения, и снова Ву и Ян (1976) как таковые. называемые «монопольными гармониками» при исследовании монополей Дирака.

Содержание
  • 1 Спин-взвешенные функции
    • 1.1 Оператор ð
  • 2 Спин-взвешенные гармоники
  • 3 Представление в виде функций
  • 4 Ортогональность и полнота
  • 5 Расчет
  • 6 Первые несколько спин-взвешенных сферических гармоник
    • 6.1 Спин-вес s = 1, степень l = 1
  • 7 Связь с матрицами вращения Вигнера
  • 8 Тройной интеграл
  • 9 См. также
  • 10 Ссылки
Спин-взвешенные функции

Рассмотрим сферу S как встроенную в трехмерное евклидово пространство R. В точке x на сфере положительно ориентированный ортонормированный базис из касательных векторов в x представляет собой пару a, bвекторов такие, что

x ⋅ a = x ⋅ b = 0 a ⋅ a = b ⋅ b = 1 a ⋅ b = 0 x ⋅ (a × b)>0, {\ displaystyle {\ begin {align} \ mathbf { x} \ cdot \ mathbf {a} = \ mathbf {x} \ cdot \ mathbf {b} = 0 \\\ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {a} = \ mathbf {b} \ cdot \ mathbf { b} = 1 \\\ mathbf {a} \ cdot \ mathbf {b} = 0 \\\ mathbf {x} \ cdot (\ mathbf {a} \ times \ mathbf {b})>0, \ конец {выровненный}}}{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {x} \cdot \mathbf {a} =\mathbf {x} \cdot \mathbf {b} =0\\\mathbf {a} \cdot \mathbf {a} =\mathbf {b} \cdot \mathbf {b} =1\\\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =0\\\mathbf {x} \cdot (\mathbf {a} \times \mathbf {b})>0, \ end {выровненный}}}

где первая пара уравнений утверждает, что a и b касаются в точке x, вторая пара утверждает, что a и b являются единичными векторами, предпоследнее уравнение, что a и b равны ортогонально, и окончательное уравнение (x, a, b) является правым базисом R.

Спин-весовая функция s f - это функция, принимающая в качестве входных данных точку x множества S и положительно ориентированный ортонормированный базис касательных векторов в x, такие что

f (x, (соз ⁡ θ) a - (грех ⁡ θ) б, (грех ⁡ θ) a + (соз ⁡ θ) б) = eis θ е (х, а, Ь) {\ Displaystyle е {\ bigl (} \ mathbf {x}, (\ cos \ theta) \ mathbf {a} - (\ sin \ theta) \ mathbf {b}, (\ sin \ theta) \ mathbf {a} + (\ cos \ theta) \ mathbf { b} {\ bigr)} = e ^ {равно \ theta} f (\ mathbf {x}, \ mathbf {a}, \ mathbf {b})}{\ displaystyle f {\ bigl (} \ mathbf {x}, (\ cos \ theta) \ mathbf {a} - (\ sin \ theta) \ mathbf {b }, (\ sin \ theta) \ mathbf {a} + (\ cos \ theta) \ mathbf {b} {\ bigr)} = e ^ {is \ theta} f (\ mathbf {x}, \ mathbf {a }, \ mathbf {b})}

для каждого угла поворота θ.

Следуя Eastwood Tod (1982), обозначьте совокупность всех s-функций спин-весов с помощью B (s). Конкретно, они понимаются как функции f на C \ {0}, удовлетворяющие следующему закону однородности при комплексном масштабировании

f (λ z, λ ¯ z ¯) = (λ ¯ λ) sf (z, z ¯). {\ displaystyle f \ left (\ lambda z, {\ overline {\ lambda}} {\ bar {z}} \ right) = \ left ({\ frac {\ overline {\ lambda}} {\ lambda}} \ right) ^ {s} f \ left (z, {\ bar {z}} \ right).}{\ displaystyle f \ left (\ lambda z, {\ overline {\ lambda}} {\ bar {z}} \ right) = \ left ({\ frac {\ overline {\ lambda}} {\ lambda}} \ right) ^ {s} f \ left (z, {\ bar {z}} \ right).}

Это имеет смысл при условии, что s является полуцелым числом.

Абстрактно, B (s) изоморфно гладкому векторному расслоению , лежащему в основе антиголоморфного векторного расслоения O (2s) поворота Серра на комплексной проекционной прямой CP. Участком последнего расслоения является функция g на C \ {0}, удовлетворяющая условию

g (λ z, λ ¯ z ¯) = λ ¯ 2 s g (z, z ¯). {\ displaystyle g \ left (\ lambda z, {\ overline {\ lambda}} {\ bar {z}} \ right) = {\ overline {\ lambda}} ^ {2s} g \ left (z, {\ bar {z}} \ right).}{\ displaystyle g \ left (\ lambda z, {\ overline {\ lambda}} {\ bar {z}} \ right) = {\ overline {\ lambda}} ^ {2s} g \ left (z, {\ bar {z}} \ right).}

При таком ag мы можем получить s-функцию спинового веса, умножив на подходящую степень эрмитовой формы

P (z, z ¯) = z ⋅ z ¯. {\ displaystyle P \ left (z, {\ bar {z}} \ right) = z \ cdot {\ bar {z}}.}{ \ displaystyle P \ left (z, {\ bar {z}} \ right) = z \ cdot {\ bar {z}}.}

В частности, f = Pg является s-функцией спинового веса. Связь взвешенной по спину функции с обычной однородной функцией является изоморфизмом.

Оператор ð

Пакеты спиновых весов B снабжены дифференциальным оператором ð (eth ). Этот оператор по сути является оператором Dolbeault, после того, как были выполнены подходящие идентификации,

∂: O (2 с) ¯ → E 1, 0 ⊗ O (2 с) ¯ ≅ O (2 с) ¯ ⊗ O (- 2). {\ displaystyle \ partial: {\ overline {\ mathbf {O} (2s)}} \ to {\ mathcal {E}} ^ {1,0} \ otimes {\ overline {\ mathbf {O} (2s)} } \ cong {\ overline {\ mathbf {O} (2s)}} \ otimes \ mathbf {O} (-2).}\ partial: \ overline {\ mathbf O (2s)} \ в \ mathcal {E} ^ {1,0} \ otimes \ overline {\ mathbf O (2s)} \ cong \ overline {\ mathbf O (2s)} \ otimes \ mathbf {O} (- 2).

Таким образом, для f ∈ B (s),

ð е знак равно def P - s + 1 ∂ (P sf) {\ displaystyle \ eth f \ {\ stackrel {\ text {def}} {=}} \ P ^ {- s + 1} \ partial \ left ( P ^ {s} f \ right)}{\ displaystyle \ eth е \ {\ stackrel {\ text {def}} {=}} \ P ^ {- s + 1} \ partial \ left (P ^ {s} f \ right)}

определяет функцию спинового веса s + 1.

Спин-взвешенные гармоники

Так же, как обычные сферические гармоники Собственные функции оператора Лапласа-Бельтрами на сфере, s-гармоники спиновых весов являются собственными определениями для оператора Лапласа-Бельтрами, действующего на связки E (s) спин-весовых s-функций.

Представление в виде функций

Взвешенные по спину гармоники могут быть представлены как функции на сфере, если точка на сфере выбрана в качестве северного полюса. По определению функция η со спиновым весом s преобразуется при вращении вокруг полюса следующим образом:

η → e i s ψ η. {\ displaystyle \ eta \ rightarrow e ^ {is \ psi} \ eta.}{\ displaystyle \ eta \ rightarrow e ^ {is \ psi} \ eta.}

Работая в стандартных сферических координатах, мы можем определить конкретный оператор ð, действующий на функцию η, как:

ð η = - (sin ⁡ θ) s {∂ ∂ θ + i sin ⁡ θ ∂ ∂ ϕ} [(sin ⁡ θ) - s η]. {\ displaystyle \ eth \ eta = - \ left (\ sin {\ theta} \ right) ^ {s} \ left \ {{\ frac {\ partial} {\ partial \ theta}} + {\ frac {i} {\ sin {\ theta}}} {\ frac {\ partial} {\ partial \ phi}} \ right \} \ left [\ left (\ sin {\ theta} \ right) ^ {- s} \ eta \ right].}{\ displaystyle \ eth \ eta = - \ left (\ sin {\ theta} \ справа) ^ {s} \ left \ {{\ frac {\ partial} {\ partial \ theta}} + {\ frac {i} {\ sin {\ theta}}} {\ frac {\ partial} {\ partial \ phi}} \ right \} \ left [\ left ( \ sin {\ theta} \ right) ^ {- s} \ eta \ right].}

Это дает нам другую функцию от θ и φ. (Оператор ð фактически является оператором ковариантной производной в сфере.)

Важным свойством новой функции ðη является то, что если η имеет спиновый вес s, то ðη имеет спиновый вес s + 1. Таким образом, оператор увеличивает спиновый вес функции на 1. Аналогичным образом мы можем определить оператор ð, который понизит спиновый вес функции на 1:

ð ¯ η = - (sin ⁡ θ) - s {∂ ∂ θ - я sin ⁡ θ ∂ ∂ ϕ} [(sin ⁡ θ) s η]. {\ displaystyle {\ bar {\ eth}} \ eta = - \ left (\ sin {\ theta} \ right) ^ {- s} \ left \ {{\ frac {\ partial} {\ partial \ theta}} - {\ frac {i} {\ sin {\ theta}}} {\ frac {\ partial} {\ partial \ phi}} \ right \} \ left [\ left (\ sin {\ theta} \ right) ^ {s} \ eta \ right].}{\ displaystyle {\ bar {\ eth}} \ eta = - \ left (\ sin {\ theta} \ right) ^ {- s} \ left \ {{\ frac {\ partial } {\ partial \ theta}} - {\ frac {i} {\ sin {\ theta}}} {\ frac {\ partial} {\ partial \ phi}} \ right \} \ left [\ left (\ sin {\ theta} \ right) ^ {s} \ eta \ right].}

Взвешенные по спину сферические гармоники затем определяются в терминах обычных сферических гармоник как:

s Y lm = {(l - s) ! (l + s)! ð s Y l m, 0 ≤ s ≤ l; (l + s)! (л - с)! (- 1) s ð ¯ - s Y l m, - l ≤ s ≤ 0; 0, l < | s |. {\displaystyle {}_{s}Y_{lm}={\begin{cases}{\sqrt {\frac {(l-s)!}{(l+s)!}}}\ \eth ^{s}Y_{lm},0\leq s\leq l;\\{\sqrt {\frac {(l+s)!}{(l-s)!}}}\ \left(-1\right)^{s}{\bar {\eth }}^{-s}Y_{lm},-l\leq s\leq 0;\\0,l<|s|.\end{cases}}}{\ displaystyle {} _ {s} Y_ { lm} = {\ begin {cases} {\ sqrt {\ frac {(ls)!} {(l + s)!}}} \ \ eth ^ {s} Y_ {lm}, 0 \ leq s \ leq l ; \\ {\ sqrt {\ frac {(l + s)!} {(ls)!}}} \ \ left (-1 \ right) ^ {s} {\ bar {\ eth}} ^ {- s } Y_ {lm}, - l \ leq s \ leq 0; \\ 0, l <| s |. \ End {cases}}}

Функции sYlmтогда имеют свойство преобразования со спиновым весом s.

Другие важные свойства включают следующее:

ð (s Y l m) = + (l - s) (l + s + 1) s + 1 Y l m; ð ¯ (s Y l m) = - (l + s) (l - s + 1) s - 1 Y l m; {\ displaystyle {\ begin {align} \ eth \ left ({} _ {s} Y_ {lm} \ right) = + {\ sqrt {(ls) (l + s + 1)}} \, {} _ {s + 1} Y_ {lm}; \\ {\ bar {\ eth}} \ left ({} _ {s} Y_ {lm} \ right) = - {\ sqrt {(l + s) ( l-s + 1)}} \, {} _ {s-1} Y_ {lm}; \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ eth \ left ({} _ {s} Y_ {lm} \ right) = + {\ sqrt {(ls) (l + s + 1)}} \, { } _ {s + 1} Y_ {lm}; \\ {\ bar {\ eth}} \ left ({} _ {s} Y_ {lm} \ right) = - {\ sqrt {(l + s) (l-s + 1)}} \, {} _ {s-1} Y_ {lm}; \ end {align}}}
Ортогональность и полнота

Гармоники ортогональны по всей сфере :

∫ S 2 s Y lms Y ¯ l ′ m ′ d S = δ ll ′ δ мм ′, {\ displaystyle \ int _ {S ^ {2}} {} _ {s} Y_ {lm} \, {} _ {s} {\ bar {Y}} _ {l'm '} \, dS = \ delta _ {ll'} \ delta _ {mm '},}{\displaystyle \int _{S^{2}}{}_{s}Y_{lm}\,{}_{s}{\bar {Y}}_{l'm'}\,dS=\delta _{ll'}\delta _{mm'},}

и удовлетворяют отношению полноты

∑ lms Y ¯ lm (θ ′, ϕ ′) s Y lm (θ, ϕ) = δ (ϕ ′ - ϕ) δ (cos ⁡ θ ′ - cos ⁡ θ) {\ displaystyle \ sum _ {lm} {} _ {s} {\ bar {Y}} _ {lm} \ left (\ theta ', \ phi' \ right) {} _ {s} Y_ {lm} (\ theta, \ phi) = \ delta \ left (\ phi '- \ phi \ right) \ delta \ left (\ cos \ theta' - \ cos \ theta \ right)}{\displaystyle \sum _{lm}{}_{s}{\bar {Y}}_{lm}\left(\theta ',\phi '\right){}_{s}Y_{lm}(\theta,\phi)=\delta \left(\phi '-\phi \right)\delta \left(\cos \theta '-\cos \theta \right)}
Вычисление

Эти гармоники могут быть явно вычислены несколькими способами. Очевидное рекурсивное отношение возникает в результате многократного применения повышающих или понижающих операторов. Формулы для прямого расчета были получены Goldberg et al. (1967) ошибка harvtxt: нет цели: CITEREFGoldbergMacfarlaneNewmanRohlich1967 (help ). Обратите внимание, что в их формулах используется старый выбор для фазы Кондона – Шортли. Выбранное ниже соглашение, например, согласуется с Mathematica.

Более полезной из формул Голдберга и др. Является следующая:

s Y l m (θ, ϕ) = (- 1) m (l + m)! (л - м)! (2 l + 1) 4 π (l + s)! (л - с)! sin 2 l ⁡ (θ 2) × ∑ r = 0 l - s (l - sr) (l + sr + s - m) (- 1) l - r - seim ϕ cot 2 r + s - m ⁡ (θ 2). {\ displaystyle {} _ {s} Y_ {lm} (\ theta, \ phi) = \ left (-1 \ right) ^ {m} {\ sqrt {\ frac {(l + m)! (lm)! (2l + 1)} {4 \ pi (l + s)! (Ls)!}}} \ Sin ^ {2l} \ left ({\ frac {\ theta} {2}} \ right) \ times \ sum _ {r = 0} ^ {ls} {ls \ choose r} {l + s \ choose r + sm} \ left (-1 \ right) ^ {lrs} e ^ {im \ phi} \ cot ^ {2r + sm} \ left ({\ frac {\ theta} {2}} \ right) \,.}{\ displaystyle {} _ {s} Y_ {lm} (\ theta, \ phi) = \ left (-1 \ right) ^ {m} {\ sqrt {\ frac {(l + m)! (lm)! (2l + 1)} {4 \ pi (l + s)! (ls)!}}} \ sin ^ {2l} \ left ({\ frac {\ theta} {2}} \ righ t) \ times \ sum _ {r = 0} ^ {ls} {ls \ choose r} {l + s \ choose r + sm} \ left (-1 \ right) ^ {lrs} e ^ {im \ phi } \ cot ^ {2r + sm} \ left ({\ frac {\ theta} {2}} \ right) \,.}

Записная книжка Mathematica, в которой используется эта формула для вычисления произвольных сферических гармоник, взвешенных по спину, находится здесь.

Согласно фазовому соглашению здесь:

s Y ¯ lm = (- 1) s + m - s Y l (- m) s Y lm (π - θ, ϕ + π) = (- 1) l - s Y lm (θ, ϕ). {\ displaystyle {\ begin {align} {} _ {s} {\ bar {Y}} _ {lm} = \ left (-1 \ right) ^ {s + m} {} _ {- s} Y_ {l (-m)} \\ {} _ {s} Y_ {lm} (\ pi - \ theta, \ phi + \ pi) = \ left (-1 \ right) ^ {l} {} _ { -s} Y_ {lm} (\ theta, \ phi). \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} {} _ {s} {\ bar {Y}} _ {lm} = \ left (-1 \ right) ^ {s + m} {} _ {- s} Y_ {l (-m)} \\ {} _ {s} Y_ {lm} (\ pi - \ theta, \ phi + \ pi) = \ left (-1 \ right) ^ {l} {} _ {- s} Y_ {lm} (\ theta, \ phi). \ end {align}}}
Первые несколько спин-взвешенных сферических гармоник

Аналитические выражения для первых нескольких ортонормированных спин-взвешенных сферических гармоник :

Спин-вес s = 1, степень l = 1

1 Y 10 (θ, ϕ) = 3 8 π sin ⁡ θ 1 Y 1 ± 1 (θ, ϕ) = - 3 16 π (1 ∓ соз ⁡ θ) е ± я ϕ {\ displaystyle {\ begin {align} {} _ {1} Y_ {10} (\ theta, \ phi) = {\ sqrt {\ frac {3} { 8 \ pi}}} \, \ sin \ theta \\ {} _ {1} Y_ {1 \ pm 1} (\ theta, \ phi) = - {\ sqrt {\ frac {3} {16 \ pi }}} (1 \ mp \ cos \ theta) \, e ^ {\ pm i \ phi} \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} {} _ {1} Y_ {10} (\ theta, \ phi) = {\ sqrt {\ frac {3} {8 \ pi}}} \, \ sin \ theta \\ {} _ {1} Y_ {1 \ pm 1} (\ theta, \ phi) = - {\ sqrt {\ frac {3} {16 \ pi}}} (1 \ mp \ cos \ theta) \, e ^ {\ pm i \ phi} \ end {align}}}
Связь с матрицами вращения Вигнера
D - msl (ϕ, θ, - ψ) знак равно (- 1) м 4 π 2 l + 1 s Y lm (θ, ϕ) eis ψ {\ displaystyle D _ {- ms} ^ {l} (\ phi, \ theta, - \ psi) = \ left (-1 \ right) ^ {m} {\ sqrt {\ frac {4 \ pi} {2l + 1}}} {} _ {s} Y_ {lm} (\ theta, \ phi) e ^ {равно \ psi}}{\ displaystyle D _ {- ms} ^ {l} (\ phi, \ theta, - \ psi) = \ left (-1 \ right) ^ {m} {\ sqrt {\ frac {4 \ pi } {2l + 1}} {} _ {s} Y_ {lm} (\ theta, \ phi) e ^ {is \ psi}}

Это соотношение позволяет спиновым гармоникам вычисляться с использованием рекурсивных соотношений для D-матриц.

Тройной интеграл

Тройной интеграл в случае, когда s 1 + s 2 + s 3 = 0 задается с помощью символа 3-j :

∫ S 2 s 1 Y j 1 m 1 s 2 Y j 2 m 2 s 3 Y j 3 m 3 = (2 j 1 + 1) (2 j 2 + 1) (2 j 3 + 1) 4 π (j 1 j 2 j 3 м 1 м 2 м 3) (j 1 j 2 j 3 - s 1 - s 2 - s 3) {\ displaystyle \ int _ {S ^ {2}} \, {} _ {s_ {1}} Y_ {j_ {1} m_ {1}} \, {} _ {s_ {2}} Y_ {j_ {2} m_ {2}} \, {} _ {s_ {3}} Y_ {j_ {3} m_ {3}} = {\ sqrt {\ frac {\ left (2j_ {1} +1 \ right) \ left (2j_ {2} +1 \ right) \ left (2j_ {3} +1 \ right)} {4 \ pi}}} {\ begin {pmatrix} j_ {1} j_ {2} j_ {3} \\ m_ {1} m_ {2} m_ {3} \ end {pmatrix}} {\ begin {pmatrix} j_ {1} j_ {2} j_ {3} \\ - s_ {1} - s_ {2} - s_ {3} \ end {pmatrix}}}{\ displaystyle \ int _ {S ^ {2}} \, {} _ {s_ {1}} Y_ {j_ {1} m_ {1}} \, {} _ {s_ {2}} Y_ {j_ {2} m_ {2} } \, {} _ {s_ {3}} Y_ {j_ {3} m_ {3}} = {\ sqrt {\ frac {\ left (2j_ {1} +1 \ right) \ left (2j_ {2} +1 \ right) \ left (2j_ {3} +1 \ right)} {4 \ pi}}} {\ begin {pmatrix} j_ {1} j_ {2} j_ {3} \\ m_ {1} m_ {2} m_ {3} \ end {pmatrix}} {\ begin {pmatrix} j_ {1} j_ {2} j_ {3} \\ - s_ {1} - s_ {2} - s_ {3} \ конец {pmatrix}}}
См. также
Ссылки
Последняя правка сделана 2021-06-09 02:52:03
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте